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Biología de 1º Bachillerato

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ÍNDICE



GEOLOGÍA

Tema 1: características y estructura de la tierra

Tema 2: el sistema solar y la tierra

Tema 3: la dinámica de la tierra

Tema 4: materiales magmáticos, metamórficos y sedimentarios



BIOLOGÍA

Tema 5: base físico-química de la vida (bioquímica)

'Tema 6: 'organización celular

Tema 7: fisiología celular (función de nutrición y reproducción)

Tema 8: genética molecular y mendeliana







Tema I: CARACTERÍSTICAS Y ESTRUCTURA DE LA TIERRA




Estudio del interior de la Tierra

Métodos directos

La observación de los diferentes tipos de meteoritos caídos en la Tierra, nos pueden dar una idea acerca de su composición. Tanto los meteoritos como la Tierra se forman a partir de la misma nebulosa y, más o menos, a la misma distancia de su centro; por lo tanto, sus composiciones deben ser semejantes. Así, la composición en un 98% de una aleación de hierro y níquel de un tipo de estos meteoritos, los sideritos, se hace coincidir con la del Núcleo terrestre, mientras que la de las condritas (olivino y piroxeno), se piensa que es similar a la del Manto.

Métodos indirectos

Los terremotos son una de las manifestaciones de la energía del interior de la Tierra más estudiadas. De la transmisión de las ondas sísmicas se ha aprendido a sacar conclusiones, en cuanto a la estructura interna de la Tierra se refiere. Los terremotos son vibraciones que atraviesan las rocas cuando éstas se fracturan y se propagan en forma de ondas. Según se propaguen, por el interior de la roca o en la superficie, se denominan: Ondas P (primarias). Son las más rápidas y las que llegan antes. La vibración se produce en el sentido de avance de la onda. Así, la velocidad de estas ondas es mayor cuanto menor es la densidad de la roca (inversamente proporcional) y, mayor cuanto más rígida (directamente proporcional). Además, las ondas P se pueden transmitir en fluidos (rigidez=0) pues su velocidad depende también de la incompresibilidad. Su velocidad viene dada por la siguiente expresión:


Ondas S (secundarias). Son más lentas, puesto que la vibración se produce en el sentido perpendicular a la propagación de la onda. Al igual que en las anteriores la velocidad de estas ondas es mayor cuanto menor es la densidad de la roca (inversamente proporcional) y mayor cuanto más rígida (directamente proporcional), pero en ningún caso pueden atravesar fluidos. Su velocidad viene dada por la siguiente expresión:

Ondas de superficie: Cuando las ondas P y S llegan a la superficie se originan ondas superficiales (R y L) muy similares a las que se forman en la superficie del agua de un recipiente al que le golpeamos un lateral. Los daños causados por los terremotos y los maremotos son consecuencia de estas ondas de baja frecuencia y gran longitud de onda. Desde el punto de vista de la estructura del interior de la Tierra no aportan información.








Calor interno, densidad y temperatura de la Tierra

El origen del calor interno del Planeta debemos buscarlo en la formación del planeta. Nuestro planeta se formó hace, aproximadamente, unos 4.600 millones de años. Actualmente se piensa que la formación de La Tierra y de todo el Sistema Solar comenzó a partir de una nebulosa que comenzó a girar, concentrando las partículas de polvo y gas interestelar, originando el Sol y los planetas, entre ellos La Tierra. Al concentrarse las partículas se produjo un aumento del campo gravitatorio en la zona, lo que incrementó la captura de más partículas, formando una enorme masa girando en torno al Sol. Los impactos de nuevas partículas capturadas aumentó la temperatura del planeta recién formado. Además, se desintegraban átomos inestables que liberaron gran cantidad de energía radiactiva. Toda esta liberación de energía permitió la fusión de la materia. Poco a poco la Tierra se enfrió, originando capas concéntricas. La más interna, formada por materiales densos y la más externa, formada por los materiales más ligeros. El proceso de liberación de calor que comenzó hace 4.600 millones de años continúa en la actualidad y se prolongará hasta que toda la energía de la Tierra se disipe en el frío Universo.

En las minas, sondeos y pozos se ha observado que la temperatura aumenta, como media en todo el planeta, 1 ºC cada 33 metros de profundidad. Esta relación se la conoce con el nombre de gradiente geotérmico, pero sólo es una relación válida para profundidades en la corteza terrestre, pero no en capas más profundas.

El calor interno de la Tierra crea las corrientes de convección. Cuando los materiales se calientan, se dilatan, se hacen menos densos y ascienden. Al llegar a la corteza terrestre se enfrían debido a que esta capa tiene una baja temperatura. Al enfriarse los materiales, se contraen, pasan a ser más densos y descienden hasta alcanzar zonas más calientes, donde el proceso volverá a comenzar. Toda esta energía térmica actúa sobre los materiales provocando el movimiento de éstos, generando elevadas presiones que llevan a transformaciones en la estructura de los materiales.






Teniendo en cuenta los cambios bruscos en la velocidad de las ondas se establecen dos discontinuidades, una más superficial, denominada discontinuidad de Mohorovicic, que supone un gran aumento en la velocidad de las ondas y, otra a los 2.900 km, denominada discontinuidad de Gutenberg, no atravesada por las ondas S y que hace disminuir la velocidad de las ondas P. Así, según estos cambios de velocidad, se establecen una serie de niveles: Corteza, Manto y Núcleo, separados los dos primeros por la discontinuidad de Mohorovicic, y los dos últimos por la de Gutenberg. Dentro del Manto se realizan más divisiones atendiendo al incremento en las velocidades de las ondas sísmicas (superior e inferior), y en el Núcleo se diferencian: Núcleo externo (fundido) e interno (sólido).

Unidades geoquímicas

Se establecen según la composición y se divide en corteza, manto y núcleo.

Corteza Es la capa más superficial y la menos densa, con una densidad media de 2,7 g/cm3 y una profundidad media de 30 kilómetros. Presenta una gran variabilidad, desde 5 km bajo los océanos, a los 70 km bajo las grandes cordilleras. Aparentemente, es la más heterogénea, tal vez por ser la mejor conocida. Desde el punto de vista composicional y genético se presentan dos variedades bien definidas: Corteza oceánica y Corteza continental.

Corteza oceánica (0-10 kilómetros): es más densa y más delgada que la corteza continental, y muestra edades que, en ningún caso, superan los 180 millones de años. Se encuentra en su mayor parte bajo los océanos y manifiesta un origen volcánico. Se forma continuamente en las dorsales oceánicas y, más tarde, es recubierta por sedimentos marinos. Presenta una estructura en capas.

Nivel 1: capa de sedimentos. Desde un espesor muy variable, 1.300 metros de media, pero inexistente en las zonas de dorsal, hasta espesores de 10 km en las zonas que bordean a los continentes.

Nivel 2: lavas almohadilladas. Basaltos submarinos emitidos en las zonas de dorsal que, al sufrir un rápido enfriamiento, ofrecen superficies lisas y semiesféricas.

Nivel 3: diques Basálticos. Son de composición similar a las lavas almohadilladas y están solidificados en forma de diques verticales. Cada dique tiene un antiguo conducto por donde se emitía la lava que formó el nivel anterior.

Nivel 4: gabros. Representa material solidificado en la cámara magmática existente bajo la zona de dorsal. Este material solidificado alimentó los dos niveles anteriores.



Corteza Continental (0-70 kilómetros) Menos densa y más gruesa que la Corteza Oceánica. Se encuentra en las tierras emergidas y plataformas continentales. Muestra edades mucho más antiguas que la Corteza Oceánica, pudiendo encontrarse rocas que se formaron hace 4000 millones de años. Las rocas más antiguas tienden a presentarse en el interior de los continentes y a ser rodeadas por otras más modernas, siendo el aspecto de esta Corteza un continuo parcheo de todo tipo de rocas. La Corteza Continental, a diferencia de la Oceánica, no ofrece ninguna estructura definida. Su origen está en sucesivos procesos de colisión continental. En la base de la Corteza Continental aparece un nivel más plástico, causado por la deshidratación de ciertos minerales, lo que unido a su menor densidad, evita su posible subducción.

En la interfase de ambas tipos de Corteza, se halla la Corteza transicional que se presenta como una Corteza continental adelgazada por fallas normales. Aparecen, además, intercalaciones de rocas volcánicas antes de llegar a la corteza oceánica. Se manifiesta recubierta por sedimentos de plataforma continental. Su origen está en el comienzo del proceso de ruptura continental, correspondiéndose con uno de los laterales del antiguo valle de Rift. Debido a su baja actividad tectónica, frente a las zonas de subducción, también recibe el nombre de margen continental pasivo.











Manto De mayor densidad que la corteza. Hacia 1.950, el objetivo prioritario consistía en la obtención de muestras directas del Manto por medio de sondeos, pero los métodos indirectos actuales han cubierto gran parte de ese objetivo. En términos generales, los cambios estructurales en los minerales que lo componen hacen que varíe de densidad y rigidez en profundidad, originándose dos divisiones:

Manto superior Su parte superior, junto a la corteza, forma parte de la Litosfera. La aparición de rocas ultrabásicas en la base de los complejos de ofiolitas (ver colisión continental), entre las que destacan las peridotitas, permitió suponer que estas rocas son las que se encuentran bajo la corteza, formando, al menos, parte del Manto superior. Su composición es rica en silicatos magnésicos, los minerales típicos de este tipo de roca son el olivino, los piroxenos, los granates y la espinela. Pueden existir zonas del Manto con mayor plasticidad debido a que ciertos minerales (granate y algunos piroxenos) de las peridotitas se funden. Así, tendríamos un Manto en el que, entre sus minerales (olivino), circula una cierta cantidad de material fundido de composición basáltica. Este mineral puede ascender originando magmas y dejando una roca rica en olivino, la Dunita.

Manto inferior Más rígido, de composición similar al Manto superior, presenta una mayor densidad debido a un mayor empaquetamiento en los minerales. Cada átomo de silicio está rodeado de seis átomos de oxigeno (coordinación octaédrica) en vez de cuatro (coordinación tetraédrica), por efecto de las mayores presiones existentes. Además, puede existir una mayor proporción de hierro frente a magnesio en los minerales. En el límite del Manto con el Núcleo se establece un nivel de transición (nivel D). Este nivel es el origen de las plumas del Manto y el final de los restos de Litosfera que subducen.

Núcleo (desde los 2.900 hasta los 6.370 km). La densidad es muy alta, de tal manera que su composición debe ser parecida a los sideritos (meteoritos de hierro). Está constituido en su mayor parte por una aleación de hierro y níquel. El comportamiento de las ondas S nos muestra dos partes muy diferenciadas, separadas hacia los 5.100 kilómetros:

Núcleo externo Fundido, puesto que las ondas S no lo atraviesan. La temperatura alcanza los 5.000 grados. La menor densidad con respecto al interno hace pensar que, además de hierro y níquel, puede haber otros elementos, fundamentalmente, azufre y, en menor cantidad, silicio y oxígeno. Presenta fuertes corrientes de convección. Núcleo interno Sólido, evidenciado por una mayor velocidad de las ondas P. Por su mayor densidad se piensa que su contenido en azufre es mucho menor que el del Núcleo externo. Esta circunstancia, junto con las mayores presiones existentes en el interior, posibilita su estado sólido pese a existir mayores temperaturas (superiores a 6000 º C).

En el Núcleo está el origen del campo magnético terrestre. Su convección genera una corriente de electrones que crea por inducción ese campo magnético (hipótesis de la dinamo autoinducida). Los cambios de polaridad detectados en el campo magnético terrestre podrían estar causados por cambios drásticos en la distribución de las corrientes de convección del Núcleo.













Unidades geodinámicas

Se establecen en función de las características físicas de los materiales como su comportamiento mecánico o su estado físico. Se divide en litosfera, astenosfera, mesosfera y endosfera.



Litosfera

Es la capa más externa y rígida. Incluye toda la corteza y parte del manto superior. Su grosor varía de unos lugares a otros. Bajo los océanos la litosfera oceánica tiene de 50 a 100 km de espesor, mientras que en los continentes, la litosfera continental tiene de 100 a 200 km; incluso bajo algunos continentes llegan hasta los 300 km.



Astenosfera

Es la capa plástica que se sitúa inmediatamente debajo de la litosfera alcanza hasta una discontinuidad que aparece a los 600 km de profundidad. Corresponde a la zona en la que la velocidad de las ondas sísmicas presenta fluctuaciones, con descensos y bruscas elevaciones. Se encuentra en estado sólido aunque próxima a la fusión, lo que no impide que los materiales de esta capa están sometidos a corrientes de convección (corrientes que se originan en los fluidos cuando se calientan y se producen en ellos zonas de diferente densidad, las zonas menos densas ascienden y las más densas descienden) Aunque las corrientes de convección son características de los fluidos (gases y líquidos) los sólidos sometido a esfuerzos importantes durante períodos muy largos de tiempo, se comportan como fluidos de viscosidad muy elevada. Estas corrientes son movimientos lentos de 1 a 12 cm por año, lo que no impide que generen procesos como la unión o división de los continentes o la formación de cordilleras.



Mesosfera

Incluye el resto del manto hasta el núcleo externo. Las rocas de esta zona se encuentran también sometidas a corrientes de convección.



Endosfera

Es la capa más interna y se corresponde con el núcleo externo e interno.











ATMÓSFERA e HIDROSFERA

La atmósfera terrestre es la capa gaseosa que rodea a la Tierra. Está compuesta por oxígeno(20,946%) y nitrógeno (78,084%), con pequeñas cantidades de argón (0,93%), dióxido de carbono(variable, pero alrededor de 0,033% ó 330 ppm), vapor de agua (aprox. 1%), neón (18,2 ppm), helio (5,24 ppm), kriptón (1,14 ppm), hidrógeno (5 ppm) y ozono (11,6 ppm).

Protege la vida de la Tierra absorbiendo en la capa de ozono parte de la radiación solar ultravioleta, reduciendo las diferencias de temperatura entre el día y la noche, y actuando como escudo protector contra los meteoritos. El 75% de la atmósfera se encuentra en los primeros 11 km de altura desde la superficie planetaria.

La temperatura de la atmósfera terrestre varía con la altitud. La relación entre la altitud y la temperatura es distinta dependiendo de la capa atmosférica considerada:

  • Tropósfera: 0 - 9/18 km, la temperatura disminuye con la altitud.
  • Estratosfera: 9/18 - 50 km, la temperatura permanece constante para después aumentar con la altitud.
  • Mesosfera: 50 - 80/90 km, la temperatura disminuye con la altitud.
  • Termosfera o Ionosfera: 80/90 - 600/800 km, la temperatura aumenta con la altitud.
  • Exosfera: 600/800 - 2.000/10.000 km

La Hidrosfera (del griego hydros: agua y sphaira: esfera) describe en las Ciencias de la Tierra el sistema material constituido por el agua que se encuentra bajo, en y sobre la superficie de la Tierra.

El agua que forma la hidrosfera se reparte entre varios compartimentos o secciones, que en el orden de mayor a menor volumen son:

  • Los océanos, que cubren dos tercios largos de la superficie terrestre con una profundidad típica de 3.000 a 5.000 m.
  • Los glaciares que cubren parte de la superficie continental. Sobre todo los dos casquete glaciares de Groenlandia y la Antártida, pero también glaciares de montaña, de menor extensión y espesor, en todas las latitudes.
  • La escorrentía superficial, un sistema muy dinámico formado por ríos y lagos.
  • El agua subterránea, que se encuentra embebida en rocas porosas de manera más o menos universal.
  • En la atmósfera en forma de nubes y vapor de agua.
  • En la biosfera, formando parte de plantas y animales.

La presencia del agua en la superficie terrestre es el resultado de la desgasificación del manto, que está compuesto por rocas que contienen en disolución sólida cierta cantidad de sustancias volátiles, de las que el agua es la más importante. El agua del manto se escapa a través de procesos volcánicos e hidrotermales. El manto recupera gracias a lasubducción una parte del agua que pierde a través del vulcanismo.

En los niveles superiores de la atmósfera la radiación solar provoca la fotólisis del agua, rompiendo sus moléculas y dando lugar a la producción de hidrógeno (H) que termina, dado su bajo peso atómico, por perderse en el espacio. A la larga el enfriamiento del planeta debería dar lugar al final del vulcanismo y la tectónica de placas conduciendo, al asociarse con el fenómeno anterior, a la progresiva desaparición de la hidrosfera.

El agua migra de unos a otros compartimentos por procesos de cambio de estado y de transporte que en conjunto configuran el ciclo hidrológico o ciclo del agua.

La Tierra es el único planeta en nuestro Sistema Solar en el que está presente de manera continuada el agua líquida, cubriendo el 71% de su superficie. La masa total de la hidrosfera es aproximadamente 1,4×1021 kg.


















Tema 2: EL SISTEMA SOLAR Y LA TIERRA



ORIGEN DEL SISTEMA SOLAR Y FORMACIÓN DE LA TIERRA

Hace unos seis mil millones de años, la zona conocida como El Sistema Solar era una nube de Hidrógeno con un poco de Helio y algunos rastros de otros elementos. Debido a la atracción gravitatoria esa nube de gas comenzó a glomerarse en el centro. Conforme la materia caía hacia el interior de la nube la presión fue haciéndose cada vez más grande. Al mismo tiempo, como los átomos llevaban un movimiento propio antes de comenzar a caer, la nube comenzó a girar sobre sí misma. Los remolinos de la caida de nubes de gas se formaban en todas las direcciones pero el choque entre unas y otras corrientes hizo que las corrientes más débiles se desviasen para unirse a las corrientes más fuertes, hasta que por fin todas las corrientes de gases se unieron en un único remolino de gas que giraba en una dirección determinada, el mismo plano en el que hoy en día aún sigue girando el Sol. En esta nube de gases se volvió a repetir, a escala más reducida, el mismo proceso formándose nubes más pequeñas que giraban sobre sí mismas al tiempo que se trasladaban alrededor de la nube central. Se formaron varios cientos de planetesimales girando sobre sí mismos y viajando alrededor de la nube central, pero los planetesimales más grandes, al pasar cerca de los más pequeños los hacían salirse de su órbita. En la zona media del sistema solar, a mitad de camino entre el centro y el borde de la nube primigenia, se formaron dos planetas gigantescos que absorbieron la mayor parte de los gases que existían en esa zona.

Había otros muchos planetesimales que se habían formado en el Sistema, pero la masa gigantesca de Júpiter y Saturno "barrieron" sus órbitas de tal forma que los planetesimales más cercanos fueron absorbidos por Júpiter y Saturno haciéndose ellos mismos aún más masivos.Pero a mayores distancias, tanto en la parte interior como en la exterior, aún quedaban muchos más planetesimales. Aún a larga distancia los efectos gravitatorios de Júpiter y Saturno se hacían sentir eliminando los planetesimales que ocupaban órbitas armónicas. Si un planeta interior tenía un período orbital tal que su año durase exactamente la mitad, o un cuarto, o un quinto, o una fracción exacta cualquiera del año de Júpiter o Saturno, eso hacía que su afelio cada X años coincidiría con la distancia más corta a Júpiter. El efecto de este acercamiento en un año determinado apenas sería apreciable, pero si cada cuatro años, por ejemplo, el acercamiento se volvía a repetir en condiciones muy similares, el efecto acumulativo de la atracción de Júpiter iría alargando la órbita del planeta interior hasta que en unos pocos millones de años su órbita dejase de ser estable, corriendo el peligro de estrellarse con otros planetas o incluso ser absorbido por los mismos Júpiter y Saturno. Por ese motivo se produjeron varias catástrofes planetarias en las que diversos planetesimales chocaban entre sí para unirse en planetesimales más grandes. Conforme estos planetesimales avanzaban a través de la nebulosa solar eran bombardeados por partículas y meteoritos que provocaban un calentamiento de la materia que los formaba al mismo tiempo que los frenaban, lo que ocasionaba que los planetesimales más pequeños cayesen hacia los mayores. Al final, tras varios cientos de millones de años de evolución planetaria, el sistema solar estaba compuesto por un centro masivo pero aún apagado, un par de gigantescos planetesimales (Júpiter y Saturno), cuatro planetas interiores (Mercurio, Venus, Tierra y Marte) y dos exteriores (Urano y Neptuno).


A pesar de la enorme masa que representaban los planetesimales que se habían formado, ésto no era más que una minúscula fracción de la cantidad de masa que se había acumulado en el centro del sistema. Esta masa era tan grande que la fuerza gravitatoria alcanzó proporciones gigantescas, y la presión que se acumuló en su centro fue tanta que ni siquiera los electrones eran capaces de soportar la presión de los miles de kilómetros de gas que tenían sobre ellos. Al final hasta los mismos átomos cedieron. Incapaces de soportar semejante presión los átomos de hidrógeno comenzaron a fusionarse para formar átomos de helio. Esta fusión nuclear, similar a la que se produce en una bomba de Hidrógeno, provocó el encendido del Sol.

El Sol se encendió, pero sólo en su interior, había miles de kilómetros de distancia hasta su superficie, por eso la explosión nuclear se extendió por todo el interior del Sol pero la presión del gas que tenía encima impedía que la explosión alcanzara la superficie, y mientras tanto la suma de la presión gravitatoria desde fuera y la presión explosiva desde dentro del Sol mantuvieron encendida la llama atómica aunque la superficie del Sol siguió siendo una superficie apagada. Seguramente hicieron falta varios siglos para que la llama atómica alcanzara la superficie haciendo que por primera vez la luz solar iluminase el interior del sistema solar.Lo que se podría haber visto en ese momento no era más que una niebla blanquecina, una nebulosa de polvo y gases con leves trazas de átomos más pesados. A través de esa niebla hubiera sido imposible vislumbrar los planetesimales, planetas y satélites que se habían formado, pero todos ellos estaban allí, aún formándose y constantemente bombardeados por los millones de fragmentos que aún quedaban como restos de la gran cantidad de planetesimales que no habían conseguido formar planetas o planetas que habían sido desintegrados por las catástrofes planetarias que se habían producido.A medida que la llama atómica atravesaba el manto solar, su avance iba siendo cada vez más rápido al soportar cada vez menos presión. Cuando por fin llegó a la superficie la explosión pudo encontrar una salida a su propia presión interior expulsando ingentes cantidades de partículas, átomos y gases más allá de la superficie solar.La fuerza gravitatoria del sol era tan grande que los gases más pesados no conseguían escapar pero la presión del horno nuclear empujaba constantemente a las partículas y átomos más ligeros empujándolos incesantemente lejos del Sol. Estas partículas que se "derramaban" desde el Sol, empujadas por su propia radiación interna, formaron un "Viento Solar" que barrió el sistema empujando las partículas ligeras que encontraba en su camino.

En ese primer barrido el viento solar habrá empujado hacia el exterior casi todas las partículas, átomos y moléculas ligeras que no estuviesen dentro de ningún planeta. Las partículas más pesadas serían barridas a lo largo de los más de cuatro mil millones de años transcurridos desde entonces, y todas esas partículas han ido a formar una nube a billones de kilómetros de distancia del Sol. Esta nube rodea el sistema solar como un anillo de polvo y en él también se han formado remolinos y se han creado cuerpos más o menos masivos y alguna vez que otra uno de estos cuerpos es desviado de su órbita por otro cuerpo similar y cae hacia el Sol en una órbita sumamente excéntrica. Formados en su mayor parte por los mismos elementos que había en el origen de nuestro sistema, esas bolas de "hielo sucio" atravesarán el firmamento formando lo que desde la antigüedad se han dado en llamar cometas.

Pero la consecuencia más importante que tuvo el encendido del Sol fue la limpieza del sistema solar. El viento solar barrió todo el polvo que frenaba las órbitas de los planetas y debido a ello los planetas existentes en ese momento han dejado de ser frenados para caer hacia el centro del sistema. Al contrario, el efecto gravitatorio que se produce entre los diversos planetas y satélites ha hecho que en algunos casos las distancias orbitales aumenten en lugar de disminuir. Así es el caso de la Luna con respecto a la Tierra. Estando ya en una situación muy cercana a que ambos cuerpos chocasen entre sí, la desaparición del polvo interplanetario frenó esa caída, y desde entonces la distancia de la Tierra a la Luna ha ido aumentando apreciablemente.



La formación de los Planetas

Los planetesimales eran nubes de gases que se aglomeraban debido a su propia fuerza gravitatoria. El gas que los formaba contenía todos los elementos estables del universo aproximadamente en la misma proporción en que esos elementos existen hoy en día, es decir, un 92% de Hidrógeno, 7% de Helio y un 1% de los demás elementos. De este 1%, había aproximadamente un 50% de oxígeno, 20% de Neón, 15% de Nitrógeno, 8% de Carbono, 2% de Silicio, 2% de Magnesio, 1,5% de Hierro, 1% de Azufre, y el 0,5% restante era una mezcla de Argón, Aluminio, Calcio, Sodio, Niquel, Fósforo y demás elementos en proporciones cada vez menores. Sin embargo, a pesar de suponer un porcentaje tan reducido, la masa total de cada uno de los planetesimales era tan grande que la cantidad de Níquel o Fósforo, por ejemplo, en cada uno de ellos era gigantesca, capaz de formar una esfera de centenares de kilómetros de radio. El calor y la presión provocaron diversas reacciones químicas que propiciaron la formación de moléculas y compuestos químicos. El hidrógeno, altamente reactivo y superabundante en aquella nube, se unía a diversos átomos, especialmente a los más abundantes (Oxígeno, Carbono y Nitrógeno) para formar gases como vapor de agua, metano y amoníaco. El Helio y el Neón, al ser muy poco reactivos, se conservaban como gases aislados. El Silicio reaccionaba con el oxigeno y posteriormente con otros elementos para formar todo tipo de silicatos. El Hierro reaccionaba con el azufre dando lugar a todo tipo de sulfuros.

Debido a la fuerza gravitatoria los materiales más pesados, principalmente el Hierro y el Niquel, tendían a hundirse hacia el interior de la nube mientras que los más ligeros permanecían en la superficie. Así se formaron las primeras capas que forman el interior de nuestro planeta, un núcleo de Hierro y Niquel seguido de un manto de Silicatos. Sobre todo ello una corteza más o menos sólida de silicatos y por encima una atmósfera de vapor de agua, amoníaco y metano. Era la atmósfera I.Aproximadamente por esa época fue cuando el Sol se encendió. Conforme el sistema solar iba quedando cada vez más despejado de polvo, el calor del Sol empezó a afectar a los planetas que giraban a su alrededor. Al calentarse las capas altas de la atmósfera se producía una disociación de las moléculas de vapor de agua, separándose en sus componentes, Oxígeno e Hidrógeno. El Hidrógeno libre era muy ligero, y más al calentarse, por lo que tendía a ascender sobre la atmósfera y a determinada distancia podía escapar del campo gravitatorio terrestre siendo arrastrado por el viento solar hacia más allá del sistema solar. El oxígeno libre reaccionaba con el amoníaco y el metano para formar Nitrógeno, Dióxido de Carbono y agua, y con esta agua volvía a repetirse el ciclo una vez tras otra. El final de este proceso, de repetirse un número indefinido de veces, era la desaparición de toda el agua y el Hidrógeno quedando entonces una atmósfera II, compuesta exclusivamente de Nitrógeno y Dióxido de Carbono.En Mercurio, demasiado pequeño y excesivamente cerca del Sol esta reacción se produjo muy rápido acabando en pocos millones de años con toda la atmósfera del planeta. Aunque mucho más lejos, el reducido tamaño de Marte también hizo que desapareciera gran parte de su atmósfera quedando hoy en día apenas leves trazas de una atmósfera muy tenue de Nitrógeno y Dióxido de Carbono. Venus y la Tierra son lo bastante grandes como para que el Hidrógeno no se pierda con tanta rapidez en el espacio, y entonces se ha producido otro fenómeno que no se había producido en los planetas más pequeños.

Cuando los rayos UV (ultravioleta) disociaban las moléculas de agua, los átomos de Hidrógeno ascendían sobre la atmósfera para perderse en el espacio, y los de Oxígeno descendían para repetir el ciclo que conduciría a una nueva atmósfera. Pero mientras permanecía como Oxígeno libre, algunas moléculas eran bombardeadas por rayos UV formándose moléculas de Ozono.

El Ozono era más ligero que la atmósfera, por eso formaba una capa sobre ella. Pero más importante, el Ozono no dejaba pasar los rayos UV, es decir que cuando se formaba la capa de Ozono el proceso de disociacion del agua se detenía. Por desgracia la capa de Ozono se mantenía a una muy elevada altitud, más de veinte kilómetros, y seguía siendo bombardeada por rayos UV. Muchas moléculas de ozono, al ser bombardeadas, podían adquirir suficiente velocidad como para escapar de la atracción planetaria, y eso hacía que al cabo del tiempo la capa de Ozono se debilitaba, volvía a dejar pasar los rayos UV y se volvía a repetir el proceso. Pero al menos la disociación del agua había resultado mucho más lenta que sin la capa de Ozono. Al ser Venus algo más pequeña que la Tierra y al estar situada mucho más cerca del Sol, su capa de Ozono no pudo impedir que a la larga desapareciera todo el hidrógeno de su atmósfera convirtiéndose ésta en una muestra más de atmósfera II, compuesta de Nitrógeno y Dióxido de Carbono.

Mientras tanto, los planetas gigantes se encontraban en la situación opuesta. Por un lado estaban tan lejos del Sol que los rayos UV apenas alcanzaban a disociar una mínima cantidad de moléculas de agua. La temperatura transmitida por el Sol era apenas suficiente para calentar los gases, al contrario, debido a sus propios procesos internos el mismo Júpiter genera más calor que el que recibe del Sol. Y por último, la masa de Júpiter es tan grande y a esa distancia el viento solar tan débil, que ni siquiera el Hidrógeno consigue escapar con facilidad de su campo gravitatorio, por lo que la conversión de atmósfera I en atmósfera II aún está en sus inicios.

Sin embargo el proceso en la Tierra ha seguido un camino diferente. Al principio, tal como en los demás planetas del sistema solar, se produjo una atmófera de Vapor de Agua, Amoníaco y Metano. También como en los demás planetas comenzó la transformación de esa atmósfera en otra de Nitrógeno y Dióxido de Carbono. Pero hoy en día gozamos de una saludable atmósfera de Nitrógeno, Oxígeno y Vapor de Agua, con algunas trazas de otros gases como Argón o Dióxido de Carbono.


El origen de la corteza terrestre

En todo sistema cerrado la tendencia natural de la materia es el desorden. Esto es algo que observamos continuamente, si dejamos un coche abandonado junto a la carretera al cabo de algunos años estará oxidado, los cristales estarán rotos, los asientos carcomidos, los neumáticos destrozados. Si dejamos un libro sobre la mesa al cabo de algunos siglos solo quedará un pequeño montón de polvo. Si lo que dejamos es una manzana, no quedará nada en pocas semanas.

A escala atómica ocurre lo mismo: donde hay moléculas complejas tarde o temprano estas moléculas se desorganizan, se parten en componentes más pequeños, donde había vida, ésta muere, donde había organización ésta desaparece. Esto es lo que ocurre en los sistemas cerrados. Afortunadamente la Tierra no es un sistema cerrado.

Debido a que no es un sistema cerrado la superficie terrestre ha sido bombardeada durante millones de años por millones de meteoritos que han aumentado su tamaño al mismo tiempo que su caída producía suficiente calor como para que toda la masa del planeta se fundiese. Este calor ha ocasionado que los elementos constitutivos del planeta se combinasen entre sí para formar los compuestos y aleaciones, sulfuros y silicatos que conforman las capas de nuestro planeta. De una estructura caótica que había al principio, los compuestos que tenían un punto de fusión similar se separaban del resto de la masa terrestre para formar vetas de minerales más o menos homogéneos. Sometida a sucesivos procesos de fusión y enfriamiento, presión y compresión, acreción y convección, cada uno de estos procesos empujaba determinados elementos en ciertas direcciones hasta conseguir que de aquel caos inicial surgiera una cierta estructura. La estructura que todos estos procesos nos han dejado es la de un planeta dividido en capas. En la capa más interior hay un núcleo con los elementos más pesados, siendo los más abundantes el hierro y el níquel. A continuación un manto de silicatos a temperatura de fusión. Por encima de este manto la atmósfera primigenia.

Conforme iban quedando cada vez menos fragmentos sólidos en la nebulosa solar, disminuyó el bombardeo de meteoritos, de ahí que la capa externa del manto comenzara a enfriarse y solidificarse. Sobre la superficie del manto fundido se formó una costra sólida que era rota continuamente por la caida de los aún frecuentes meteoritos. Tal como hoy en día los océanos se mantienen en movimiento, el manto semilíquido de aquella época también lo hacía y al formarse una costra en su superficie ésta se desplazaba en la dirección en que la empujaran las corrientes del manto. Con el tiempo la corteza adquirió un grosor de varios kilómetros, pero aún seguía siendo una fina corteza flotando sobre el manto terrestre y arrastrada por las corrientes magmáticas. En ocasiones, fragmentos de esa corteza chocaban entre sí y donde se producían esos choques ocurría como con una tela empapada flotando sobre el agua: los bordes de esas placas se arrugaban formando elevadas cordilleras, o se montaban una placas sobre otras generando extensas mesetas.

En algunas zonas dos placas contiguas podían alejarse dejando al descubierto el manto fundido del interior de la Tierra, y en otras ocasiones dos placas podían deslizarse la una junto a la otra en direcciones contrarias provocando periódicos terremotos.

Todo este continuo movimiento provocaba gigantescas presiones en el interior de la corteza terrestre y en ocasiones se producían erupciones volcánicas que sacaban al exterior materias que quizás llevaban millones de años enterradas. De esta forma tan caótica se formaron los principales yacimientos mineros, los nódulos de diamantes, las vetas de uranio, las menas de plata y mercurio. Los gases de la atmósfera primigenia reaccionaban con todos estos elementos para formar numerosos compuestos que se depositaban en la superficie para posteriormente formar parte de una corteza terrestre cada vez más compleja. Y cuando la temperatura de la superficie terrestre lo permitía, el vapor de agua de la atmósfera se condensaba para formar los primeros lagos, lagos que sólo se daban en lugares elevados, cordilleras, cráteres de volcanes apagados, lugares que estaban sobre una corteza terrestre lo suficientemente gruesa como para mantenerse alejada del calor del manto terrestre, porque en los lugares bajos, donde hoy están los océanos, la corteza terrestre era sumamente delgada y estaba demasiado caliente a causa del calor interior del planeta para que en ella pudiese permanecer el agua en estado líquido. En esos lagos de montaña, calientes hasta el punto de hervir en ocasiones, inundados de sales minerales y acariciadas por una ardiente brisa de hidrógeno, amoníaco y metano, se producían numerosas reacciones químicas que dieron los primeros pasos hacia la vida.







CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA SOLAR Y LA TIERRA

El Sistema Solar

Nuestro Sistema Solar se compone de su estrella principal, el Sol y un conjunto de cuerpos que no consiste solo en los nueve planetas conocidos, sino, de variados cuerpos que poseen diferentes tamaños orbitando al igual que los planetas alrededor del mismo.

Asteroides, cometas, cuerpos meteóricos, polvo y gas interplanetario hacen a este conjunto que llamamos Sistema Solar.

La formación del Sistema Solar, data de unos 4.500 millones de años, esta deducción proviene de muestras analizadas de meteoritos.

En el Sistema Solar, todos los planetas se mueven a su alrededor en órbitas casi circulares. Cuanto más nos alejamos del Sol, más disminuye la densidad de los planetas, pero aumentan su dimensión así como su masa.

Es por esto, que se dividen en dos grandes grupos: los terrestres y los gigantes o jovianos.

Los terrestres tienen una elevada densidad y carecen de anillos, con pocos satélites o ninguno, son de superficies sólidas y la atmósfera puede llegar a ser muy densa. En cambio los gigantes gaseosos, se encuentran muy distantes del Sol, detrás de cinturón de asteroides que se ubica entre el planeta Marte y Júpiter.

Estos cuerpos inmensos, son de baja densidad, están constituidos sobre todo por hidrógeno y helio, no poseen una superficie sólida, poseen una atmósfera muy extensa, se calcula que tienen en su centro un núcleo rocoso.

Todos están acompañados de anillos, algunos, muy sutiles han sido descubiertos en los últimos tiempos.

Todos tienen una buena cantidad de satélites que los orbitan.

Plutón, el planeta más discutido como tal, es el más alejado de todos del Sol, es pequeño y su densidad baja.

Orbitando después de Marte, se encuentra una enorme cantidad de lo que se ha dado en llamar cuerpos menores, a estos cuerpos se los denomina asteroides o planetoides, es posible, que en un tiempo, cuando se formó el Sistema Solar, los protoplanetas no hayan sido nueve, sino, más, los cuales aumentado su tamaño comenzaron a chocar entre sí y con otros objetos rompiéndose, formaron así el Cinturón de Asteroides. Otros componentes del Sistema Solar, son helados cuerpos más pequeños que los asteroides, estos cuerpos, son los núcleos de los cometas que se encuentran en el borde del sistema, en la denominada Nube de Oort.

Cuando alguna estrella errante provoca una perturbación gravitacional éstos, se disparan hacia el interior del sistema, cuando estos cuerpos se van acercando al Sol, el calor que irradia nuestra estrella sublima el hielo de la superficie de los mismos, produciéndose así la liberación de gases y polvo que formarán la conocida cola de los cometas que tanto nos maravilla.

Para concluir, el borde de nuestro Sistema Solar, aún no está definido, se guardan expectativas a causa de otros cuerpos descubiertos después de Plutón, tampoco se tiene claro, si la Nube de Oort pertenece al Sistema Solar o queda fuera del mismo.

Mercurio

Presenta gran cantidad de cráteres de impacto, semejantes a los de la Luna, algunos de gran tamaño. ·

También posee grandes llanuras, interpretadas como superficies de lava formadas por emisiones volcánicas.

Tiene un campo magnético semejante al de la tierra, aunque de muy poca intensidad. No tiene una verdadera atmósfera. Posee un casquete de hielo en su polo norte.

Venus

Su atmósfera está formada mayoritariamente por CO2. La existencia de CO2 crea un enorme efecto invernadero: penetra poca luz del Sol, y a la que penetra le resulta muy difícil salir. Por ello se alcanza temperaturas superficiales de alrededor de 500 ºC.

Posee un tipo de estructura topográfica especial. Consiste en grandes relieves circulares, con el centro elevado, cuyas dimensiones abarcan desde unos cientos hasta unos pocos miles de kilómetros. Existen también zonas volcánicas parecidas a las terrestres y zonas de intensa fracturación.

Marte

Su atmósfera está compuesta en un 96% por CO2 y en el 5% restante por nitrógeno y helio. Se le conoce como el planeta rojo, debido a la gran suspensión de polvo de óxido de hierro que tiene en su atmósfera. Presenta grandes cambios de temperatura, lo que hace que tenga una atmósfera muy dinámica con grandes vientos de más de 100 km/h y fuertes tormentas que afectan a todo el planeta.

Tiene agua, aunque localizada fundamentalmente en sus dos casquetes polares. El hemisferio sur está lleno de cráteres, mientras que el norte prácticamente carece de ellos. Se reconoces diferentes estructuras geológicas, tales como: campos de dunas, cráteres de impacto, cuencas de impacto, volcanes (muy numerosos), fosas tectónicas y canales situados en la zona norte del planeta, causados al pareces por agua líquida.

Júpiter

Tiene el 75% de la masa total de los planetas, aunque su densidad es baja.

La mayor parte del planeta está formado por gases. El hidrógeno representa el 81%, el helio el 18% y el resto lo componen amoniaco y metano principalmente. Como el hidrógeno y el helio son transparentes, lo que vemos de Júpiter son nubes de amoniaco y metano.

Su parte sólida se localiza en el núcleo del planeta; puede estar formado por silicatos. Con esta composición, los conceptos geológicos, tal como los manejamos en la Tierra, no son aplicables a Júpiter ni al resto de los planetas exteriores. La fuerte rotación del planeta hace que su atmósfera gire muy deprisa y que se formen bandas de nubes paralelas al ecuador. Júpiter emite mucha más energía que la que recibe del Sol. Tiene 16 satélites. Lo que le hace parecerse a un pequeño sistema solar.

Saturno

Lo que más destaca son sus miles de anillos formados por partículas de hielo de tamaños variables que van desde unos metros hasta unos milímetros. Tiene 17 satélites.

Urano

Una de sus principales características es que su eje de giro está inclinado 98º con respecto al plano de rotación. Su capa gaseosa está compuesta por hidrógeno, helio, amoniaco y metano. Su superficie es muy homogénea. Tiene 9 anillos y 15 satélites. Se cree que está formado por tres envolturas: el núcleo formado elementos rocosos, una intermedia acuosa, y la atmósfera, mencionada anteriormente.

Neptuno

Es un planeta parecido a Júpiter. Tiene 8 satélites. Su atmósfera presenta grandes remolinos que giran a distintas velocidades. Tiene 5 anillos parecidos a los de Saturno.

Plutón

Su tamaño es pequeño, equivalente a la mitad del tamaño de la Luna. Su superficie está formada pro metano helado. Otros cuerpos planetarios. 4.

Asteroides. Son cuerpos celestes. El grupo más importante se sitúa entre Marte y Júpiter, en una zona denominada cinturón de asteroides.

Meteoritos

Son fragmentos rocosos que caen a la Tierra. La mayoría de ellos procede del cinturón de asteroides. Posiblemente el choque entre asteroides provocan que los fragmentos liberados se sitúen en órbitas inestables e impacten contra la Tierra y otro planeta. Muchos son muy pequeños y se vaporizan al penetrar en la atmósfera, dejando sólo una ligera estela luminosa: son las estrellas fugaces. Los meteoritos tienen una gran importancia, tanto para el estudio del sistema solar como para el estudio del interior de la Tierra, ya que tienen una edad de 4.500 millones de años, que es el momento en el que se supone que se originó el sistema solar.

Cometas

Los cometas son objetos que se desplazan en el sistema solar en órbitas muy alargadas. Están formados por núcleo, cabeza y cola. El núcleo está formado por componentes gaseosos helados y rocas. La cabeza y la cola están compuestas por gas y polvo. La cola aparece cuando el cometa se aproxima al Sol. Su brillo tan intenso se debe a la fluorescencia que tienen la cabeza y la cola.

El Sol

Hace unos 4.500 millones de años nacía una estrella, una más entre 1011 estrellas de la Via Láctea, nuestra galaxia, una más entre 1020 del universo actualmente observable. Su masa, apenas 2 x 1033 gramos, no le auguraba un puesto demasiado destacado entre sus pares. Hoy, con un diámetro de 1,4 millones de km, es 500 veces más pequeña, que Antares o Betelgeuse. Pero, aproximadamente 3.000 millones de años atrás, en uno de los peñascos que giraban a su alrededor apareció un fenómeno nuevo, la vida. Así el Sol pasó a ser integrante -probablemente no el único- de un club muy exclusivo, el de las estrellas con planetas que albergan alguna forma de vida.

Su proximidad a la Tierra, alrededor de 150 millones de km (la siguiente estrella, Alfa Centauri, está a 4 años luz, más de 260.000 veces la distancia Tierra-Sol), hace que sea la única estrella que puede ser observada en dos dimensiones e inclusive en tres, mediante dos o más naves espaciales.

A simple vista, el Sol aparece como un disco brillante de borde muy bien definido, pero, en realidad, es una masa gaseosa que se extiende en una nube muy tenue (el viento solar) hasta más allá de la órbita de Saturno.

El conocimiento actual de la estructura solar surge de observaciones realizadas desde la Tierra o desde satélites y sondas planetarias, y también a partir de inferencias de modelos teóricos de su interior. En ella se pueden apreciar las siguientes zonas, que se indican en la figura:

Núcleo

Es la región del Sol, relativamente pequeña, que se extiende desde el centro hasta 0,25 del radio solar (R). El material del núcleo se comprime, bajo su propia acción gravitatoria, hasta densidades y temperaturas tan altas como para permitir la producción de reacciones nucleares. Estas reacciones constituyen la fuente de energía que es continuamente irradiada hacia el exterior. La energía liberada resulta de la síntesis del He a partir del H, según la reacción nuclear

4 H2→ 4He + (positrones y neutrinos) + energía

Debido a que el flujo de neutrinos detectado en la Tierra es un tercio del flujo predicho por la teoría, subsisten interrogantes sobre los procesos que ocurren en el núcleo.

Zona intermedia(o de transporte radiactivo)

Se extiende desde 0,25 R hasta 0,9 R. En esta región la energía liberada en el proceso de fusión del H en la zona interior es transportada hacia el exterior por radiación.

Zona convectiva

A partir de 0,9 R, la temperatura del interior del Sol disminuye tanto que el plasma se vuelve convectivamente inestable. Si se produce el desplazamiento de un volumen de plasma hacia el exterior, su temperatura se mantiene por encima de la temperatura del plasma circundante y, por lo tanto, su densidad es menor; así se genera una fuerza que lo impulsa hacia arriba. Este es un fenómeno semejante al que ocurre cuando se produce la ebullición del agua en un recipiente puesto al fuego. El transporte en esta región se produce por convección, es decir por el movimiento de materia caliente.

Atmósfera solar

Esta se divide, a su vez, en varias regiones: la fotosfera, la cromosfera y, luego de una zona de transición, la corona.

El espesor de la fotosfera es de unos 500 km. La superficie externa de esta región es la visible a simple vista como un disco. Su diámetro (1,4 x 106 km) y la temperatura efectiva de toda la capa emisora (5.780 K) son consideradas como el diámetro del Sol y la temperatura de su superficie.

La cromosfera es visible durante un eclipse total del Sol como un aro de color que rodea a la Luna. La temperatura, que alcanza un mínimo de 4.700 K en la fotosfera, aumenta hasta unos 10.000 K en la cromosfera. El aumento de la temperatura parece estar asociado a la disipación de energía mecánica (ondas acústicas) y a la estructura magnética de la cromosfera.

La corona solo es visible en luz blanca durante un eclipse total del Sol, cuando la Luna cubre el disco solar, mucho más luminoso. Se presenta como un tenue halo que rodea al Sol, de forma irregular. La temperatura en la corona es de aproximadamente un millón de grados.























TEMA 3: LA DINÁMICA DE LA TIERRA




  1. MANIFESTACIONES DE LA ENERGÍA INTERNA DEL PLANETA

El Núcleo irradia calor con facilidad, su composición metálica lo hace muy conductivo. Además, ambas partes del Núcleo (interno y externo), están en convección y el Núcleo externo, al estar fundido, fluye con mayor facilidad.

El Manto no es un buen conductor y, por tanto, tiende a acumular calor en las zonas próximas al Núcleo. El Manto caliente va adquiriendo menor densidad y ascendiendo hasta niveles superiores sin fundirse. En contacto con la Litosfera, el Manto se enfría, haciéndose más denso, y, tiende a descender a niveles inferiores. A este movimiento se le denomina convección.

De este modo, las zonas de ascenso gravitacional del Manto (menos denso y caliente) coinciden con zonas de dorsal, donde la Litosfera oceánica es arrastrada dejando paso a nuevos materiales volcánicos. Las zonas de descenso del Manto (más frías y densas) coinciden, a su vez, con zonas de subducción.

Si la cantidad de calor que le llega al Manto es mayor que la que puede ceder por convección se puede producir la fusión parcial del Manto, iniciándose el ascenso más rápido del material fundido. A este material caliente y fundido en ascenso se le denomina penacho o pluma del Manto. Las plumas, al tomar contacto con la litosfera, provocan su fusión y generan un vulcanismo al margen de los límites de placa, el vulcanismo de punto caliente. En este tipo de vulcanismo, el desplazamiento de la placa sobre el punto caliente va generando un rosario de edificios volcánicos alineados, cada vez más modernos, en donde únicamente permanecen activos los situados sobre el punto caliente.











  1. TEORÍA DE TECTÓNICA DE PLACAS


  • Teoría de la Derivade los continentes

La teoría de la deriva continental fue propuesta originalmente por Alfred Wegener en 1912, quien la formuló basándose, entre otras cosas, en la manera en que parecen encajar las formas de los continentes a cada lado del Océano Atlántico, como África y Sudamérica (de lo que ya se habían percatado anteriormente Benjamin Franklin y otros). También tuvo en cuenta el parecido de la fauna fósil de los continentes septentrionales y ciertas formaciones geológicas. Más en general, Wegener conjeturó que el conjunto de los continentes actuales estuvieron unidos en el pasado r emoto de la Tierra, formando un supercontinente, denominado Pangea. Este planteamiento fue inicialmente descartado por la mayoría de sus colegas, ya que su teoría carecía de un mecanismo para explicar la deriva de los continentes. En su tesis original, propuso que los continentes se desplazaban sobre el mantode la Tierra de la misma forma en que uno desplaza una alfombra sobre el piso de una habitación. Sin embargo, la enorme fuerza de fricción implicada, motivó el rechazo de la explicación de Wegener, y la puesta en suspenso, como hipótesis interesante pero no probada, de la idea del desplazamiento continental.


  • Teoría de la Tectónica Globalde las placas

La teoría de la deriva continental fue sustituida en la explicación del desplazamiento continental por la teoría de la tectónica de placas, nacida en los años 1960 a partir de investigaciones de Robert Dietz, Bruce Heezen, Harry Hess, Maurice Ewing, Tuzo Wilson y otros. Según esta teoría, el fenómeno del desplazamiento sucede desde hace miles de millones de años gracias a la convección global en el manto, de la que depende que la litosfera sea reconfigurada y desplazada permanentemente.

Se trata en este caso de una explicación consistente, en término físicos, que aunque difiere radicalmente acerca del mecanismo del desplazamiento continental, es igualmente una teoría movilista, que permitió superar las viejas interpretaciones fijistas de la orogénesis y de la formación de los continentes y océanos. Por esto, Wegener es considerado, con toda justicia, su precursor y por el mismo motivo ambas teorías son erróneamente consideradas una sola con mucha frecuencia

Las corrientes convectivas del Manto hacen que la Litosfera situada sobre él sea arrastrada en diversas direcciones. Esto origina la división de la Litosfera en placas con diferentes movimientos. A las zonas de separación de las placas litosféricas se les denomina límites de placa. Debido a los posibles movimientos relativos de dos placas, estos límites se clasifican en:

Límites divergentes:Cuando el movimiento de las placas es de separación, deja un "hueco" aprovechado por rocas magmáticas para generar nueva corteza oceánica. También se les llama Zonas de Dorsal o límites constructivos.

Límites convergentes:Cuando el movimiento que realizan las placas es de aproximación, obliga a una de las placas (la más densa) a introducirse bajo la otra en un proceso que se denomina subducción. A estas zonas también se les denomina zonas de subducción o límites destructivos.

Límites transformantes: existen zonas donde el movimiento de las placas es paralelo y de sentido contrario, conocidas también por zonas de falla transformante.

Los movimientos divergentes producidos por las dorsales, implican una permanente expansión de los fondos oceánicos. Esta expansión se origina en un proceso de ruptura continental.

Dorsales (expansión de los fondos oceánicos) Las dorsales constan de diversos tramos activos en los que se está creando corteza oceánica. Se encuentran separados y desplazados por fallas transformantes. Así, las dorsales muestran un aspecto escalonado, consecuencia de las diferentes velocidades de creación de corteza oceánica.

La expansión permanente del fondo oceánico hace desplazarse y crecer a las placas situadas a ambos lados de la dorsal. Cada nueva emisión de lavas, al enfriarse, va registrando el campo magnético existente en ese momento. Ese campo magnético sufre inversiones repentinas en intervalos de tiempo variables. Así, al medir el campo magnético de las rocas a ambos lados de una dorsal se aprecia un aspecto de bandeado simétrico. Completando esta información con la de la edad de la roca, se han obtenido detallados mapas de la edad de los fondos oceánicos.

La edad de la corteza oceánica no sobrepasa los 180 m.a. (millones de años). Al retirar los fondos oceánicos más recientes, y hacer coincidir los bordes de la antigua dorsal se pueden reconstruir las posiciones relativas de las masas continentales en el pasado. Estas reconstrucciones se denominan reconstrucciones paleogeógráficas. El inicio de nuestra historia sería un continente único denominado Pangea por Wegener, muchos años antes de que se empezase a hablar de la Tectónica de placas. De aquí se pasa a cuestionar el proceso de división de una placa continental para originar dos diferentes.



El origen de las dorsales (ruptura continental)

La aparición de una dorsal y el proceso de ruptura continental son pasos de un mismo proceso que sucede en tres etapas, denominadas con los nombres de las zonas geográficas donde actualmente tienen lugar:

Etapa de Rift:(Llamada de este modo por el valle en el que actualmente está teniendo lugar). Se produce un estiramiento de la litosfera continental que origina la aparición de grandes fallas normales. El adelgazamiento de la litosfera y del Manto a una mayor temperatura permite la aparición de vulcanismo aprovechando estas fallas.

Etapa de Mar Rojo:Se inicia la producción de litosfera oceánica gracias a la aparición de una dorsal. Se produce la entrada de agua de mar. Los antiguos bordes del valle del Rift quedan como márgenes pasivos.

Etapa Océano Atlántico:Continúa la producción de litosfera oceánica y la separación de las masas continentales.












La convergencia de placas (subducción y la colisión continental u obducción)

En el movimiento de aproximación de dos placas litosféricas se verifica el proceso de subducción, esto es, se introduce una bajo la otra. La desaparición de toda la litosfera oceánica implica un proceso de colisión continental.

La subducción

La placa que subduce se curva originándose una zona de fosa donde se alcanzan las mayores profundidades oceánicas. La fricción entre las dos placas da lugar a zonas muy activas desde el punto de vista sísmico. La Litosfera de la placa que subduce se introduce en zonas del Manto a mayores temperaturas, produciendo su progresiva desaparición por fusión y provocando la aparición de un cinturón volcánico paralelo a este tipo de límites. Los sedimentos del primer nivel de la corteza oceánica pueden no subducir y ser incorporados al margen de la otra placa (prisma de acrección). Se pueden dar dos modalidades de subducción, según la naturaleza de las placas puestas en contacto:

Corteza oceánica-Corteza oceánica

Se origina la formación de un arco isla volcánico. Esta modalidad se produce, por ejemplo, a lo largo de toda el límite occidental de la placa Pacífica, configurando la aparición de numerosos arcos islas, que dominan toda esa costa (Aleutianas, Filipinas, Japón, etc.). A veces se puede originar una pequeña dorsal tras el arco isla.

Corteza continental - Corteza oceánica

La Corteza oceánica se introduce bajo la litosfera de la otra placa de forma mucho más pronunciada puesto que es más profunda. Se origina todo una cordillera paralela al límite (orógeno de subducción) donde las máximas alturas coinciden por lo general con edificios volcánicos. Así, una zona de este tipo es el límite de la placa Pacífica con la sudamericana.

Hasta hace unos años se ponía como límite los 670 km, origen de los terremotos más profundos detectados y frontera del Manto superior e inferior. Actualmente se piensa que la subducción llega en forma de cascada hasta el contacto con el Núcleo externo formando el nivel D" del Manto.



La colisión continental

Supone el final del proceso de subducción por la completa desaparición de la litosfera oceánica que existía entre dos masas continentales, dando lugar a que una cabalgue sobre la otra, puesto que la Corteza continental es poco densa para subducir. Una colisión de este tipo origina grandes cordilleras (orógenos de colisión) como los Alpes o el Himalaya.































































Las zonas de falla transformante

Este tipo de fallas aparece en dos situaciones, como límite neto entre dos placas o separando diferentes tramos activos de una dorsal (ver las dorsales) . En ambos casos se genera una importante sismicidad.Este tipo de fallas aparece en dos situaciones, como límite neto entre dos placas o separando diferentes tramos activos de una dorsal (ver las dorsales) . En ambos casos se genera una importante sismicidad.

El ejemplo típico de este tipo de límites es la Falla de San Andrés, que pone en contacto la placa Norteamericana con la Pacífica. Su movimiento ha originado terremotos con devastadores efectos para las cercanas ciudades de San Francisco y Los Ángeles.

Mientras las placas se desplazan, las rugosidades del límite hacen que este permanezca estático, acumulando energía en forma de deformación elástica. Así, cuando la energía es capaz de vencer el rozamiento, se libera de forma repentina en forma de desplazamiento y de ondas sísmicas.














































Ciclo de Wilson



Hacia el año 1966 el geólogo canadiense Tuzzo Wilson propuso un modelo que esquematizaba la apertura y el cierre de las cuencas oceánicas según un proceso cíclico. se han podido observar ejemplos de este proceso en muchos lugares del planeta. la formación de una cordillera represen











TEMA IV: MATERIALES MAGMÁTICOS, METAMÓRFICOS Y SEDIMENTARIOS

AMBIENTE MAGMÁTICO

Un magma es una masa de rocas fundidas de composición silicatada con cantidades variables de agua y diversos gases disueltos en su interior por efecto de las grandes presiones. En esta masa fundida coexisten una cierta cantidad de minerales en estado sólido. La solidificación de un magma origina rocas magmáticas.

LOCALIZACIÓN DE LOS MAGMAS

Los magmas se originan en los puntos calientes y en dos tipos de bordes de placa: divergentes y convergentes.

Las plumas, al tomar contacto con la litosfera, provocan su fusión y generan un vulcanismo al margen de los límites de placa, el vulcanismo de punto caliente. En este tipo de vulcanismo, el desplazamiento de la placa sobre el punto caliente va generando un rosario de edificios volcánicos alineados, cada vez más modernos, en donde únicamente permanecen activos los situados sobre el punto caliente.

El magmatismo en los bordes convergentes es más variado. La subducción de la litosfera oceánica produce, por el aumento de temperatura, su desaparición por fusión. La tendencia es que la composición de los magmas varíe con la distancia a la fosa al aumentar la profundidad de generación del magma. Así, según nos alejamos de la fosa, en el arco volcánico los magmas generados a 50 km de profundidad son pobres en potasio (magmas toleíticos o basálticos), los originados entre 80 y 160 km de profundidad tienen un contenido intermedio en potasio (magmas calcoalcalinos) y los generados 300 kms de profundidad son ricos en potasio (magmas ultraalcalinos).



En las dorsales se crea de forma continua corteza oceánica a partir de un magma de composición basáltica. También se encuentran manifestaciones hidrotermales

FORMACIÓN DE UN MAGMA

El origen del magma se sitúa en los cambios de las variables que rigen la estabilidad de los minerales de una roca: temperatura, presión y composición.

Si analizamos la estabilidad de una roca para estas dos primeras variables (presión y temperatura) y representamos la línea que marca el cambio de fases, podemos comprobar que se puede producir la fusión de una roca por aumento de la temperatura (1) o disminución de la presión.

Los cambios en composición, en concreto la entrada de agua y volátiles en la roca, pueden producir la fusión puesto que la línea de fusión se desplaza a temperaturas inferiores (3). En esta situación también se puede producir la fusión por un aumento en la presión.

En cualquier caso, la fusión en las rocas comienza por algunos de sus componentes minerales y coexisten una fase líquida y una sólida hasta que se alcanza su total fusión (fusión parcial).






EVOLUCIÓN DE UN MAGMA

Un magma tiende a ascender debido a su menor densidad, ocupando un espacio que denominamos cámara magmática. El ascenso se realiza por la inyección de magma en l ascendente, el magma varía su composición por varios procesos:

Diferenciación magmática: Los minerales formados en el magma pueden ir separándose (por gravedad, por corrientes etc) de la parte fundida. El magma residual se empobrece en los elementos químicos ya utilizados para formar minerales.

Asimilación magmática: El magma, en su ascenso, integra en su interior rocas de las paredes de la cámara magmática y, al fundirlas, incorpora sus elementos.

Mezcla de magmas: La sucesiva generación de magmas puede hacer que se mezclen magmas de diferentes composiciones. as grietas y posterior caída de bloques del techo de la cámara.

Solidificación de un magma

Es un proceso inverso al la fusión. La solidificación de un magma puede producirse en dos situaciones:

En superficie: Se produce un enfriamiento rápido, dando lugar a las rocas extrusivas o volcánicas. Sólo se aprecian aquellos minerales cristalizados en el interior de la cámara magmática rodeados de una pasta micro cristalina o vítrea (textura porfídica).

En el interior: Se produce un enfriamiento gradual. A cada descenso de temperatura se forman los minerales más estables, enriqueciéndose el magma residual en sílice y volátiles. La textura típica es la holocristalina (todos los minerales presentan cristales visibles). Este proceso de cristalización sucede en tres etapas:

Ortomagmática: (temperaturas superiores a los 700º C) Se produce la solidificación en el interior de la cámara magmática. Cristalizan minerales silicatos originando rocas plutónicas.

Pegmatítica - Neumatolítica: (temperaturas entre 700 y 400º C) Los fluidos residuales con alto contenido en volátiles salen por las grietas de la cámara magmática solidificándose en su interior. Se originan rocas filonianas.

Hidrotermal: (temperaturas inferiores a 400º C) Soluciones acuosas a alta temperatura con componentes solubles (CO2, F, Cl, Br, S, etc) ascienden por grietas cristalizando en ellas. Se forman rocas filonianas e impregnaciones en otras rocas.

En cualquiera de las fases de consolidación se originan yacimientos minerales. En las rocas plutónicas se pueden encontrar diseminados de minerales metálicos (yacimientos de segregación). En la etapa pegmátitica se encuentran yacimientos de micas (antiguamente utilizadas como aislante eléctrico), turmalina, circones, fluorita, casiterita, o urarinita, y en la etapa hidrotermal, oro, sulfuros metálicos (pirita, galena, calcopirita, cinabrio, etc), siderita y calcita.

ROCAS MAGMÁTICAS.

Existen numerosos criterios de clasificación de las rocas magmáticas.

Composición: se clasifican por su composición química, pues esta aporta información sobre el origen del magma y determina en gran medida los minerales que vamos a encontrar. Tradicionalmente se clasifican por su contenido en sílice en ácidas (más del 65%), intermedias (entre 65 y 55%), básicas (entre 55 y 45%) y ultrabásicas (menos del 45%).

Existen clasificaciones composicionales más complejas. Actualmente, las rocas magmáticas se clasifican utilizando el diagrama de la IUGS (también denominado QAPF o de Streqkeisen). Es un doble diagrama triangular en el que se representan los tantos por ciento de tres minerales (reconvertidos a 100).



Triángulo superior: Cuarzo (Q), Feldespatos alcalinos (A) y Plagioclasa (P).

Triángulo inferior: Plagioclasa (P) Feldespatos alcalinos (A) y Feldespatoides (F).

Existen versiones diferentes para las rocas plutónicas y las volcánicas.

Para clasificar las rocas plutónicas ultrabásicas se utiliza otro diagrama triangular con minerales representativos para estas rocas: Olivino (Ol) piroxeno (Px) y hornblenda (Hbl)





























Para clasificar las rocas volcánicas, puesto que su textura muchas veces impide el reconocimiento de minerales, se toma su composición química y se calcula el porcentaje teórico para estos minerales (composición normativa).

Existen otras clasificaciones más sencillas que diferencian sólo los tipos de rocas más frecuentes:



Tipo de emplazamiento: Atendiendo al tipo de emplazamiento las rocas magmáticas se clasifican en plutónicas, filonianas y volcánicas.

Las rocas plutónicas son grandes masas de rocas magmáticas que han solidificado en el interior de la corteza y reciben diferentes nombres según las dimensiones de la intrusión:

Batolito: Masa plutónica de

grandes dimensiones.

Lacolito: De menor tamaño, unido por un conducto a un batolito, a veces se presenta interestratificado (intercalado entre estratos sedimentarios).

Las rocas filonianas se corresponden con cuerpos tabulares que se pueden ubicar en la periferia de un plutón o bien bajo un volcán (complejo subvolcánico). Por su disposición se denominan:

Diques: Se introducen a través de fracturas, solidificando en su interior. No presentan ninguna relación geométrica con las rocas encajantes.

Sill: Se presentan inyectados en superficies de estratificación de rocas sedimentarias (interestratificados)

Las rocas volcánicas, independientemente de su composición, se pueden agrupar por su formación en:

Piroclastos: fragmentos rocosos. Se trata del material fundido que es lanzado al aire durante la actividad volcánica y que enfría al caer en forma de lluvia. Los trozos de pequeño tamaño son las cenizas volcánicas. Los de tamaño intermedio se denominan lapilli o escorias (son parecidas a las de los hornos de fundición). Cuando adquieren mayor tamaño y aspecto

Coladas de lava: materiales más o menos continuos formados tras el enfriamiento de a lava que fluye desde la boca de erupción. En ocasiones la lava se retuerce mientras se enfría originando las lavas cordadas. La piedra pómez es una variedad de lava particularmente esponjosa (es tan ligera que flota en el agua). El vidrio volcánico se llama obsidiana. Tiene color oscuro y un brillo vítreo característico. Redondeado se llaman bombas volcánicas. Según el tipo de material (piroclastos o lavas) que predomine se originan diferentes tipos de edificios volcánicos.













AMBIENTE METAMÓRFICO

El metamorfismo es el conjunto de reacciones en estado sólido que afectan a una roca sometida a unas condiciones de presión y temperatura diferente a las de su origen. Cuando el cambio tiene lugar en las condiciones de composición (entrada de fluidos), recibe el nombre de metasomatismo.

Los factores del metamorfismo.

En el metamorfismo se produce el cambio en una o varias de las condiciones de origen de las rocas, presión, temperatura o composición.

Presión: La presión aumenta de forma gradual con la profundidad, debido al peso de la columna de rocas que se sitúa en la parte superior. El enterramiento y los movimientos tectónicos (colisión continental, zonas de subducción) pueden hacer variar la presión a la que está sometida una roca.

Temperatura: La temperatura también aumenta con la profundidad (gradiente geotérmico), pero puede verse afectada por otros procesos, como la existencia zonas del manto más calientes (zonas de dorsal, puntos calientes) o el ascenso de magmas.

El conocimiento de los intervalos de presión y temperatura en los que se producen estas transformaciones reacciones ha permitido establecer las facies metamórficas (conjunto de rocas metamórficas recristalizadas en un mismo intervalo de presión y temperatura).



















Por este motivo se pueden encontrar tres ambientes o facies metamórficas
Facies de alta presión: aumento de la presión manteniendo bajas temperaturas. Características de zonas de colisión continental reciente, o del prisma de acreción en las zonas de subducción. Facies de Esquistos azules y Eclogitas.
Facies de alta temperatura: aumento de la temperatura y manteniendo bajas presiones. Características de las zonas próximas a una intrusión plutónica (metamorfismo de contacto). Facies de Corneanas (epidóticas, hornbléndicas piroxénicas, y sanidínicas, según aumentamos la temperatura)

Facies intermedias: aumento simultáneo de presión y temperatura. Características del metamorfísmo regional. Facies de Zeolitas, Prehnita- Pumpellita, Esquistos verdes, Anfibolitas, y Granulitas.

Por último indicar que el aumento de temperatura y presión puede dar lugar a la fusión de la roca, bien parcialmente, produciendo un bandeado, o de forma total. Cuando esto último sucede se dice que se ha producido anatexia.



Composición
Por lo general, se acepta que el metamorfismo es un proceso isoquímico (no hay introducción de componentes externos a la roca) y se produce por cambios de presión y temperatura. Pero, en determinadas situaciones, el metamorfismo se produce por la introducción de componentes extraños a la roca (metamorfismo aloquímico o metasomatismo). En las últimas fases de la consolidación magmática, se produce la emisión de fluidos, con una composición rica en volátiles que pueden reaccionar con la roca encajante. Este fenómeno también se produce por la circulación de aguas subterráneas en las proximidades de un magma.
Reacciones metamórficas
Las reacciones en el metamorfismo, cuando se producen por cambios en presión y temperatura, se pueden considerar como un sistema cerrado (los elementos que intervienen son componentes ya existentes en la roca). Estas reacciones quedan registradas en los minerales de las roca y nos indican las condiciones en que ha tenido lugar el metamorfismo.
Pueden ser

Reacciones en estado sólido: Al desestabilizarse un mineral y reorganizarse su estructura, salen componentes que tienden a ingresar en minerales en formación por difusión en estado sólido. Un ejemplo que nos marca el paso a un metamorfísmo de alta presión es la transformación de la albita en jadeita y cuarzo:



Un caso especial de reacciones en estado sólido son las transformaciones polimorfas en las que sólo se produce un cambio estructural en el mineral sin cambio de composición. El ejemplo típico es el triplete de minerales formado por la Andalucita, la Sillimanita y la Distena (o cianita) de composición los tres Al2SiO5. La andalucita es la forma cristalizada a alta temperatura y baja presión, la distena, a alta presión y baja temperatura, y la sillimanita, a alta presión y temperatura.













Reacciones con el agua intergranular: Son reacciones que tienen lugar entre los minerales y una fase fluida. Ciertas reacciones liberan el agua estructural contenida en algunos minerales, por ejemplo:


Esta agua con iones disueltos va a acelerar ciertas reacciones (se producen más rápido que por difusión en estado sólido). Un ejemplo de estas reacciones son las reacciones de sustitución:

Tipos de metamorfismo.

Metamorfismo regional: Característico de las zonas orogénicas, ya sean de subducción o de colisión continental, afecta a grandes áreas de la corteza. Las rocas de metamorfismo regional presentan diferentes tipos de texturas laminadas (pizarrosidad, esquistosidad, bandeado) orientadas de forma perpendicular a la presión.




Metamorfismo de contacto: es un metamorfismo de alta temperatura, que se produce en las rocas encajantes de un magma. En estas rocas se produce una aureola de metamorfismo, más intenso cuanta mayor es la proximidad al magma.














Metamorfismo de impacto: Se produce en zonas donde se ha producido un choque de meteoritos. Se producen temperaturas y presiones muy elevadas en breves momentos. El resultado es un vidrio muy brechificado, en el que pueden aparecer minerales poco comunes

















Metamorfismo dinámico: En zonas de falla se produce en niveles superiores la trituración mecánica de las rocas en contacto, produciéndose una roca característica, denominada brecha de falla. En niveles inferiores, aumenta la temperatura y la circulación de fluidos, y con ellos la recristalización. Se originan unas rocas foliadas denominadas milonitas

Metasomatismo: Es un metamorfismo no isoquímico (cambia la composición de la roca). Se produce por la circulación de fluidos hidrotermales en la proximidades de un magma. Se producen intercambios de iones entre la roca y el fluido, generando nuevos minerales. Un tipo especial es el metamorfismo de fondo oceánico.



Las rocas metamórficas

La roca original anterior al metamorfismo (protolito) va a condicionar el tipo de roca que se va a generar.

Procedentes de rocas sedimentarias

Metapelitas: Proceden del metamorfismo de rocas arcillosas. Se caracterizan por poseer texturas orientadas (pizarrosidad , esquistosidad, bandeada). Según va aumentando el grado de metamorfismo, forman una serie: Pizarras, esquistos, gneises (estrictamente paragneises para diferenciarlos de los de origen ígneo).

Cuarcitas: Proceden del metamorfismo de areniscas silíceas.

Mármoles: Proceden del metamorfismo de rocas calizas. Se presentan muy recristalizadas, pero aún así, se pueden conservar fósiles.

Procedentes de rocas magmáticas

Ortogneises: Proceden del metamorfismo de una ígnea ácida (de composición granítica), son muy difíciles de diferenciar de los que proceden de una arcilla.

Metabasitas: Proceden del metamorfismo de rocas ígneas básicas (de composición basáltica) y ultrabásicas. Las más características son las anfibolitas, eclogitas, y las granulitas.



















MATERIALES SEDIMENTARIOS



En las cuencas sedimentarias los sedimentos son depositados iniciándose la litificación o diagénesis, por el que se transforman en rocas sedimentarias. Los cambios que tienen lugar en el sedimento durante la diagénesis se resumen en:

Compactación: Se reduce el volumen de los huecos (porosidad) y se expulsa el agua embebida en ellos por el peso de los sedimentos que se acumulan encima. Durante la compactación se inicia la reorientación de las partículas planas (arcillas, fragmentos de conchas).

Cementación: Las partículas que forman la roca van quedando unidas por las sales disueltas en el agua de formación que precipitan en los huecos.

Cambios en la composición: Se dan tres procesos que afectan a la composición mineralógica de la roca: disolución de minerales inestables para las nuevas condiciones, neoformación de otros por los cambios del medio y recristalizaciones en minerales preexistentes (cambio en el tamaño de los granos, aumento de cristalinidad de las arcillas, transformaciones calcita-dolomita o calcita aragonito y pérdida de agua composicional).

Las rocas sedimentarias se depositan formando cuerpos tabulares de disposición horizontal denominados estratos. A las superficies de estratificación que limitan los estratos se les denomina muro a la inferior y techo a la superior. Se denomina estratificación a la disposición espacial de estos cuerpos. La estratificación tiene importancia geológica pues aporta información sobre la edad de los materiales. La estratificación junto con el contenido en fósiles, constituye uno de los mejores datadores de este tipo de rocas. El principio de superposición de los estratos indica que en una secuencia de estratos es más antiguo el inferior y más moderno el superior. El establecimiento de las edades relativas de rocas de todo el planeta nos ha permitido establecer un calendario de tiempo geológico universal.

Las rocas sedimentarias.

Las rocas sedimentarias se clasifican en atendiendo a su origen y composición:

Rocas Detríticas: Se caracterizan por la existencia de fragmentos de rocas preexistentes (clastos) rodeados por una matriz, que puede ser de dos tipos arcillosa (si es de arcilla) y micritica (precipitación de carbonatos). Todo el conjunto se puede presentar cementado. Se clasifican por el tamaño de los clastos.

Rocas Carbonatadas: Muy abundantes, su característica fundamental es que están formadas por calcita o dolomita (calizas y dolomías), aunque genéticamente son un grupo heterogéneo, pudiendo algunas calizas incluirse por su origen en otros grupos, por ejemplo, las calcarenitas se puede considerar como una arenisca calcárea. Existen también rocas carbonatadas en transición con otros grupos como las margas (calizas con cierto contenido el arcillas).

Evaporitas: Se forman en medios donde la contínua evaporación produce la precipitación de sales. El criterio de clasificación es composicional. Las más abundantes son: yeso (CaSO4), sal común (NaCl), silvina (KCl) y carnalita (KMgCl3·6H2O).

Silíceas (Sílice SiO2): Su formación se debe a la acumulación de espículas de esponjas silíceas (esponjiolitas), de caparazones de diatomeas (diatomitas) y radiolarios (radiolaritas) o bien a precipitación directa (silex).

Fosfatadas: Su componente fundamental es el Apatito. Se forman por la acumulación de restos óseos y de excrementos de aves marinas (guano).

Orgánicas: Se forman por acumulación de restos orgánicos de seres vivos. Tienen gran importancia económica por ser combustibles fósiles: carbón y petróleo.










El ciclo de las rocas

           Aproximadamente hace 200 James Hutton propuso el ciclo geológico considerando las relaciones entre la superficie terrestre y el interior de la Tierra como un proceso cíclico. El esquema del ciclo geológico ilustra la interacción entre sedimentación, hundimiento, deformación, magmatismo, levantamiento y meteorización.

Los magmas, de que se derivan las rocas magmáticas - como las rocas plutónicas, volcánicas y rocas subvolcánicas - se forman en el manto superior y en la corteza terrestre profunda. Emplazando en secuencias de rocas de la corteza terrestre el magma enfría paulatinamente dando lugar a las rocas plutónicas. Cuando el magma sube hacia la superficie terrestre se enfría repentinamente resultando en rocas volcánicas. Por levantamiento las rocas plutónicas también pueden llegar a la superficie terrestre. En la superficie terrestre todas las rocas están expuestas a los procesos de meteorización y erosión. En consecuencia las rocas están desarmadas es decir trituradas en fragmentos de rocas y minerales y/o están disueltas por reactivos químicos como por soluciones acuosas de cierto pH, de cierto potencial redox, de cierta temperatura y de cierta presión. Las componentes disueltas como iones, moléculas y complejos químicos son transportadas en solución y se depositan en un lugar de condiciones ambientales, que favorecen su precipitación y que por consiguiente difieren de las condiciones causantes de su solución. Las componentes disueltas pueden precipitarse formando minerales distintos con respecto a aquellos, de que se derivan. Por ejemplo la componente 'calcio' de una labradorita, que es una plagioclasa básica con un alto contenido en calcio, se disuelve y precipita en otro lugar formando calcita. Las componentes detríticas como los fragmentos de rocas y minerales pueden ser transportadas por agua, viento y hielo y depositados en otro lugar. Cuando se depositan las componentes detríticas y químicas primeramente forman sedimentos blandos como la arena, un lodo de minerales arcillosos o un lodo de caliza. Por hundimiento, compactación y cementación los sedimentos se convierten en rocas sedimentarias sólidas. Los procesos responsables para la transformación de una roca sedimentaria blanda a una roca sedimentaria compacta son los procesos diagenéticos. Por tales procesos o es decir por diagénesis una arena se convierte en una arenisca por ejemplo. Cuando el hundimiento continúa, las rocas se calientan y su temperatura sobresale la temperatura T = 200ºC, que es el límite superior de temperatura para los procesos sedimentarios. A temperaturas más altas los procesos, que actúan en una roca (sedimentaria, magmática o ya metamórfica) y la transforman, pertenecen al metamorfismo. En el límite superior del metamorfismo las rocas metamórficas empiezan a fundirse. Este límite depende de las condiciones de temperatura y presión presentes y de la composición de la roca. Un granito se compone en parte de minerales con grupos de (OH-) como los anfíboles y las micas, que determinan una temperatura de fundición relativamente baja, a T = 650ºC con p = 4kbar las componentes empiezan a fundirse. Para un basalto compuesto de minerales como plagioclasa, olivino y piroxeno, que no llevan grupos de (OH-) la temperatura de fundición inicial es mucho más alta (T >= 1000ºC). La fundición de las rocas metamórficas las convierte en magma.









UNIDAD V: BASE FÍSICO-QUÍMICA DE LA VIDA (BIOQUÍMICA)
ORIGEN DE LA VIDA Y NIVELES DE COMPLEJIDAD

Origen de la vida: hipótesis científicas

La teoría evolucionista afirma que la vida surgió a partir de ordenamientos cada vez más complejos de la materia. Es decir, que cuando la materia se vuelve suficientemente compleja aparecen las características asociadas con la vida. los científicos (biólogos) se inclinan por un origen natural de la vida.

Oparin

Oparin presentó a sus colegas soviéticos en 1924 una clara y rigurosa explicación de cómo pudo haber acontecido esa evolución de la vida a partir del reino abiótico de la química y la física. Para 1936, sus ideas ya habían sido aceptadas en el mundo entero. La hipótesis de Oparin principia con el origen de la Tierra hace unos 4,600 millones de años. Es casi seguro

que la atmósfera primitiva era reductora, quizá con altas concentraciones de metano (CH4), vapor de agua (H2O), amoniaco (NH3) y algo de hidrógeno (H2). Una atmósfera de esa naturaleza debió promover la síntesis química. Conforme la Tierra se enfrió, buena parte del vapor se condensó para formar los mares primitivos. La mayor parte del trabajo experimental de Oparin se relacionó con la exploración de las propiedades de los coacervados y su posible participación en la evolución de las primeras células vivas. En opinión de este científico, desde las primeras etapas del desarrollo de la materia viva debió haber síntesis de proteínas a partir de los aminoácidos.

Stanley Miller

Dio apoyo experimental a la idea de Oparin de que las condiciones y las moléculas inorgánicas simples de la atmósfera primitiva del planeta tenían realmente la capacidad de combinarse para formar moléculas orgánicas de los seres vivos. Miller, quien fue discípulo del premio Nobel Harold Urey (University of Chicago), dispuso un aparato de Tesla que producía pequeñas cargas eléctricas en el interior de un sistema cerrado que contenía metano, amoniaco, vapor de agua y un poco de hidrógeno gaseoso. Los resultados de esa estimulación enérgica de una atmósfera parecida a la de la Tierra primitiva fueron asombrosos. Se formaron diversas moléculas orgánicas entre las que se destacaron cetonas, aldehídos y ácidos, pero lo más importante de todo fue que se sintetizaron aminoácidos. Dado que las proteínas son indispensables para la estructura y el funcionamiento de las células vivas.

Origen de las células

Los coacervados son complejos multimoleculares pueden mantener su estructura a pesar de que se encuentran en un medio líquido amorfo. Por otra parte, a través de las fronteras del coacervado hay intercambio de sustancias con el medio. Aunque tales límites parecer estar constituidos por moléculas de agua orientadas y otras sustancias inorgánicas sencillas, sus propiedades son semejantes a las características de permeabilidad observadas en las células y no sería remoto que fueran la estructura antecesora de la membrana de la primeras células procarióticas. La complejidad cada vez mayor de las sustancias orgánicas del interior del coacervado dependía de la política exterior de éste, la que cada vez era dictada por la membrana externa. Por su parte, la membrana iba aumentando su complejidad conforme llegaban a su superficie las sustancias previamente introducidas en la célula.

Teoría de la endosimbiótica: células procariotas y eucariotas autótrofas y heterótrofas

Desde principios del siglo XX los biólogos advirtieron que hay semejanza entre diversos orgánulos delimitados por membranas y ciertas bacterias. Es particular, una de las similitudes más notorias es la que hay entre los cloroplastos y las cianobacterias cargadas de clorofila. Asimismo, muchos biólogos notaron el parecido que hay entre las mitocondrias y otras bacterias de vida libre. El hecho de que los cloroplastos y las mitocondrias posean su propio ADN y puedan dividirse en forma independiente del resto de la célula apoya la hipótesis de que estos y otros orgánulos fueron otrora bacterias independientes que invadieron a las células primitivas y llegaron a establecer una relación permanente con ellas. Se piensa que los invasores fueron simbiontes a los que beneficiaba al hospedero capacidades y talentos de los que éste carecía. Esto significa que los cloroplastos bien pudieron ser cianobacterias que confirieron propiedades fotosintéticas a las células que empezaron a darles alojamiento.

Lynn Margulis, de la Universidad de Boston, ha recabado un impresionante número de pruebas a favor de esta teoría acerca del origen de los orgánulos llamateoría de la endosimbiótica. La teoría ha sido aceptada ya por muchos científicos ha dado origen a un buen número de trabajos experimentales encaminados a confirmaría o rechazaría.






NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LA VIDA EN LA TIERRA



















BIOELEMENTOS

La materia viva está constituida en un 96% por 6 bioelementos, llamados primarios: C, H, O, N, P y S. Estos elementos forman parte de la materia viva en un porcentaje muy superior al resto gracias a poseer una serie de propiedades:

  • Tienen un peso atómico bajo, lo que les permite formar combinaciones por un lado muy complejas y por otro inestables, lo cual resulta muy útil para el continuo construir y destruir de materia a que se ven sometidos los seres vivos por su metabolismo.
  • Son muy solubles en agua, circunstancia favorable para ser incorporados al ser vivo o eliminados de él.
  • Abundan en las capas más externas de la Tierra, es decir, atmósfera, hidrosfera y litosfera, que son las que se hallan más en contacto con los seres vivos. Esta propiedad es importante ya que los seres vivos necesitan formarse con elementos que puedan conseguir con facilidad, es decir, que abunden en la naturaleza para poder disponer de ellos en cualquier momento.

El C es el más abundante de los bioelementos debido a que tiene 4 electrones en su periferia, lo que le da una gran capacidad de formar enlaces covalentes simples y dobles con otros átomos de C. Cada uno puede formar hasta 4 enlaces simples. De esta manera puede dar lugar a esqueletos lineales o cíclicos muy diversos que permiten originar muchas moléculas distintas. Además, también forma enlaces covalentes con el O, H, N y S con lo que se pueden originar muchos grupos funcionales en las estructuras de las moléculas orgánicas. En resumen, ningún otro elemento químico puede construir tantas moléculas estables tan diferentes, ni con tal variedad de grupos funcionales.



AGUA

           La vida, tal como se conoce en la Tierra, se desarrolla siempre en medio acuoso. Incluso en los seres no acuáticos el medio interno es básicamente hídrico. La inmensa mayoría de las reacciones bioquímicas se desarrollan en el seno del agua y obedecen las leyes fisicoquímicas de las disoluciones acuosas. Por todo ello no es de extrañar que el agua sea el principal componente de los seres vivos en cuanto a su cantidad. El cuerpo humano está formado por término medio por un 75% de agua, aunque los tejidos que necesitan mucha actividad como el nervioso son agua en un 90%. Sólo los tejidos esqueléticos y las semillas de las plantas presentan una baja proporción de agua. El agua reúne una serie de características que la convierten en un disolvente único e insustituible en la Biosfera.

Químicamente está formada por un átomo de oxígeno unido por enlaces covalentes a dos de hidrógeno. Como el O es fuertemente electronegativo atrae a los electrones del H. Como resultado da un dipolo eléctrico. Es decir, cada átomo de H posee una carga parcial positiva y el O negativa. Este hecho permite la formación de puentes de hidrógeno entre los dipolos de agua (la región positiva de uno con la negativa del otro). El puente de hidrógeno es un enlace débil (20 veces más endeble que el covalente) y tiene un tiempo de vida muy corto (10-8 a 10-10 s). Cada molécula de agua puede unirse a otras 3-4 vecinas formado una especie de red oscilante que se reorganiza continuamente. Este hecho permite, entre otras cosas, la unión mediante puentes de hidrógeno de millones de moléculas de agua entre sí, resultando que su estado físico sea líquido. Las demás propiedades del agua van a ser también consecuencia de su estructura química. Destacan las siguientes:

  • Menor densidad en estado sólido: la anómala variación de la densidad con la temperatura, con una densidad máxima a 4ºC, determina que el hielo flote en el agua líquida actuando como aislante térmico y, en consecuencia, posibilitando el mantenimiento de la gran masa de agua de los océanos en fase líquida albergando a la mayor parte de la Biosfera.
  • Disolvente universal: el agua es el líquido que más sustancias disuelve (disolvente universal). Esta propiedad, tal vez la más importante para la vida, se debe a su capacidad para formar puentes de H, además de con otras moléculas de agua como se dijo anteriormente, con otras sustancias polares (grupos -OH de alcoholes y azúcares, grupos -NH2 de aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos, etc.), pues se disuelven cuando interaccionan con las moléculas del agua.
  • Capacidad calorífica: el agua posee un elevado calor específico. Se denomina calor específico a la capacidad de almacenar energía para un aumento determinado de la temperatura: el agua puede absorber grandes cantidades de calor, mientras que, proporcionalmente, su temperatura sólo se eleva ligeramente. Del mismo modo, su temperatura desciende con más lentitud que la de otros líquidos a medida que va liberando energía al enfriarse. Esta propiedad permite que el contenido acuoso de las células sirva de protección a las sensibles moléculas orgánicas ante los cambios bruscos de temperatura, es decir actúa como termorregulador. Además, el calor que se desprende en los procesos metabólicos no se acumula en los lugares donde se produce, sino que se difunde en el medio acuoso y se disipa finalmente hacia el medio externo.
  • Elevada fuerza de cohesión: el agua posee una elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas. Los puentes de H mantienen a las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. Gracias a esta propiedad algunos seres vivos utilizan el agua como esqueleto hidrostático. Al mismo tiempo posee una elevada fuerza de adhesión. Esta fuerza está también en relación con los puentes de H que se establecen entre las moléculas de agua y otras moléculas polares y es responsable, junto con la cohesión, del llamado fenómeno de la capilaridad, es decir, el ascenso de agua a través de las paredes de un capilar (delgado tubo de vidrio) y de tensión superficial.

SALES MINERALES

En todos los seres vivos, animales y vegetales, se encuentran siempre determinadas cantidades de sales minerales. Se clasifican en función de su solubilidad en agua. Las sustancias salinas insolubles en agua forman estructuras sólidas que suelen cumplir funciones de protección y sostén y que están muy extendidas en todos los seres vivos. Los Crustáceos y los Moluscos presentan caparazones de carbonato cálcico (CO3Ca) mientras que en la Diatomeas son de sílice (SiO2). El esqueleto interno de los Vertebrados presenta una parte mineral formada por la asociación de varios componentes minerales, sobre todo carbonato y fosfato cálcico [(PO4)2Ca3]. Además, el esmalte de los dientes presenta fluoruro cálcico (F2Ca).

En cuanto a las sales minerales solubles en agua, éstas se encuentran disociadas en sus iones correspondientes, que son los responsables de su actividad biológica. Los principales iones son: cationes (Na+, K+, Mg2+, Ca2+ y amonio -NH4+-) y aniones (Cl-, fosfatos -PO43-, PO4H22-, sulfato -SO42-, nitrato -NO32- y carbonatos -CO32-, CO3H2-). Intervienen en dos procesos muy importantes: equilibrios osmóticos y ácidos-base.

Los fenómenos osmóticos se producen cuando dos disoluciones salinas de distinta concentración se ponen en contacto a través de una membrana semipermeable (llamada así porque permite el paso de agua pero no de los iones disueltos en ella) las dos disoluciones tienden a equilibrar sus concentraciones y, como los iones no pueden atravesar la membrana, es el agua de la disolución más diluida la que va pasando a la más concentrada. Este trasiego de agua cesa cuando ambas disoluciones adquieren la misma concentración. La disolución más concentrada recibe el nombre de hipertónica respecto a la menos concentrada que es la hipotónica; en el momento del equilibrio se dice que las dos disoluciones son isotónicas. Este fenómeno se con el nombre de ósmosis y el paso del agua a través de la membrana semipermeable genera una presión llamada presión osmótica. Esta será mayor cuanto mayor sea la diferencia en la concentración de las dos disoluciones. Los seres vivos mantienen en sus células una presión osmótica constante gracias a las sales minerales, fenómeno llamado homoósmia, y son muy sensibles a las variaciones de la misma, lo cual acarrea serios trastornos. Por esta razón toda disolución que se ponga en contacto directo con las células de un organismo debe ser isotónica con respecto a la disolución salina de su interior, ya que las membranas celulares se comportan como semipermeables. Las células vegetales poseen una gran vacuola y pared celular. Al ponerlas en contacto con una solución salina hipertónica, el agua de ésta fluye hacia el exterior de la célula y, como consecuencia, la vacuola se reduce de tamaño sin alterar el contenido del citoplasma. Por el contrario, si la solución que se pone en contacto con la célula es hipotónica, la corriente de agua se establece hacia el interior, hinchando la vacuola. En cambio la célula animal al ponerse en contacto con una solución hipertónica, disminuye de volumen y se arruga al salir agua al exterior, plasmolisis y si los ponemos en contacto con una solución hipotónica, el agua pasa al interior y el glóbulo rojo se dilata, pudiendo llegar a estallar rompiéndose su membrana, lisis.

Regulación del equilibrio ácido-base: en los seres vivos existen una serie de procesos que liberan protones (H+) y grupos hidroxilos (OH-). Los hidrogeniones tienen carácter ácido, mientras que los hidroxiliones lo tienen alcalino. Por lo tanto la acidez o alcalinidad del medio interno de un organismo dependerá de la proporción en que se encuentren los dos iones. Así será neutro cuando [H+] = [OH-] y el pH está próximo a 7, ácido cuando [H+] > [OH-] y el pH estará entre 1 y 7 y alcalino cuando [H+] < [OH-].

Para que los fenómenos vitales puedan desarrollarse con normalidad es necesario que la concentración de H+, que se expresa en valores de pH sea más o menos constante y próxima a la neutralidad, es decir, pH de 7. Sin embargo, en las reacciones que tienen lugar durante el metabolismo se están liberando productos tanto ácidos como básicos que tenderán a variar dicha neutralidad si no fuera porque los organismos disponen de unos mecanismos químicos que se oponen automáticamente a las variaciones de pH. Estos mecanismos se denominan sistemas amortiguadores o sistemas tampón, y en ellos intervienen de forma fundamental las sales minerales. Lo más corriente es que el pH tienda a desplazarse hacia el lado ácido por lo que los sistemas tampón más importantes actúan evitando este desplazamiento. Un tampón está formado por una mezcla de un ácido débil y una sal del mismo ácido; el más extendido es el formado por el ácido carbónico (CO­­­­­3H­2) y el bicarbonato sódico (CO3HNa). Supongamos que el organismo se ve sometido a un exceso de ácido clorhídrico que, en consecuencia liberará protones que harán disminuir el pH. En este momento entra en funcionamiento el sistema amortiguador y ocurre lo siguiente: la sal (bicarbonato sódico) reacciona con el ácido clorhídrico:

CO3HNa + ClH → NaCl + CO3H2

La sal que se forma (NaCl) es neutra y, aunque se disocie, no libera protones y, además, es habitualmente expulsada por la orina.

El ácido carbónico que se ha formado podría incrementar la acidez, pero rápidamente se descompone en CO­2, que se libera con la respiración, y agua que es neutra:

CO3H2 → CO2 + H2O

En resumen, todos los hidrogeniones que podrían provocar un estado de acidez desaparecen manteniéndose el estado de neutralidad.

Cuando el pH del medio varía hacia básico el proceso es al contrario. Los protones liberados por el ácido carbónico neutralizan los OH- de la base produciendo agua:

H+ + OH-→ H2O





GLÚCIDOS

Los glúcidos son biomoléculas orgánicas formadas básicamente por carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O). Los átomos de carbono están unidos a grupos alcohólicos (OH), llamados también radicales hidroxilo y a radicales hidrógeno (H). Se les ha llamado hidratos de carbono porque algunos responden a la fórmula general Cn(H2O)m y azúcares por su sabor dulce, aunque sólo los de baja masa molecular lo tienen. Químicamente son polihidroxialdehídos, polihidroxicetonas, sus derivados o sus polímeros.

Funciones generales

-Estructural: forman estructuras moleculares como la ribosa y desoxirribosa en los ácidos nucleicos, celulares como la celulosa en la pared de las células vegetales y orgánicas como la quitina de los artrópodos.
-Energética: son una fuente primaria de energía química celular. El azúcar energético por excelencia es la glucosa.
-Reserva energética: forman polisacáridos para almacenar glucosas que luego se hidrolizan para liberara energía. Destacan el almidón vegetal y glucógeno animal.
-Otras funciones: como reconocimiento celular al formar el glucocálix (pequeñas cadenas de monosacáridos unidas a proteínas de membrana e intermediarios celulares como el gliceraldehido de procesos muy importantes como la glucólisis.

Clasificación de los glúcidos(según su complejidad)

-Monosacáridos u osas: Son los más sencillos. No son hidrolizables; esto es, no se pueden descomponer por hidrólisis en otros glúcidos más simples. Constituyen los monómeros a partir de los cuales se forman los demás glúcidos.
-Ósidos: Formados por la unión de varios monosacáridos mediante enlaces O-glucosídicos, pudiendo poseer en su molécula otros compuestos diferentes de los glúcidos. Son hidrolizables, descomponiéndose en los monosacáridos y demás compuestos que los constituyen. Se dividen en:
-Holósidos: Son aquellos que están constituidos por carbono, hidrógeno y oxígeno, exclusivamente. A su vez se subclasifican en Disacáridos (2 monosacáridos), Trisacáridos (3),..., Oligosacáridos (hasta 10) y Polisacáridos (gran número de monosacáridos).
-Heterósidos. Formados por osas y otros compuestos que no son glúcidos. Por lo tanto, además de carbono, hidrógeno y oxígeno, contienen otros elementos químicos.

Monosacáridos

Las Osas ó monosacáridos son los glúcidos más sencillos. A veces se les llama azúcares por su sabor dulce, ycarbohidratospor contener el H y el O en la misma proporción que el agua, según su fórmula general C n (H2O) n, siendo n un número de C entre 3 y 7.

Químicamente son polihidroxialdehídos, polihidroxicetonas o sus derivados. Se caracterizan por no ser hidrolizables. Un polihidroxialdehído es un compuesto orgánico que tiene una función aldehído en el primer carbono y en los restantes carbonos una función alcohol. Las polihidroxicetonas en lugar de una función aldehído tienen una función cetona, normalmente en el carbono 2. Los monosacáridos que tienen función aldehído se llaman aldosas y cetosas los que tienen una función cetona.

Clasificación

Según el número de átomos de carbono se clasifican en:

Triosas (n = 3), Tetrosas (n = 4), Pentosas (n = 5), Hexosas (n = 6), Heptosas (n = 7), etc. Así, un monosacárido con 6 átomos de carbono y con la función aldehído será una aldohexosa; si tiene cuatro átomos de carbono y una función cetona, será una cetotetrosa, y así sucesivamente.

Entre los monosacáridos destacan:

-Triosas: como el D-gliceraldehido y la dihidroxiacetona que son muy importantes intermediarios en el metabolismo energético de la célula (glucólisis).
-Pentosas: como la  ribosa que forma el ARN y de otras importantes moléculas como son el ATP y el NAD, la desoxirribosa que constituye el ADN la ribulosa que desempeña un importante papel en la fotosíntesis, debido a que a ella se fija el CO2 atmosférico y de esta manera se incorpora el carbono al ciclo de la materia viva.
-Hexosas: entre ellas sobresale la glucosa que es el azúcar más extendido en la naturaleza por ser el que más emplean las células para producir energía. Se encuentra libre en las frutas y la miel, también forma importante disacáridos como la maltosa y lactosa de la leche de los mamíferos y en importantes polisacáridos de reserva energética como el almidón y glucógeno, así como en estructurales como la celulosa y la quitina. También destaca la fructosa que es muy abundante en la fruta.

Ejemplos de monosacáridos importantes

-Glucosa: Sustancia muy difundida tanto entre los vegetales (uvas) como entre los animales. Forma parte de muchos disacáridos y polisacáridos. Importante fuente de energía de las células. En la sangre hay un uno por mil de glucosa procedente de la digestión.
-Ribosa: Aldopentosa. Forma parte de muchas sustancias orgánicas de gran interés biológico, como el ATP o el ARN.
-Desoxirribosa: Derivada de la ribosa. Le falta el grupo alcohol en el carbono 2. Forma parte del ADN.















Enlace O-glucosídico

           Los Disacáridos y polisacáridos se forman por la unión de monosacáridos mediante el enlace O-Glucosídico. Éste se forma cuando un grupo OH del carbono anomérico (es el nuevo carbono asimétrico -alfa o beta- que aparece al ciclar los monosacáridos y era el que llevaba el grupo aldehído o cetona en la estructura lineal) reacciona con otro OH de otro monosacárido, desprendiendo una molécula de agua. El enlace glucosídico puede ser monocarbonílico (unión entre el carbono anomérico del primer monosacárido y otro no anomérico del segundo; en este caso se conserva el poder reductor, así la unión de dos glucosas por enlace alfa 1-4 que forma maltosa (disacárido que procede de la hidrólisis del almidón y del glucógeno, es también el azúcar de la malta que se obtiene al germinar la cebada y se utiliza para la fabricación de la cerveza-) o de la unión de la beta-galactosa y beta-glucosa que origina lactosa (disacárido que es el azúcar presente en la leche de los mamíferos-). El enlace glucosídico también puede ser dicarbonílico cuando se produce la unión de los dos carbonos anoméricos de ambos monosacáridos, con lo que se pierde el poder reductor. Así, por ejemplo, la unión de la glucosa y fructosa que forman sacarosa (que es el azúcar presente en las frutas).

Polisacáridos

Los polisacáridos se forman por la unión de miles de unidades de monosacáridos (principalmente glucosas), estableciendo enlaces glucosídicos entre ellos, y perdiendo en este proceso el poder reductor, la solubilidad (forman dispersiones coloidales), la cristalización, y el sabor dulce. Si los enlaces son del tipo alfa, el polisacárido tendrá función de reserva energética: almidón (formado por amilosa, lineal, y amilopectina, ramificada) en las células vegetales, y glucógeno (molécula helicoidal y parecida a la amilopectina del almidón, pero más ramificada) en las animales. Si el enlace es de tipo beta, el polisacárido tendrá función estructural: celulosa (estructura lineal y sin ramificar) de la pared celular de los vegetales, quitina (unión de miles de NAGs), formando exosqueletos de artrópodos y la pared celular de los hongos.

Los polisacáridos que tienen función de reserva energética presentan enlace alfa -glucosídico y destacan:

-Almidón: polisacárido de reserva propio de los vegetales. Es producido en la fotosíntesis y se almacena en inclusiones granulares del citoplasma llamadas amiloplastos. Está integrado por dos tipos de polímeros la amilosa (alrededor del 30%) que está constituida por unidades de maltosa, unidas mediante enlaces alfa (1 - 4) que es lineal y está enrollada helicoidalmente (con 6 glucosas por cada vuelta de la hélice) y la amilopectina (cerca del 70%), formada también por unidades de maltosas unidas mediante enlaces alfa (1 - 4) y alfa (1 - 6) cada 25-30 unidades de glucosa por lo que su estructura es ramificada.
-Glucógeno: polisacárido de reserva propio de los animales. Se encuentra abundantemente en el hígado (25%) y en los músculos (75%). Su molécula es muy similar a la amilopectina (enlaces alfa 1-4 y 1-6, helicoidal y ramificada) pero con mayor abundancia de ramificaciones (cada 8-12 glucosas).
Entre los polisacáridos estructurales, destacan:
-Celulosa: polisacárido estructural de los vegetales donde forma la pared celular vegetal. Esta pared constituye un estuche en el que queda encerrada la célula, que persiste tras la muerte de ésta.  Es, por tanto, el componente fundamental de la madera, calculándose que casi el 50% de la materia orgánica de la biosfera es celulosa. Está constituida por unidades de beta – glucosa unidas por enlace o-glucosídico beta (1 – 4). Este enlace hace a la celulosa inatacable por las enzimas digestivas humanas y de la mayoría de los animales, por ello, este polisacárido no tiene interés alimentario, sino estructural. Las cadenas de celulosa se unen entre sí por enlaces de puente de hidrógeno formando microfibrillas que se entrelazan dando lugar a fibras visibles a simple vista. Todo ello da lugar a una disposición en capas paralelas muy rígidas e insolubles en agua.
-Quitina: es un polisacárido estructural que forma el exoesqueleto de los artrópodos y la pared celular de los hongos. Está formado por un polímero no ramificado de la N-acetilglucosamina (derivado de la glucosa) con enlaces o-glucosídicos beta 1-4.

LÍPIDOS

Los lípidos son biomoléculas orgánicas muy diverso formadas básicamente por carbono e hidrógeno y generalmente también oxígeno; pero en porcentajes mucho más bajos. Además pueden contener también fósforo, nitrógeno y azufre. Es un grupo de sustancias muy heterogéneas que sólo tienen en común estas dos características: son insolubles en agua y solubles en disolventes orgánicos, como éter, cloroformo, benceno, etc.

Los lípidos desempeñan tres tipos de funciones básicas:

  • Función de reserva: es la principal reserva energética del organismo animal. Un gramo de grasa produce 9'4 kilocalorías en las reacciones metabólicas de oxidación, mientras que proteínas y glúcidos sólo producen 4'1 kilocalorías/gr.
  • Función estructural: forman las bicapas lipídicas de las membranas. También protegen órganos y estructuras biológicas, dando consistencia mecánica como el tejido adiposo de pies y manos o las ceras que impermeabilizan las hojas y frutos.
  • Función biocatalizadora: en este papel los lípidos favorecen o facilitan las reacciones químicas que se producen en los seres vivos. Cumplen esta función las vitaminas lipídicas, las hormonas esteroideas y las prostaglandinas.
  • Otras funciones son la de transporte de sustancias en los medios orgánicos (el colesterol da permeabilidad a la membrana) y de regulación de la temperatura mediante las capas de grasa de los mamíferos acuáticos de los mares de aguas muy frías.

Se clasifican en dos grupos, atendiendo a que posean en su composición ácidos grasos (saponificables simples como los triacilglicéridos y los céridos o complejos como los fosfolípidos y glucolípidos) o que no lo posean (insaponificables como los terpenos, esteroides y prostaglandinas).




Ácidos grasos

Los ácidos grasos son moléculas formadas por una larga cadena hidrocarbonada de tipo lineal con un número par de átomos de carbono. Tienen en un extremo de la cadena un grupo carboxilo (-COOH): CH3-(CH2)n-COOH

Se conocen unos 70 ácidos grasos que se pueden clasificar en dos grupos: los ácidos grasos saturados sólo tienen enlaces simples entre los átomos de carbono. Son ejemplos de este tipo de ácidos el mirístico (14C), el palmítico (16C) y el esteárico (18C) y los ácidos grasos insaturados tienen uno o varios enlaces dobles en su cadena y sus moléculas presentan codos, con cambios de dirección en los lugares dónde aparece un doble enlace. Son ejemplos el oleico (18C, un doble enlace) y el linoleico (18C y dos dobles enlaces).

Los ácidos grasos se caracterizan por tener una zona hidrófila, el grupo carboxilo (-COOH) y una zona lipófila, la cadena hidrocarbonada. Este hecho hace que tengan un comportamiento anfipático, lo que les hace insolubles en agua, formando micelas mono ó bicapa.

La función de los ácidos grasoso es de reserva energética.

Triacilglicéridos (grasas animales y vegetales)

Sonlípidos saponificables simples formados por laesterificaciónde una, dos o tres moléculas de ácidos grasos con una molécula de glicerina. También reciben el nombre de glicéridos o grasas simples. Según el número de ácidos grasos pueden s er monoglicéridos, que contienen una molécula de ácido graso, los diglicéridos, con dos moléculas de ácidos grasos y los triglicéridos, con tres moléculas de ácidos grasos.

Los acilglicéridos frente a bases dan lugar a reacciones de saponificaciónen la que se producen moléculas de jabón. Si los ácidos grasos que forman la grasa son saturados da lugar a grasas que a temperatura ambiente están sólidas por el elevado número de enlaces débiles de Van der Waals que hace que su punto de fusión sea más elevado, dando lugar a las grasas (mantecas y cebos) a nimales. Por contra, cuando los ácidos grasos son insaturados se forman menos enlaces y por tanto el punto de fusión es más bajo por lo que a temperatura ambiente son líquidos, formando los aceites vegetales (oliva, soja, etc.). Todos tienen como función producir energía en las células animales, además de acumularse en ciertas zonas del organismo actuando como aislante térmico y amortiguador de golpes.

Ceras

Cuando el alcohol con que se esterifica el ácido graso es de cadena muy larga, se forman los céridos (ceras), que se caracterizan por ser muy lipófilos (=hidrófobos) y tener función protectora. Son sólidas y totalmente insolubles en agua. Todas las funciones que realizan están relacionadas con su impermeabilidad al agua y con su consistencia firme. Así las plumas, el pelo, la piel, las hojas, frutos, están cubiertas de una capa cera protectora. Una de las ceras más conocidas es la que segregan las abejas para confeccionar su panal.

Fosfolípidos

Otro grupo de lípidos saponificables son los complejos como los fosfolípidos que incluye en su estructura molecular además de carbono, hidrógeno y oxígeno, hay también nitrógeno, fósforo, azufre o glúcidos. Se forman por la esterificación de dos ácidos grasos con la glicerina; el tercer carbono de ésta forma un enlace éster fosfórico con el ácido fosfó rico, el cual se puede unir a otras moléculas. Son moléculas antipáticas (cabeza polar y cola apolar), por lo que forman la doble capa lipídica de la membrana, por lo que también se llaman lípidos de membrana. Son las moléculas más abundantes de la membrana citoplasmática.

Carotenoides

Los carotenoides son un grupo de lípidos insaponificables que derivan de la unión de moléculas de isopreno. Son moléculas lineales o cíclicas que cumplen funciones muy variadas, entre los que se pueden citar:

  • Monoterpenos: unión de dos isoprenos. Tienen función de esencias vegetales como el mentol, el geraniol, limoneno, alcanfor, eucaliptol, vainillina.
  • Diterpenos: unión de cuatro isoprenos. Son importantes algunos pigmentos fotosintéticos como el fitol que también es precursor de la vitamina A, E y K.
  • Tetraterpenos: son 8 isoprenos. Son muy importantes por formar parte de ellos las xantofilas y los carotenos que son pigmentos amarillos y verdes, respectivamente que hacen papel muy importante en la fotosíntesis. Los carotenos también son precursores de la vitamina A.

Esteroides

Son también lípidos insaponificables que derivan del esterano. Destacan el colesterol que es un componente de las membranas animales dándole fluidez, las hormonas esteroides como son las sexuales, progesterona y testosterona o no sexuales como la cortisona y algunas vitaminas como la D.

Por último, otro grupo de lípidos insaponificables son las prostaglandinas que están constituidas por 20 átomos de carbono que forman un anillo con dos cadenas alifáticas. Las funciones que realizan son diversas con la producción de sustancias que regulan la coagulación de la sangre y cierre de las heridas; la aparición de la fiebre como defensa de las infecciones; la reducción de la secreción de jugos gástricos. Funcionan siempre como hormonas locales.



PROTEÍNAS

Las proteínas son biomoléculas formadas básicamente por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno (es el bioelemento más característico y hacen que las proteínas sean los compuestos nitrogenados de los seres vivos). Pueden además contener azufre y en algunos tipos de proteínas, fósforo, hierro, magnesio y cobre entre otros elementos. Pueden considerarse polímeros de unas pequeñas moléculas que reciben el nombre de aminoácidosy serían por tanto los monómeros unidad. Los aminoácidos están unidos mediante enlaces peptídicos. La unión de un bajo número de aminoácidos da lugar a un péptido; si el número de aminoácidos que forma la molécula no es mayor de 10, se denomina oligopéptido, si es superior a 10 se llama polipéptido y si es superior a 50 se habla ya de proteína. Son moléculas muy complejas. Su masa molecular puede ser muy elevada. Algunas proteínas están constituidas por la unión de varios polímeros proteicos que en ocasiones pueden contener otras moléculas orgánicas (lípidos, glúcidos, etc). En este último caso reciben el nombre genérico de prótidos. Las proteínas son las moléculas orgánicas más abundantes en las células, más del 50% del peso seco de la célula son proteínas.

Las proteínas son moléculas específicasque marcan la individualidad de cada ser vivo, pues a través de ellas se va a expresar la información genética contenida en al ADN (dogma central de la Biología molecular):

DNA (I.G.)-transcripción────RNA(men.-tra.-rib.)-traducción────Proteína

Las proteínas realizan un gran número de funciones entre las que destacan: catálisis, transporte, movimiento-contracción, reconocimiento molecular y celular, estructural, nutrición-reserva y hormonal
  • Catálisis: en los seres vivos se están desarrollando continuamente una serie de reacciones químicas que, si se realizaran en un laboratorio, sólo podrían llevarse a cabo mediante altas temperaturas, descargas eléctricas u otras fuentes de energía que las células no podrían resistir. Por ello, las reacciones que tienen lugar en los organismos no pueden ser violentas, lo cual se consigue gracias a la existencia de los biocatalizadores, entre los cuales el lugar más destacado lo ocupan los enzimas. Son el grupo más amplio de proteínas, se conocen cerca de 2000, cada una de las cuales cataliza un tipo distinto de reacción química.
  • Transporte: se unen a diversas moléculas para llevarlas de un lugar a otro del organismo. Destaca hemoglobina que transporta oxígeno.
  • Movimiento-contracción: son como la actina y miosina necesarias para la contracción del miocito o la tubulina de los microtúbulos en el movimiento de cilios y flagelos.
  • Reconocimiento molecular y celular: como las permeasas de las membranas celulares que reconocen moléculas y permiten su paso al interior de la célula.
  • Estructural: forman la estructura de orgánulos, células y tejidos. Así, las proteínas que forman parte de la membrana o las histonas de los cromosomas, el colágeno del tejido óseo y queratinas del pelo, por ejemplo.
  • Nutrición-reserva: sirven de almacén de aminoácidos que se utilizan como sustancias nutritivas durante desarrollo embrionario en animales y vegetales. Son, por ejemplo, la ovoalbúmina de la clara de huevo y la caseína de la leche.
  • Hormonal: algunas hormonas son proteínas como la insulina que regula el metabolismo de la glucosa o la hormona del crecimiento.

Aminoácidos

Todos los aminoácidos (menos la L-prolina) se forman por la unión a un C alfa central de una un grupo carboxilo (-COOH), un grupo amino (-NH2), un átomo de H y con un grupo variable denominado radical R o cadena lateral que es el responsable de la diversidad de estas biomoléculas pues da lugar a los 20 tipos de aminoácidos distintos.

           Los aminoácidos son compuestos sólidos cristalinos de elevado punto de fusión (más de 200 º C) y solubles en agua. Al ser el carbono alfa asimétrico también tienen estereoisomería: cuando el grupo amino está a la derecha se llaman D-aminoácidos y si lo está a la izquierda son L-aminoácidos (en la naturaleza, la mayor parte son formas L). También tienen actividad óptica (como las osas) con formas dextrógiras (+) y levógiras (-). Químicamente tienen carácter anfótero (se comportan como ácidos en medios básicos y como bases en medios ácidos) por presentar doble ionización según el pH del medio:

Las cadenas laterales R permiten clasificar a los aminoácidos según la polaridad de las mismas en neutros (apolares –cuando en su cadena lateral no hay grupos polares- y polares) y cargados (ácidos –cuando tienen carga neta negativa- y básicos –cuando es positiva-).

Grupo I: Aminoácidos apolares. Aminoácidos cuyo resto R no es polar. Esto es, no posee cargas eléctricas en R al tener en él largas cadenas hidrocarbonadas. Estos aminoácidos, si están en gran abundancia en una proteína, la hacen insoluble en agua.
Grupo II: Aminoácidos polares no ionizables. Poseen restos con cortas cadenas hidrocarbonadas en las que hay funciones polares (alcohol, tiol o amida). Contrariamente al grupo anterior si una proteína los tiene en abundancia será soluble en agua.
Grupo III: Aminoácidos polares ácidos. Pertenecen a este grupo aquellos aminoácidos que tienen más de un grupo carboxilo. En las proteínas, si el pH es básico o neutro, estos grupos se encuentran cargados negativamente.
Grupo IV: Aminoácidos polares básicos. Son aquellos aminoácidos que tienen otro u otros grupos aminos. En las proteínas, estos grupos amino, si el pH es ácido o neutro, están cargados positivamente.











































Enlace peptídico

           Los aminoácidos que se unen entre sí para formar proteínas se llaman proteinógenos (unos 20), y lo hacen estableciendo un enlace característico de tipo amida: el enlace peptídico. . Es un enlace covalente que se establece entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente, dando lugar al desprendimiento de una molécula de agua. El enlace peptídico se caracteriza por tener un comportamiento similar al de un enlace doble, es decir, presenta una cierta rigidez que inmoviliza en un plano los átomos que lo forman dejando sólo libertad de movimiento a las cadenas laterales y por crear polaridad entre el C = O (parcialmente negativo) y el N – H (parcialmente positivo).



Estructura de las proteínas

La estructura de las proteínas viene definida por cuatro niveles o conformaciones espaciales: primario, secundario, terciario y cuaternario.

  • La estructura primaria es la simple secuencia de aminoácidos de la proteína. Son los aminoácidos que componen la cadena polipeptídica y el orden en que se hallan. Las demás conformaciones de la proteína dependen de ésta, por lo que se llama dominio o rango estructural de la proteína.
  • La estructura secundaria es la disposición de la secuencia de aminoácidos en el espacio. Se debe a las interacciones débiles tipo puente de hidrógeno que se establecen entre el – C = O (más negativo) de un aminoácido y el – NH (parcialmente positivo) de otro aminoácido que forman el enlace peptídico. Adquieren una disposición espacial estable peculiar que puede ser de dos tipos principales: alfa-hélice y la conformación beta o de lámina plegada.

La estructura secundaria alfa se forma al enrollarse helicoidalmente sobre sí misma la estructura primaria debido a la formación de enlaces de hidrógeno entre el – C = O de un aminoácido y el -NH- del cuarto aminoácido que le sigue en la misma cadena. Ejemplo de proteína que tiene estructura alfa son las alfa-queratinas que en los vertebrados forma el pelo, piel, uñas, picos, etc.

           En la conformación beta los aminoácidos no forman una hélice sino una cadena en forma de zigzag, denominada disposición en lámina plegada por formar los enlaces débiles puente de hidrógeno con otra cadena que se coloca paralela o antiparalelamente. Esta conformación aparece en la fibroína de la seda.
  • La estructura terciaria informa sobre la disposición de la estructura secundaria de un polipéptido al plegarse sobre sí misma originando una conformación globular o fibrilar debido a las interacciones que se establecen entre las cadenas laterales de los aminoácidos. Estos enlaces pueden ser puentes de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas, enlaces iónicos y covalentes como el puente disulfuro (- S-S -). Además, hay que indicar que la estructura terciaria es la que da función biológica a la proteína debido a su conformación espacial (por ejemplo, el centro activo de los enzimas). En definitiva es la estructura primaria la que determina cuál será la secundaria y por tanto la terciaria y en último lugar su función biológica.
           Si las cadenas polipeptídicas de nivel secundaria mantienen más o menos su ordenamiento filamentoso sin modificaciones posteriores, la proteína adquiere una estructura filamentosa o fibrosa como las queratinas. Son proteínas duras y resistentes e insolubles en agua por lo que realizan funciones estructurales.

Con frecuencia la cadena secundaria se pliega en una conformación espacial esférica como un ovillo o globular. Para ello los grupos hidrófilos se sitúan hacia el exterior y los hidrófobos al interior. Esta conformación globular facilita la solubilidad en agua y así realizar funciones de transporte, catálisis enzimática, hormonales, etc.

  • La estructura cuaternaria se forma por la unión, mediante enlaces débiles (no covalentes) de varias cadenas polipeptídicas con estructura terciaria, para formar un complejo proteico. Cada una de estas cadenas polipeptídicas recibe el nombre de protómero. El número de protómeros varía desde dos como en la hexoquinasa, cuatro como en la hemoglobina, o muchos como la cápsida del virus de la poliomielitis, que consta de 60 unidades.


ENZIMAS

En los seres vivos se están desarrollando continuamente una serie de reacciones químicas (metabolismo) que necesitan de una determinada cantidad de energía que las active (energía de activación). Los biocatalizadores (de los más importantes son las enzimas) tienen como función disminuir la energía de activación de la reacción, lo que permite que ésta se dé a una gran velocidad y sin aumentar la temperatura. Además, los biocatalizadores no se alteran durante el proceso quedando libres para poder usarse de nuevo, actúan en muy pequeñas cantidades y de manera específica para el sustrato o el tipo de reacción que catalizan.

Todas las enzimas conocidas son proteínas terciarias globulares, solubles en agua y que pueden ser: holoproteínas cuando están constituidas solamente por aminoácidos (son poco frecuentes, pudiéndose citar como ejemplos la ribonucleasa y la lisozima) y heteroproteínas si están formados por dos componentes, uno de naturaleza proteica llamado apoenzima y otro no proteico. La parte no proteica recibe el nombre de cofactor que puede ser inorgánico como los iones metálicos (Co, Fe, Mn, Cu, etc.) u orgánico en cuyo caso se denomina coenzima. El conjunto de los dos componentes, apoenzima y coenzima, forma el enzima completo que se llama holoenzima. Tanto el apoenzima como el coenzima son inactivos por si mismos, han de estar unidos para que el enzima (holoenzima) sea activo.

La apoenzima sirve de soporte a la coenzima y está exclusivamente formado por secuencias de aminoácidos. Es el que determina la especificidad de la reacción enzimática. En la apoenzima se distinguen 4 tipos de aminoácidos según la función que desempeñen en la actividad enzimática: no esenciales (no contribuyen ni directa ni indirectamente en el proceso catalítico, por lo que pueden ser eliminados de la cadena polipeptídica sin que se pierda actividad enzimática), estructurales (son los que mantienen la estructura terciaria de la proteína enzimática), de unión o fijación (sujetan el apoenzima al sustrato), catalíticos (son los responsables directos de la actividad enzimática y forman el llamado “sitio catalítico”; junto con los de unión, forman el centro activo del enzima que es una oquedad tridimensional cuya forma depende de la estructura terciaria de la molécula proteica del apoenzima y que ocupa una pequeña parte de ésta).

Las coenzimas difieren del apoenzima en que es de bajo peso molecular y no es de naturaleza proteica aunque sí es orgánico. Es el responsable del tipo de reacción enzimática que realiza el enzima. Por esta circunstancia, el número de coenzimas no es muy elevado ya que pueden ser comunes a muchos enzimas uniéndose a diferentes apoenzimas, desempeñando todos ellos la misma acción enzimática y, sin embargo, siendo específicos para las distintas reacciones enzimáticas según el apoenzima al que están unidos.



LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

Los ácidos nucleicos son grandes biomoléculas orgánicas que contienen siempre C, H, O, N y P, estructuradas en unidades básicas llamadas nucleótidos. Existen dos tipos de ácidos nucleicos: el ADN (ácidos desoxirribonucleico) y ARN (ácido ribonucleico). Realizando las siguientes funciones biológicas:

- Almacenan la información genética. En todos los seres vivos lo hace el ADN y en los virus puede ser también ARN.
- Transmiten la información genética a las células hijas. Para ello el ADN se copia así mismo en un proceso llamado replicación o autoduplicación.
- Expresan la información genética. La información genética contenida en el ADN pasa a proteínas que expresan las características y regulan los procesos celulares. Para ello se produce la copia de la información genética (genes) contenida en el ADN en forma de ARN en un proceso llamado transcripción y más tarde se da la traducción o síntesis de las proteínas en los ribosomas con la participación de todos los tipos de ARN.







Nucleótidos

Son pequeñas moléculas orgánicas que se unen mediante enlaces di-éster-fosfórico formando enormes cadenas que constituyen los ácidos nucleicos. Un nucleótido contiene tres componentes: un monosacárido del tipo pentosa (ribosa -ARN- y desoxirribosa -ADN-), un ácido fosfórico, y unabase nitrogenada(adenina, citosina, guanina, timina -ADN- y uracilo -ARN-).

Se forman por la uniónPara crear un nucleótido la base se une mediante un enlace N-glucosídico al carbono 1 de la pentosa, formando un nucleósido. A éste se le une el grupo fosfato por un enlace éster-fosfórico entre el grupo hidroxilo del carbono 5 de la pentosa y el grupo fosfato, por lo que a los nucleótidos se les denomina ésteres fosfóricos de los nucleósidos. La adición del este grupo le confiere a los nucleótidos un carácter fuertemente ácido.


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El enlace fosfodiésterEditar

           Tanto el ADN como el ARN están formados por una secuencia de polinucleótidos de estructura y dimensión determinadas unidos entre sí por enlaces fosfodiéster. Estos enlaces se establecen entre un –OH del radical fosfato que se halla unido al carbono 5 de un nucelótido y el radical hidroxilo (-OH) del carbono 3 del siguiente nucleótido, enlaces fosfodiéster 5-3. Por este motivo las cadenas de los ácidos nucleicos tienen dos extremos terminales libres el 5 del grupo fosfato y el 3 del grupo hidroxilo de la pentosa.
















El ADN (DNA)

La estructura espacial del ADN fue propuesta por Watson y Crick en 1953 (ver publicación) según el modelo de la doble hélice:

El ADN sigue una estructura espacial de doble hélice (diámetro 20 Å) formada por dos cadenas de desoxirribopolinucleótidos enrolladas alrededor de un eje imaginario, con las bases hacia el interior, como una escalera de caracol en la que los peldaños serían las bases y el pasamano las cadenas formadas por el azúcar y el ácido fosfórico.

El enrollamiento es dextrógiro (derecha) y plectonémico (para separar las cadenas es necesario desenrollarlas).

Cada vuelta de la hélice la forman 10 pares de nucleótidos y tiene una longitud de 34 Å.

           Las dos cadenas de nucleótidos son antiparalelas, es decir los enlaces fosfodiéster están orientados en sentido opuesto y son complementarios, lo que quiere decir que existe una correspondencia entre las bas es nitrogenadas. La complementariedad es necesaria porque las dos cadenas de nucleótidos se mantienen unidas por enlaces puente de hidrógeno que se forman entre las bases complementarias: adenina crea dos con la timina y guanina tres con citosina.
           Este modelo presenta al ADN como una larga molécula lineal en forma de doble hélice que alcanza una longitud de 2,36 m. Como es lógico el ADN tiene que adoptar otro nivel estructural superior de empaquetamiento que le permita ubicarse dentro de la célula. Esto lo consigue enrollándose a una serie de proteínas llamadas histonas para formar la cromatina del núcleo. En un primer nivel forma el collar de perlas que se vuelve a plegar para formar el solenoide que, por último, se recoge para dar el cromosoma.

Aunque la mayor parte del ADN se halla en el núcleo de las células eucariotas también hay en las mitocondrias y cloroplastos que se encargan de producir las proteínas que necesitan estos orgánulos para realizar sus funciones metabólicas importantes.

En las células procariotas el ADN es circular, es decir con los extremos cerrados, formando el cromosomas bacteriano que es único. Pueden existir copias de él y reciben el nombre de plásmidos.

Por último, algunos virus tienen una sola molécula de ADN que puede ser mono o bicatenaria lineal o circular.
















































ARN (RNA)

Es un polinucleótido monocatenario (excepto en algunos virus) de ribosa, que se dispone en estructura primaria, aunque a veces en los ribosomas forma estructura secundaria de doble hélice formando plegamientos con la misma cadena. Su función es traducir la información genética de los genes (DNA) a proteínas, a través del código genético. Para ello presenta tres tipos básicos de moléculas:

  • ARN transferente

Tiene como función transportar los aminoácidos hasta los ribosomas para que se unan y originar proteínas. Está formado por un número de bajo (70-90) de nucleótidos, si la molécula se dispone en un plano presenta la característica forma de hoja de trébol por la presencia de tres brazos que acaban en bucle. En el brazo A se halla al bucle del anticodón que es específico para cada ARNt en función del aminoácido que lleva, así mismo es complementario al codón o triplete del ARNm. El brazo T (lleva timina) es el bucle por donde se fija al ribosoma. Por su lado el brazo D porta el bucle por donde se une el enzima que cataliza la unión de los aminoácidos. El extremo 3 de la cadena siempre tiene la secuencia C-C-A que es donde se fija el aminoácido que será transportado al ribosoma.

  • ARN mensajero

Es el 2-5% del total del ARN. Su estructura es una cadena lineal de unos pocos miles de nucleótidos. Se forma en la transcripción como copia de la información genética a contenida en el ADN. Contiene los codonesdel código genético que son tripletes de bases que expresan cada uno un aminoácido concreto según vienen reglado en el código genético. Se irá leyendo en los ribosomas capturando consecutivamente los aminoácidos que ha transportado el RNAt, y disponiéndolos exactamente al reconocerse el codón del RNAm por el anticodón complementario del RNAt. En los organismos eucariotas es monocistrónico, es decir lleva la información genética para sintetizar una sola proteína; mientras que procariotas es policistrónico o lo que es lo mismo lleva información para la creación de varias proteínas. La vida del ARNm es muy corta porque es eliminado en pocos minutos por las ribonucleasas para evitar que se traduzca de forma continua.

  • ARN ribosómico

Constituye hasta el 80% del total. Son largas cadenas que en algunas regiones presenta complementariedad de bases y forma una estructura en doble hélice pero en la misma cadena. Su función es estructural ya que se asocia con más de 70 proteínas para constituir la estructura de los ribosomas que es el único lugar de la célula en donde se pueden sintetizar las proteínas.

Hay que indicar que existe un ARNn (nucleolar) que se halla asociado a varias proteínas formando el nucléolo. Se forma a partir de segmentos de ADN (organizadores nucleolares) y cuando maduran se fragmentan, salen al citoplasma para constituir los distintos tipos de ARNr.










UNIDAD VI: ORGANIZACIÓN Y FISIOLOGÍA CELULAR



Teoría celular



Se puede resumir en tres principios:

- Todos los organismos vivos están constituidos por una o varias células; la célula es, por tanto, la unidad estructural de todos los organismos. Quiere decir que todos los organismos están formados por células: una sola en los organismos unicelulares y muchas (miles ó millones) en los pluricelulares. De acuerdo con este principio los virus, al carecer de estructura celular, no serían organismos.
- Las células son las unidades funcionales de los organismos, pues sus funciones depende de ellas.
- Toda célula proviene de otra célula ya existente; la célula es, por tanto, la unidad genética de los seres vivos. Todos los organismos al reproducirse se originan a partir de una célula (los virus quedarían nuevamente excluidos como organismos vivos.
- Estos tres principios se pueden resumir en uno sólo: la célula es la unidad vital de la materia viva. Quiere indicar que la célula es la estructura organizada más sencilla con propiedades y funciones vitales.

La célula también presenta un aspecto dinámico que sería todo el conjunto de funciones que la célula realiza para perpetuarse y poder mantener esa unidad. Puesto que las células son las unidades vitales de los seres vivos, no es de extrañar que este conjunto de funciones que realizan sean, al mismo tiempo, las características de todo ser viviente:

- Funciones de relación: en las células se manifiesta por su capacidad de percibir los estímulos que reciben y reaccionar frente a ellos. De esta manera ponen de manifiesto una excitabilidad o sensibilidad.
- Funciones de nutrición: tienen como misión proporcionar alimento para transformarlo en su interior convirtiéndolo en sustancia propia que luego será desintegrada para liberar la energía que se necesita para vivir, expulsando los residuos que quedan después de esta transformación.
- Funciones de reproducción: la reproducción celular se reduce siempre a una división mediante la cual la célula se parte en dos o más trozos, cada uno de los cuales aumenta de tamaño hasta alcanzar el propio de la que le ha dado origen. Durante la división celular desaparece como individuo la célula que se divide, llamada célula madre, y en su lugar aparecen dos o más células hijas.

NIVEL ACELULAR



VIRUS

Los virus son organismos acelulares (carecen de organización celular) muy sencillos constituidos por un ácido nucleico ADN o ARN mono o bicatenario como portador de la información genética, una cápsida proteica y, en ocasiones una envoltura membranosa. Carecen de metabolismo propio, ya que no poseen enzimas para realizarlo. Por este motivo algunos autores no los consideran organismos vivos (no presentan nutrición ni relación). Para su reproducción requieren materia, energía y el sistema enzimático de otro ser vivo. Son por tanto parásitos intracelulares obligados. Cuando el virus se encuentra en estado extracelular se denomina también virión. En este estado se comporta como una sustancia química, ya que puede incluso cristalizar.

La composición de un virus se refiere a su estado extracelular, conocido como partícula viral o virión, ya que en su estado intracelular su ácido nucleico se integra en la célula hospedadora y el virus desaparece temporalmente. Un virión está compuesto de ácido nucleico, enzimas, cápsida y en algunos casos envolturas membranosas externas.

El ácido nucleico, que representa solo el 1-2% del total del virión, es de un solo tipo, ADN o ARN, pudiendo ambos ser monocatenarios o bicatenarios, según estén formados por una o dos cadenas. Lo más frecuente es que forme una sola cadena, que puede estar abierta o cerrada (circular), pero también hay ácidos nucleicos fragmentados. Las enzimas que contiene el virión son escasas. Le sirven para entrar o salir de la célula parasitada (lisozima y neuraminidasa) o para replicar o transcribir su ácido nucleico (polimerasas y transcriptasas).

La cápsida es la cubierta proteica que protege al ácido nucleico. Es una estructura simétrica formada por la repetición de una reducida variedad de proteínas globulares conocidas como capsómeros.

Según la simetría de su cápsida los virus pueden ser helicoidales (como el virus del mosaico del tabaco, sus capsómeros, dispuestos helicoidalmente, forman una especie de cilindro, en cuyo interior se aloja el ácido nucleico), poliédricos (siendo los mas simples los icosaédricos con 20 caras formadas por triángulos equiláteros, cada uno de ellos formados por mas de un tipo de capsómero, por ejemplo el virus de las verrugas o el de la polio) y complejos (resultado de combinar las estructuras anteriores, por ejemplo, los bacteriófagos que parasitan bacterias y constan de una cabeza icosaédrica con el ácido nucleico, una cola helicoidal que por medio de un cuello se une a una placa basal con espinas basales y fibras caudales por las que se fija a la bacteria). En los virus con envueltas la nucleocápsida (ácido nucleico más cápsida) está cubierta por una membrana, que es un fragmento de la célula en la que se reprodujo el virus, de la que pueden sobresalir proteínas o espículas. Los virus desnudos carecen de estas membranas. La cápsida compleja aparece en algunos virus especializados en parasitar bacteria, por lo que reciben el nombre de bacteriófagos o fagos (como el fago landa). Este tipo de cápsida tiene dos partes: la cabeza, que contiene el ácido nucleico, y la cola, adaptada para la inyección del ácido nucleico en el interior de la bacteria. Otros virus tienen envoltura, como los que producen la rabia, la gripe y la viruela. Poseen una envoltura de tipo membranosos alrededor de la cápsida. En ella aparecen proteínas destinadas a reconocer la célula huésped e inducir la penetración del virión mediante fagocitosis.
































CICLO VITAL DE UN VIRUS

El ciclo vital de un virus requiere una célula huésped de donde obtener materia y energía para sintetizar nuevos ácidos nucleicos y capsómeros. El virión penetra en el interior de una célula y utiliza la maquinaria replicativa de ésta para generar nuevas partículas víricas. Este proceso recibe el nombre de ciclo lítico. Algunos virus, sin embargo, penetran en las células hospedadoras y permanecen en ellas si producir nuevas partículas víricas completas, estos virus siguen un ciclo lisogénico. En ambos casos sigue las siguientes etapas:

1º. Adsorción, o fijación a la célula hospedadora: estas células poseen receptores específicos para los virus que las infectan. Por ello los virus tienen especificidad de huésped, solo son capaces de atacar a un tipo de células, incluso, dentro del mismo huésped.
2º. Penetración: al menos del ácido nucleico, en el citoplasma de la célula parasitada. Puede ser por inyección, endocitosis o fusión directa de la cubierta vírica con la membrana celular.
3º. Eclipse, pues no se observan virus en el interior de la célula. A partir de este momento puede seguir dos ciclos diferentes: lítico o lisogénico.

Ciclo lítico

El ácido nucleico vírico se apodera del metabolismo celular, dirigiéndolo hacia la fabricación de los componentes víricos, copias de ácidos nucleicos víricos y tras transcribir el mensaje de su genoma a ARNm, proteínas de las cápsidas. Estos componentes se acumulan en distintas partes de la célula infectada. Utiliza para ello los nucleótidos y la ARN-polimerasa del huésped. Dirige la síntesis de gran cantidad de ARNm, que inmediatamente sintetiza enzimas que destruyen el ADN celular e impide el normal funcionamiento de la célula. Posteriormente se duplica el ácido nucleico vírico y se sintetizan capsómeros. Estos capsómeros se reúnen formando la cápsida, mientras que el ácido nucleico vírico se pliega y penetra en la misma, produciéndose la cuarta etapa del ciclo.

4. Ensamblaje, cuando hay suficiente cantidad de estas moléculas, se pliega el ácido nucleico y se introduce dentro de la cápsida, apareciendo grandes cantidades de viriones.
5. Liberación, salen de la célula los virones por diferentes procedimientos, siendo el más frecuente la lisis o desintegración de la célula infectada.

El ciclo lítico tiene como efecto la muerte de la célula. Los viriones liberados atacaran cada vez a un número mayor de células, con el consiguiente deterioro del órgano o tejido afectado. Ante la infección vírica las células se defienden produciendo y liberando unas sustancias conocidas como interferones, que tras unirse a la membrana de células sanas, las protegen de la infección por nuevos virus. Los interferones también potencian las respuestas inflamatorias e inmunes.

Exiten un tipo de virus, llamados retrovirus que tienen ARN y se multiplican sobre células eucariotas. Contienen transcriptasa inversa. Este enzima actúa por un mecanismo inverso a la transcripción normal, pues usando como molde al ARN viral genera ADN bicatenario, el cual se puede integrar temporalmente en el genoma de la célula hospedadora (provirus). Un ejemplo de este tipo de virus es el del síndrome de la inmunodeficiencia humana adquirida (SIDA. Éste ataca a los linfocitos T4.

Ciclo lisogénico

Algunos virus, al infectar, una célula huésped, no la destruyen, sino que el ácido nucleico vírico pasa a incorporarse al ADN celular o queda libre formando un plásmido. A estos virus se les llama virus atenuados o profagos, y a la célula receptora, célula lisogénica. El ADN vírico o profago puede permanecer en forma latente varias generaciones, hasta que un estímulo induzca la separación del profago, que iniciará un ciclo lítico típico. Mientras la célula posea al profago, será inmune frente a infecciones de virus de la misma especie. La lisogenia puede contribuir a la formación de nuevas especies en bacterias porque al dividirse ésta el nuevo genoma introducido también pasa a las nuevas bacterias hijas.

Por último, hay que indicar que algunos de estos virus lisogénicos son oncogénicos, es decir causan tumores, como cánceres de hígado, de piel, y modalidades de linfomas y de leucemias, pues inducen a la célula infecta a dividirse sin control.







Enfermedades producidas por virus

Gripe

Enfermedad infecto-contagiosa aguda del tracto respiratorio que afecta de manera especial a la tráquea. Un episodio de gripe no complicada cursa con un cuadro que incluye tos seca, dolor de garganta, taponamiento y secreción nasal abundante e irritación ocular. En los casos más complejos se añaden escalofríos, fiebre de rápida instauración, cefalea, dolores musculares y articulares y, en ocasiones, síntomas digestivos. En el primer caso los síntomas y la fiebre remiten paulatinamente en el transcurso de pocos días. Sin embargo, cuando el proceso se acompaña o va seguido de una neumonía viral o bacteriana, la mortalidad aumenta.

Sarampión

Enfermedad infecto-contagiosa aguda y febril producida por un virus filtrable que se distingue del virus responsable de la rubéola, una enfermedad menos grave que también produce lesiones cutáneas. El sarampión se caracteriza por la aparición de pequeñas manchas rojas en la superficie de la piel, irritación ocular (sobre todo ante el estímulo luminoso), tos y rinorrea (secreción nasal abundante). A los doce días del contagio, aparecen fiebre, estornudos y rinorrea. Después aparece la tos y la inflamación de los ganglios del cuello. A los cuatro días empiezan a aparecer manchas cutáneas, primero en el cuello y la cara y después en el tronco y las extremidades. En dos o tres días el exantema (o erupción cutánea) va remitiendo, así como la fiebre. Puede haber descamación de la piel afectada por el exantema. También es posible la infección del oído medio.



Célula procariótica y eucariota



La célula como aparece en la actualidad es el resultado de un proceso de diferenciación que, a través de la evolución, ha conducido a una organización que ha ido adquiriendo complejidad. No obstante, todos los tipos de células presentan básicamente las siguientes características comunes:

- Mismo tipo de material genético (DNA y ARN) y expresión del mismo (código genético).

- Misma molécula energética el ATP.

- Misma envoltura celular la membrana citoplasmática.

- Reacciones bioquímicas catalizadas por enzimas.

Según el grado de diferenciación estructural alcanzado, se han establecido dos niveles de organización celular:

- Célula procariótica: se caracteriza por su gran simplificación pues en ella faltan muchas de las estructuras que poseen las otras células. El material hereditario se encuentra disperso en el citoplasma, no tienen por tanto núcleo. Este tipo de organización sólo lo presentan las Móneras (bacterias y algas cianofíceas).
- Célula eucariótica: es la propia de las células típicas animales y vegetales. Poseen todas las estructuras como consecuencia de su gran diferenciación. La característica fundamental es que el material hereditario está encerrado en una membrana constituyendo un auténtico núcleo. Pertenecen a este tipo de organización las células que forman los organismos pluricelulares y la mayoría de los unicelulares. La célula eucariótica se caracteriza por:
·Manifiesta un alto grado de complejidad y de organización.
·El núcleo está separado del citoplasma mediante la membrana nuclear y contiene ADN en forma de cromatina (asociado a proteínas del tipo de las histonas) con el fin de permitir un mejor empaquetamiento.
·El citoplasma contiene numerosos orgánulos y sistemas de membranas como las mitocondrias, cloroplastos, retículo endoplasmático, etc. que establecen una red de compartimentos celulares interrelacionados que se reparten el trabajo metabólico, lo que permite una mayor especialización y más eficacia en el desempeño de sus funciones.
· En las células eucariotas se pueden establecer dos organizaciones la autótrofa o vegetal y la heterótrofa o animal. Sus características distintivas son:
· Las células eucarióticas animales poseen unos orgánulos llamados centríolos de los que carecen las vegetales.
· Salvo los centríolos, las células eucarióticas vegetales contienen los mismos orgánulos que las animales, con la diferencia de que poseen una gruesa pared celulósica y tienen gran número de plastos y vacuolas de gran tamaño.
Componentes de la célula procariótica

Cápsula bacteriana

Es una capa gelatinosa de 100-400 de grosor, sin estructura definida. Es rica en glúcidos de gran tamaño, generalmente polímeros de celulosa. Tiene varias funciones: la regulación de los procesos de intercambio de agua, iones y sustancias nutritivas, así como su almacenamiento para paliar momentos de desecación del medio; la defensa frente a anticuerpos, bacteriófagos y células fagocitarias y, por último, como elemento de fijación al sustrato y a otras bacterias.

Pared bacteriana

Es una envoltura rígida y fuerte de 50-100 que da forma y protección a las células bacterianas frente a las variaciones de la presión osmótica. Esta compuesta por la unión de moléculas de peptidoglucanos que forman la mureina, que constituye un entramado rígido externo. Según la composición y estructura de la pared las bacterias se dividen en Gram positivas que tienen paredes anchas, con numerosas capas de mureina y Gram negativas que son más delgadas y complejas, biestratificadas, con una capa de mureina interna y una doble capa lipídica externa a modo de membrana. Algunos antibióticos actúan sobre las moléculas de la pared; por ejemplo, la lisozima rompe los enlaces glucosídicos de los peptidoglucanos, lo que provoca la lisis y destrucción de la bacteria.; la penicilina inhibe la síntesis de los peptidoglucanos y por ello interrumpe el crecimiento bacteriano. La bacteria sin pared queda en un estado inerme, se conoce como protoplasto.

Membrana plasmática

Es una envoltura que rodea al citoplasma bacteriano. Es similar a la de las células eucariotas con variaciones en su composición pues, por ejemplo, no tiene colesterol y también posee una serie de repliegues internos que reciben el nombre de mesosomas. En ellos están adosados los complejos enzimáticos que realizan funciones vitales como la respiración celular, la duplicación del ADN, la trascripción, la fotosíntesis y fijación del nitrógeno, etc. Sus funciones son limitar el citoplasma bacteriano, regular el paso de sustancias y realizar importantes procesos metabólicos de la bacteria en sustitución de los orgánulos membranosos que no tiene (mitocondria, núcleo, cloroplasto, etc.).

Citosol

Es semejante a cualquier célula, con las singularidades propias de las células procariotas: carencia de estructuras membranosas, presencia de ribosomas (70s) iguales que los eucariotas pero más pequeños, inclusiones de diversa naturaleza química (sustancias de reserva o residuos de su metabolismo), vesículas gaseosas para controlar su flotabilidad, en las bacterias acuáticas y un único cromosoma bacteriano que es una única molécula de ADN circular de doble cadena, enrollada y asociada con pocas proteínas, no histónicas, localizado en una zona menos densa llamada nucleoide. También puede haber una o varias moléculas de ADN libres, conocidas como plásmidos, que pueden unirse temporalmente al cromosoma bacteriano, en ese caso se llaman episomas.

Estructuras de la superficie (flagelos y fimbrias)

Los flagelos, más sencillos que los eucariotas, carecen de membrana y están formados por una proteína fibrilar la flagelina, trenzada helicoidalmente como una soga, que se ancla mediante discos a la membrana, teniendo movimiento rotatorio. Su presencia, número y distribución es un rasgo identificativo de las especies bacterianas.
Las Fimbrias y pelos (pili) son proteínas huecas más finas que los flagelos, utilizados para unirse al sustrato o para la conjugación, (transmisión de genes entre bacterias). Las fimbrias suelen ser cortas, finas y numerosas y tienen función adhesiva. Los pelos, en cambio, son de mayor longitud, más escasos y están implicados en la unión de dos células durante la conjugación bacteriana.
































Componentes de la célula eucariótica

Membranas celulares

La membrana plasmática es una delgada lámina que envuelve completamente a la célula y la separa del medio externo. Vista al microscopio electrónico se observan dos bandas oscuras con una banda clara entre ellas. Está constituida por una doble capa de lípidos a la que se adosan moléculas proteicas que pueden situarse en ambas caras de la superficie o ser transmembranales. Las moléculas lipídicas se orientan de forma que sus radicales polares se sitúan hacia el exterior, y los lipófilos hacia el interior.

Exteriormente a la membrana las células animales presentan un glucocálix compuesto por las glucoproteínas y glucolípidos. Además de llevar a cabo una función protectora es importante en los procesos de reconocimiento e interacción entre las células de los tejidos.

La membrana actúa como una estructura dinámica, en la que las moléculas que la componen se desplazan en todas direcciones e incluso pueden cambiar de capa lipídica.

Estas ideas están recogidas en el modelo que hoy día se acepta y que fue propuesto por Singer y Nicholson en 1972 y se denomina modelo del mosaico fluido. Este modelo sostiene que los lípidos y las proteínas integrales que forman la membrana constituyen un mosaico molecular, que los lípidos y las proteínas pueden desplazarse en el plano de la bicapa lipídica por lo las membranas son fluidas y, por último que las membranas son asimétricas en cuanto a la disposición de sus componentes moleculares.

La membrana plasmática es la frontera física entre el medio interior de la célula y extracelular. Sin embargo, ésta no es su única función, pues también asegura el intercambio de sustancias y de información.

Las membranas también poseen estructuras destinadas a captar los estímulos procedentes del medio. Son los receptores de señales (localizados en la superficie externa de la membrana plasmática), que se pueden considerar como los «sentidos» de la célula que en las animales lo realiza el glucocálix y mecanismos de transducción de señales (localizados en la cara interna de la membrana plasmática), cuya función es transmitir información a la propia membrana, al citosol o al núcleo, con el fin de elaborar las respuestas más adecuadas en relación con los estímulos de que se trate.

Pared de la célula eucariota vegetal

La pared celular se encuentra adosada a la membrana plasmática de las células vegetales. La rigidez y el grosor de esta pared celular permiten a los vegetales prescindir de un esqueleto. Estudiando su estructura se observan dos componentes claramente diferenciados: las fibras de celulosa, visibles simplemente con lupa, y el cemento que une las fibras, formado por pectinas, hemicelulosa, agua y sales minerales.

Aunque la composición de la pared varía mucho de una célula a otra, el principio arquitectónico en el que se basa es constante: fibras largas y resistentes unidas por una matriz de proteína y polisacáridos. La organización de estos componentes para formar la pared se comprende mejor siguiendo la evolución de una célula que acaba de dividirse dando origen a dos células hijas que, como ocurre en los vegetales, se mantienen unidas.

La primera capa que se forma a partir de la membrana plasmática es la lámina media, común a las dos células y compuesta principalmente por pectinas. Entre la lámina media y la membrana plasmática se depositan hasta 3 capas dando lugar a la pared primaria. En ella las fibras de celulosa se disponen en forma de red con abundante cemento. Cuando la célula deja de crecer, puede conservar sólo la pared primaria, engrosándola a veces, o depositar nuevas capas de distintos compuestos originando la pared secundaria. Esta normalmente consiste en 3 capas pero, en ocasiones, llegan a ser 20. En ellas predomina la celulosa sobre el cemento. Las fibras de celulosa están dispuestas y ordenadas paralelamente lo que confiere gran resistencia a la pared, aunque la célula pierde la capacidad de estirarse.

Citosol

El citosol es la fracción soluble del citoplasma (asimilable al hialoplasma). Está formado por una masa gelatinosa que ocupa todo el espacio desde el citoplasma externo hasta los orgánulos celulares. Constituye el verdadero jugo celular aunque no se trata de una simple disolución dispersa al azar pues posee una compleja organización constituida por complejos equipos multienzimáticos y una red interna de proteínas fibrilares denominada citoesqueleto.

Citoesqueleto

El citosol también posee una compleja organización interna formada por redes de microfilamentos y microtúbulos denominada citoesqueleto. Este término no se refiere a una estructura rígida, ni a un armazón articulado como otros esqueletos, sino que se trata de una matriz organizada que cambia de aspecto con gran rapidez y proporciona a la célula, además de consistencia morfológica, una disposición ordenada y dinámica del citoplasma. Este citoesqueleto dinámico es responsable de la forma, el desplazamiento y la división de la célula, así como del transporte de vesículas y sustancias de una parte a otra del citoplasma. Incluso es posible que aporte un marco tridimensional adecuado para la concentración en diferentes zonas del citosol de los enzimas responsables de una determinada ruta metabólica; de esta manera se consigue una mayor compartimentación celular.

Centrosoma

El centrosoma, citocentro o centro celular es un orgánulo no membranoso exclusivo de las células animales y es considerado como un centro organizador de microtúbulos. Está constituido por el diplosoma, estructura formada por dos centríolos dispuestos perpendicularmente. El diplosoma se encuentra inmerso en el interior de un material denso ópticamente y que se denomina centrosfera. En la centrosfera se organizan y parten radialmente una serie de microtúbulos que constituyen el áster. Cada centríolo, consta de nueve grupos de tres microtúbulos que se disponen formando un cilindro gracias a proteínas que unen a los tripletes entre sí. Del centrosoma van a derivar todas las estructuras constituidas por microtúbulos, como el huso acromático (encargado de la separación de los cromosomas durante la división celular), los cilios (son prolongaciones citoplasmáticas dotadas de movimiento que permiten el desplazamiento de la célula o la de crear turbulencias alrededor de ella) y los flagelos (que tienen una estructura y función idénticas a las de los cilio variando en sus dimensiones y en que el número de flagelos es escaso, normalmente uno).

Cilios y flagelos

Son prolongaciones móviles localizadas en la superficie de muchas células que permiten a éstas desplazar el medio que les rodea.

Los cilios tienen un diámetro de 0,2 μ y una longitud entre 2 y 10 μ, aparecen en gran número sobre la misma célula. Los flagelos, de diámetro semejante, alcanzan hasta 200 μ de longitud. Las células flageladas sólo poseen uno o, a lo sumo, unos pocos. La estructura interna de cilios y flagelos es muy similar. Poseen en su interior una estructura formada por un haz de microtúbulos orientados según el eje principal del cilio. A esta estructura se le denomina tallo, axonema o esqueleto axial y es continuación de otra, anclada en el hialoplasma, llamada corpúsculo basal que es un centríolo de 0,2 a 0,5 μ de longitud, colocado en la base del cilio, sin el par de microtúbulos centrales. El esqueleto axial está rodeado de la membrana plasmática y tiene en su interior dos microtúbulos centrales procedentes del corpúsculo basal que están rodeados de una delgada vaina y en la periferia hay 9 pares de microtúbulos, de cada par uno es completo (a) y el otro no (b). Del microtúbulo (a) salen dos brazos formados por una proteína, la dineína, que se dirigen hacia el microtúbulo (b) de la pareja vecina. Otras fibras proteicas unen cada par de microtúbulos entre sí y con la vaina central.

La función más importante de cilios y flagelos es mover el líquido que rodea la célula. Si la célula vive aislada, este movimiento la propulsa a través del medio. Cilios y flagelos se mueven de forma distinta: los primeros tienen movimiento pendular y los flagelos ondulantes. La causa del movimiento es el deslizamiento de unos dobletes periféricos respecto a otros. Como los dobletes están anclados en el corpúsculo basal, el deslizamiento provoca la flexión del cilio o del flagelo.

Ribosomas

Son orgánulos globulares constituidos por proteínas asociadas a ácidos ribonucleicos (ARNr). Se hallan dispersos por el citosol o fijos a la membrana del ergastoplasma (retículo endoplasmático rugoso). Se encuentran divididos en dos subunidades, que se disocian reversiblemente después de cada ciclo de síntesis de proteínas. Todas las células sean procariotas o eucariotas, poseen ribosomas, los procariotas son más pequeños que los eucariotas. Su función es ser el único lugar de la célula en donde se pueden sintetizar proteínas. Las moléculas de ARNm son, generalmente, leídas por una serie de 5 a 40 ribosomas que actúan al unísono. El conjunto recibe el nombre de polirribosomas o polisomas.

Sistema endomembranoso: retículos y Golgi

Cualquier célula eucariótica tiene un sistema interno de membranas, formado por el retículo endoplasmático (liso y rugoso) y el complejo de Golgi.

El retículo endoplasmático es un sistema membranoso compuesto por sáculos aplastados, túbulos y cisternas que se extienden por todo el citoplasma y que se halla en comunicación con la membrana nuclear externa. En el retículo endoplasmático se diferencian dos regiones: el ergastoplasma o retículo endoplasmático rugoso, que posee ribosomas en su cara externa, y el retículo endoplasmático liso, que carece de ribosomas.

El R. E. rugoso tiene una membrana que posee proteínas encargadas de fijar los ribosomas y otras que actúan como canales de penetración de las proteínas sintetizadas por el ribosoma. La función del R. E. rugoso es la síntesis de proteínas mediante los ribosomas de su membrana. Al mismo tiempo que se sintetizan pueden quedarse en la membrana como proteínas transmembranales o pasar al espacio interno o lumen para ser exportadas a otros destinos, incluido el exterior celular. Este transporte se realiza en el interior de vesículas que se producen por gemación en la membrana del R. E. rugoso. La mayor parte de las proteínas sintetizadas y almacenadas en el R. E. R., antes de ser transportadas a otros orgánulos (aparato de Golgi, lisosomas), a la membrana citoplasmática o al exterior celular, deben ser glucosiladas para convertirse en glucoproteínas. Este proceso se realiza en el lumen (espacio interno) del retículo.

Al contrario, el R. E. liso tiene en la membrana enzimas cuya función es la de sintetizar lípidos. Tiene como funciones sintetizar casi todos los lípidos de membrana, fosfolípidos y el colesterol. Estos lípidos se difunden hacia la cara interna y se transportan a orgánulos mediante proteínas de transferencia o por vesículas producidas por gemación. Otra importante función del R. E. liso es la desintoxicar. En su membrana existen enzimas capaces de eliminar la toxicidad de aquellas sustancias que resultan perjudiciales para la célula, ya sean producidas por ella misma como consecuencia de su actividad vital o provengan del medio externo. La pérdida de toxicidad se consigue transformando estas sustancias en otras solubles que puedan abandonar la célula y ser secretadas por la orina. Esta función la realizan principalmente las células de los riñones, los pulmones, el intestino y la piel.

El complejo de Golgi (Camilo Golgi, 1898) está formado por un apilamiento de sacos de forma discoidal (cisternas) también denominado dictiosoma, rodeados por un enjambre de pequeñas vesículas. Está situado cerca del núcleo de la célula y en las células animales suele rodear a los centríolos. Cada Golgi mide alrededor de 1 micra de diámetro y agrupa unas 6 cisternas, aunque en los eucariotas inferiores su número puede llegar a 30. Las células eucarióticas poseen un Golgi más o menos desarrollado según la función que desempeñen. En cada caso el número de dictiosomas varía desde unos pocos hasta cientos de ellos. El Golgi está polarizado en cuanto a su estructura ya que presenta dos caras distintas: la cara cis, o de formación, y la cara trans, o de maduración. La cara cis se localiza cerca de las membranas del R. E. Sus membranas son finas y su composición es similar a la de las membranas del R. E. Alrededor de ella se sitúan las vesículas de Golgi o de transición que derivan del R. E. La cara trans suele estar cerca de la membrana plasmática y sus membranas son más gruesas y se asemejan a la membrana plasmática. En esta cara se localizan unas vesículas más grandes, las vesículas secretoras.

La principal función que realiza el Golgi es dirigir la circulación de macromoléculas en la célula decidiendo el destino de las muchas moléculas que pasan a través de él y la fabricación de vesículas como los lisosomas y vacuolas. También interviene en la secreción de productos al exterior de la célula; así, si se trata de proteína, por ejemplo, éstas se sintetizan en los ribosomas del R. E. R. de donde pasan a las cavidades internas del retículo. Después se incorporan a la cara cis del Golgi por medio de vesículas de transición que se originan por gemación de las membranas del R. E. Por el Golgi van emigrando hacia la cara trans desde donde pasan a las vesículas de secreción, también formadas por gemación o fragmentación de las cisternas del Golgi. Por último, las vesículas de secreción se adosan a la membrana plasmática y descargan su contenido por exocitosis.

Lisosomas

Son vesículas rodeadas por una membrana en cuyo interior tiene lugar la digestión controlada de macromoléculas. Se encuentran en todas las células eucarióticas. Contiene al menos 40 enzimas del tipo hidrolasas ácidas. Estos enzimas son capaces de romper las macromoléculas y su funcionamiento es óptimo a pH ácido. La membrana del lisosoma impide que sea digerido ‚l mismo por estos enzimas y, además, es la que se encarga de mantener en el interior un pH ácido. El enzima más característico de los lisosomas es la fosfatasa ácida, que hidroliza los enlaces éster fosfórico y libera grupos fosfato. Aunque todos los lisosomas contienen enzimas hidrolíticos, el resto de su contenido puede ser muy distinto. Debido a ello se distinguen dos tipos: lisosomas primarios (sólo contienen enzimas hidrolíticos; se trata de vesículas de secreción, recién formadas por gemación a partir del aparato de Golgi) y lisosomas secundarios (contienen, además de las hidrolasas, sustratos en vía de digestión, se trata, por tanto, de lisosomas primarios que se han fusionado con otras sustancias).

Los lisosomas pueden realizar la digestión celular de dos formas distintas: digestión extracelular, se produce cuando los lisosomas vierten su contenido al exterior de la célula, donde tiene lugar la digestión; y la digestión intracelular que se produce cuando el lisosoma permanece en el interior de la célula, pero según de dónde provenga el sustrato puede ser autofagia, cuando el sustrato es un constituyente celular como porciones del Golgi, retículo, etc. desempeñando un importante papel en la vida de las células, ya que destruye zonas dañadas o innecesarias de las mismas; o heterofagia, cuando el sustrato es de origen externo. Su finalidad es doble, nutrir y defender a la célula. Los sustratos son capturados por endocitosis y se forma una vesícula que se fusiona a un lisosoma primario dando origen a una vacuola digestiva o heterofágica. En su interior se produce la digestión de los sustratos pasando los productos de la digestión al hialoplasma donde son utilizados. Los desechos no digeribles son expulsados al exterior de la célula por exocitosis.

Por último indicar que en las semillas existe un tipo especial de lisosomas, los granos de aleurona, que almacenan sustancias de reserva. En ellos no tiene lugar la digestión celular hasta que no llegue el momento de la germinación de la semilla.

Peroxisomas y glioxisomas

Los peroxisomas son unos orgánulos muy parecidos a los lisosomas, pero en vez de hidrolasas ácidas contienen enzimas oxidativos, entre ellos el más abundante es la catalasa o peroxidasa, enzima que utiliza peróxido de H (agua oxigenada) para oxidar sustratos.

En las semillas existen los glioxisomas, que llevan los enzimas necesarios para transformar los ácidos grasos de la semilla en azúcares necesarios para el desarrollo del embrión. Las células animales carecen de glioxisomas y, por tanto, no tienen posibilidad de transformar grasas en azúcares.

Vacuolas

Las vacuolas, orgánulos membranosos característicos de las células vegetales, son zonas de la célula rodeadas por una membrana donde se acumulan sustancias. En las células vegetales ocupan el 50% del volumen celular, pero pueden llegar a ocupar hasta el 95%. Al conjunto formado por las vacuolas de una célula se le llama vacuoma.

Las vacuolas se forman en células jóvenes por fusión de vesículas derivadas del R. E. y del Golgi. Entre las funciones de las vacuolas destacan:

  • Almacén de sustancias: en ellas se acumulan gran variedad de sustancias, como productos de desecho que resultarían perjudiciales para la célula si se almacenaran en el citoplasma, colorantes para los pétalos o alcaloides venenosos, sustancias de reserva, como ocurre en las semillas y agua.
  • Permiten regular las presiones osmóticas de la célula vegetal. Se llenan de agua cuando ésta entra a la célula (medio hipotónico) y se vacían cuando el agua sale al medio externo (medio hipertónico).

Mitocondrias

Las mitocondrias se encuentran en todas las células eucarióticas y, dado su elevado número, incluso 1000 ó 2000 por célula, ocupan una parte importante del citoplasma. Su forma suele ser la de un cilindro alargado, de 0,5 a 1 micra de diámetro y varias micras de longitud. Al conjunto formado por las mitocondrias de una célula se le denomina condrioma.

Una mitocondria está limitada por una doble membrana, la membrana mitocondrial externa que la separa del hialoplasma, y la membrana mitocondrial interna que forma unos repliegues hacia el interior, las crestas mitocondriales. Estas membranas definen dos compartimentos separados: el espacio intermembranoso, limitado por ambas, y la matriz, espacio interno limitado por la membrana interna. El compartimiento más especial, desde el punto de vista químico, es la matriz, junto con la membrana interna que la rodea. El contenido de la matriz incluye moléculas de ADN (ADN-mitocondrial) que contiene la información para sintetizar las proteínas mitocondriales, ribosomas (mitorribosomas) que pueden estar libres en la matriz o adosados a la m. interna (son semejantes a los bacterianos) y gran cantidad de enzimas y moléculas de ATP.

La m. interna posee una gran superficie gracias a las crestas. Es más rica en proteínas (80%) que otras membranas celulares y entre sus lípidos no se encuentra el colesterol, lo cual también es típico de las membranas bacterianas. Entre las proteínas de la m. interna destacan las que forman la cadena de transporte electrónico y el complejo enzimático llamado ATP-sintetasa que cataliza la síntesis de ATP.

Por su parte, la m. externa se asemeja más a otras membranas celulares, en particular a la del R. E. y es muy permeable debido a la gran cantidad de canales proteicos que posee.

La composición del espacio intermembranario es similar a la del hialoplasma debido a la permeabilidad de la m. externa.

La función de las mitocondrias es la de realizar la respiración aeróbica (ciclo de Krebs, cadena respiratoria y fosforilación oxidativa del ADP) en donde se oxida la materia orgánica para obtener energía que se almacena en forma de moléculas de ATP. El trabajo de las mitocondrias en muy complejo, ya que, además se produce en su interior la oxidación de los ácidos grasos y otros procesos metabólicos muy importantes.

Cloroplastos

Se localizan en las células vegetales fotosintéticas. Suelen tener forma lenticular, con un diámetro comprendido entre 3 y 10 micras y un espesor de 1 a 2 micras. Son de color verde debido a la presencia de la clorofila y suele haber unos 40 por célula. Cada cloroplasto está limitado por una doble membrana, la membrana interna y la externa; entre ellas se sitúa el espacio intermembranoso. La interna, al contrario que las mitocondrias, no tiene crestas y delimita un gran espacio central, el estroma, en el que se encuentra un tercer tipo de membrana, la membrana tilacoidal. Esta forma la pared de unos discos aplanados llamados tilacoides, que se comunican entre sí formando un tercer compartimiento, el espacio tilacoidal, separado del estroma por la membrana tilacoidal. Las membranas de los tilacoides están orientadas según el eje mayor del cloroplasto, aunque su distribución por el estroma no es uniforme ya que, a veces, aparecen tilacoides agrupados en forma de pila de sacos; estas estructuras se llaman grana. Los componentes químicos más importantes de los cloroplastos son los siguientes:

Membranas interna y externa: 60% son lípidos y el 40% proteínas carecen de clorofila, y entre las proteínas destacan las de transporte entre el hialoplasma y el estroma. Al igual que en las mitocondrias, las membranas carecen de colesterol y la externa es mucho más permeable que la interna).
Tilacoidales: entrantes de las membranas internas. Están formadas por 38% son lípidos, el 50% proteínas y el 12% pigmentos, fundamentalmente carotenoides (2%) y clorofilas (10%). En algunas algas aparecen pigmentos accesorios como la ficocianina o la ficoeritrina. Entre las proteínas destacan las transportadoras de electrones y una ATP-sintetasa similar a la de la m. interna),
Estroma: el contenido está formado por: ADN cloroplástico, doble y circular, con información para sintetizar las proteínas del cloroplasto, ribosomas (plastoribosomas) semejantes a los de las mitocondrias y a los de las bacterias, y numerosos enzimas necesarios para la fotosíntesis.

Tanto las mitocondrias como los cloroplastos se forman en las células por crecimiento y partición de otras ya existentes. Esto es posible gracias a que poseen la información genética necesaria para sintetizar, al menos, parte de sus componentes. Esta forma de originarse ambos orgánulos permite que las células hijas reciban, además de la información genética del núcleo, la información genética que reside en el interior de estos orgánulos. La herencia de estos genes recibe el nombre de herencia citoplasmática o no mendeliana. Las consecuencias de esta herencia son diferentes según los casos. En los animales superiores, incluido el hombre, el óvulo aporta mucho más citoplasma al zigoto que el espermatozoide por lo que sólo se heredan los genes mitocondriales de origen materno.

La función de los cloroplastos es realizar la fotosíntesis, en la que la materia inorgánica se transforma en materia orgánica utilizando la energía bioquímica (ATP) obtenida a partir de la energía solar, mediante pigmentos fotosintéticos y la cadena transportadora de electrones de los tilacoides.

Núcleo

Es un corpúsculo que destaca con claridad inmerso en el citoplasma de todas las células eucarióticas. Normalmente su posición es central pero puede hallarse desplazado por los constituyentes del citoplasma, como es el caso de las vacuolas en las células vegetales. Su importancia es trascendental porque es el elemento que rige todas las funciones celulares y es además el portador de los factores hereditarios. Entre el núcleo y el citoplasma existe una relación muy estrecha y depende el uno del otro de tal manera que ninguna de las dos partes puede mantenerse viva mucho tiempo separado de la otra. El tamaño del núcleo varía bastante, su forma más frecuente es la esférica, pero existen muchos casos de núcleos elipsoidales, arriñonados e incluso lobulados, como en muchos glóbulos blancos. Para cada tipo de células, la relación entre el volumen nuclear y el volumen citoplasmático es constante. Esta relación se denomina relación nucleocitoplasmática. La mayor parte de las células, tanto animales como vegetales, sólo poseen un núcleo, pero existen casos de células plurinucleadas. En todos los núcleos se pueden distinguir cuatro partes: membrana nuclear (o envoltura nuclear), nucleoplasma, nucléolo y cromosomas.

Envoltura nuclear

Es una doble membrana formada por dos finísimas hojas entre las cuales queda un espacio de unos 10-15 nm de ancho que se continúa con el R. E. En realidad, toda la envoltura nuclear no es más que una prolongación del propio R. E. que contornea el núcleo envolviéndolo. La envoltura nuclear no forma una cubierta continua ya que en varios puntos de ella existen interrupciones por la presencia de unos poros que ponen en comunicación el contenido del núcleo con el citoplasma. Alrededor de los bordes de estos poros nucleares, ambas membranas se continúan. Los poros tienen un diámetro de 80 nm y la superficie ocupada por ellos respecto a la superficie total del núcleo es un 10%, aunque en ciertas células vegetales puede llegar al 36%. En general, cuanto más activa es una célula, mayor es el número de poros que posee su núcleo. Un poro nuclear está formado por 8 proteínas esféricas (de 200 Å de diámetro) dispuestas en dos círculos con otra central de mayor tamaño (250Å de diámetro), además hay una sustancia densa y amorfa inserta en el contorno del poro y fibrillas que unen entre sí todas las proteínas.

Nucleoplasma

Es el contenido interno del núcleo y es similar al citosol. Está formado por una disolución compuesta por gran variedad de principios inmediatos, especialmente nucleótidos y enzimas implicados en la trascripción y replicación del ADN. Inmersos en el nucleoplasma se encuentran los cromosomas y el nucléolo, pero no se encuentran libres, sino que están sostenidos por una red proteica tridimensional similar al citoesqueleto que se extiende por todo el núcleo y sirve de anclaje a las demás partes.

Nucléolo

Es un corpúsculo esférico que, a pesar de no estar delimitado por una membrana, suele ser muy visible dado que su viscosidad es mayor que la del resto del núcleo. Es frecuente que exista más de un nucleolo; el caso más extremo es el de los óvulos de los anfibios que poseen más de un millar. Existe una relación entre el tamaño del nucleolo y la actividad sintética de la célula. Los nucléolos de las células que exhiben poca síntesis proteica son muy pequeños o no se encuentran, mientras que en las células cuya síntesis proteica es alta los nucléolos son muy grandes. El microscopio electrónico permite distinguir dos componentes: la región granular, formada por unos gránulos de 15-20 nm de diámetro que ocupa la parte externa y la región fibrilar, compuesta por delgadas fibras de 5-10 nm de diámetro, con una posición central en el nucleolo. El nucléolo contiene el aparato enzimático encargado de sintetizar los diferentes tipos de ARNr. Su función es precisamente la de formar y almacenar ARNr con destino a la organización de los ribosomas.

Cromatina

La cromatina es el ADN empaquetado a una serie de proteínas histónicas (ver la estructura del ADN). Es la sustancia fundamental del núcleo y recibe este nombre por su capacidad de teñirse con colorantes básicos. En un momento dado, no toda la cromatina se encuentra en el mismo grado de condensación. Según esto, se distinguen dos tipos de cromatina: eucromatina que comprende el conjunto de zonas donde la cromatina está poco condensada con e l fin de que los bucles de ADN se encuentren suficientemente distendidos para que se pueda llevar a cabo sobre ellos la trascripción (en la eucromatina y en el nucléolo son las zonas donde los genes se están transcribiendo); y heterocromatina que es la parte de la cromatina que presenta mayor grado de empaquetamiento con el fin de que el ADN que contiene no se transcriba y permanezca funcionalmente inactivo. Existen dos clases de heterocromatina, la constitutiva (que es el conjunto de zonas que se encuentran condensadas en todas las células y, por tanto, su ADN no se transcribe nunca en ninguna de ellas) y la facultativa (comprende zonas distintas en diferentes células, ya que representa el conjunto de genes que se inactivan de manera específica en cada tipo de célula durante la diferenciación celular. En los tejidos embrionarios es muy escasa la heterocromatina facultativa y aumenta cada vez más conforme se especializan las células de los diferentes tejidos pues se inactivan determinados genes y para ello se empaquetan de forma condensada de manera que ya no pueden transcribirse).

En los periodos de división celular (mitosis o meiosis), la cromatina da lugar a unas estructuras denominadas cromosomas. Tienen forma de bastoncillos más o menos alargados. Dentro de la misma especie la forma de cada cromosoma es constante, de tal manera que puede ser identificado cada uno de ellos. En cada cromosoma se distingue un estrangulamiento denominado constricción primaria en cuyo interior se encuentra un gránulo llamado centrómero. La constricción primaria divide al cromosoma en dos partes o brazos cuyos extremos redondeados reciben el nombre de telómeros. Según el tamaño relativo de estos brazos se distinguen tres tipos de: telocéntricos (sólo es visible un brazo porque el centrómero se encuentra en un extremo), acrocéntricos (los dos brazos son de distinta longitud) y metacéntricos (los dos brazos tienen, aproximadamente, la misma longitud porque el centrómero se encuentra en la mitad del cromosoma).

Algunos cromosomas presentan otros estrangulamientos llamados constricciones secundarias. Cuando una de ellas se encuentra cerca del extremo de un brazo delimitan un pequeño segmento esferoidal llamado satélite.

El número de cromosomas de cada especie es constante. El conjunto formado por los cromosomas de una especie constituye su cariotipo. Las especies llamadas haploides poseen un número n de cromosomas distintos. Sin embargo las llamadas diploides poseen 2n cromosomas, es decir, n parejas de cromosomas homólogos (idénticos). En cada pareja, uno de los cromosomas procede del padre y otro de la madre. En la especie humana, las células poseen 46 cromosomas en 23 parejas de homólogos. Es lo que se denomina dotación cromosómica de la especie humana.
































































































































































































































































UNIDAD VII: FISIOLOGÍA CELULAR (FUNCIÓN DE NUTRICIÓN Y REPRODUCCIÓN)



Concepto de nutrición



Todas las células necesitan nutrirse, pero su modalidad de nutrición, es decir, la forma mediante la que consiguen la materia y la energía necesarias para mantenerse vivas y realizar sus actividades, pueden variar de unas células a otras. Básicamente pueden ser autótrofas (por fotosíntesis o por quimiosíntesis) o heterótrofas. En cualquier caso, en los procesos de nutrición de una célula típica se pueden diferenciar las siguientes fases: ingestión, digestión, metabolismo y excreción.

Todas las células no utilizan la misma fuente para proveerse del material que necesitan a la hora de construir sus biomoléculas. En cuanto a la fuente de carbono, se puede distinguir entre células autótrofas que utilizan el CO2 atmosférico y células heterótrofas que toman el C en forma de compuestos orgánicos. En cuanto a la fuente de energía, tampoco es común a todas las células. Las fotosintéticas utilizan la luz solar y las quimiosintéticas utilizan la energía liberada en reacciones químicas. Teniendo en cuenta estos dos aspectos se agrupan los seres vivos en cuatro clases distintas cuyo nombre hace referencia en primer lugar a la fuente de energía y en segundo lugar a la fuente de C:


TIPO DE ORGANISMO

FUENTE DE ENERGÍA

FUENTE DE C

ORGANISMOS

Fotolitótrofo

Luz solar

CO2

Vegetales y bacterias fotosintéticas

Fotoorganotrofo

Luz solar

Compuestos orgánicos

Bacterias purpúreas

Quimiolitotrofo

Reacciones rédox

CO2

Bacterias desnitrificantes

Quimioorganotrofo

Reacciones rédox

Compuestos orgánicos

Animales y hongos




Ingestión (permeabilidad celular)



Las células (sobre todo las heterótrofas) obtienen el alimento de dos formas: por absorción de pequeñas moléculas a través de la membrana, o por ingestión de macromoléculas y partículas.

Absorción de pequeñas moléculas: a través de la membrana celular, la célula selecciona las moléculas que entran y salen de ésta, es decir lleva a cabo una permeabilidad selectiva.

Según los requerimientos energéticos se diferencian dos modalidades de transporte a nivel de membrana:

Transporte pasivo: no consume energía, ya que es un proceso de difusión en el que las moléculas pasan de un lado al otro de la membrana a favor de un gradiente de concentración o un gradiente eléctrico (cargas iónicas). La suma de ambos gradientes constituye el gradiente electroquímico, cuya fuerza determina la dirección e intensidad del flujo.

Transporte activo: requiere un aporte energético, ya que se lleva a cabo en contra del gradiente electroquímico. Siempre ocurre mediante proteínas transportadoras especiales acopladas a una fuente de energía, como la hidrólisis del ATP. Así bombean sustancias de un lugar a otro de la membrana.

Ingestión de macromoléculas y partículas

Las células también pueden ingerir moléculas y partículas más o menos grandes mediante el proceso de endocitosis, en el que se diferencian dos modalidades:

Pinocitosis: consiste en la ingestión de gotitas de líquido y sustancias disueltas, formándose hacia el interior de la célula, una tras otra, pequeñas vesículas pinocíticas o endosomas tempranos. Este proceso ocurre en casi todas las células eucariotas, especialmente en las animales, pero también a veces en las vegetales.

Fagocitosis: consiste en la ingestión de grandes partículas, como restos celulares o microorganismos, formándose fagosomas o vacuolas fagocíticas. Tiene lugar en protozoos, para la nutrición, y en ciertas células especializadas de los animales (fagocitos), como mecanismo de defensa.

Digestión celular

Los alimentos obtenidos por pinocitosis o fagocitosis, deben someterse a un proceso de digestión intracelular, que llevan a cabo los lisosomas, descomponiendo las macromoléculas y partículas en pequeños nutrientes que ya pasan al citosol. Los lisosomas contienen hidrolasas liposomales (formadas en los ribosomas del R. E. R. del que pasan al complejo de Golgi donde son empaquetadas formando los lisosomas) que constituyen un medio ácido en donde se descomponen las macromoléculas ingeridas. Los productos finales de la digestión salen del lisosoma (filtración) mediante transportadores específicos de la membrana del lisosoma y se incorporan a los procesos metabólicos de la célula.

En circunstancias especiales (por ejemplo, escasez de alimento) la célula también puede recurrir a la autofagia que es la degradación de estructuras envejecidas u obsoletas de la propia célula.




Egestión y excreción (exocitosis)

La materia orgánica que no puede ser digerida es expulsada al exterior a través de la membrana por exocitosis (también se puede quedar en el citoplamas dentro del llamado cuerpo residual).

Durante el metabolismo se producen una serie de sustancias residuales, fundamentalmente CO2 y NH3, que son excretadas mediante los procesos de transporte a nivel de membrana.

































METABOLISMO
















































































Concepto de metabolismo, catabolismo y anabolismo



Las células intercambian continuamente materia y energía con su entorno que son transformadas en su interior con el objeto de crear y mantener las estructuras celulares, proporcionando la energía necesaria para sus actividades vitales. El conjunto de intercambios y transformaciones que tienen lugar en el interior de la célula debido a procesos químicos catalizados por enzimas constituyen el metabolismo. Entre los objetivos básicos del metabolismo figuran la destrucción o degradación de moléculas y la construcción o síntesis de ellas. Por ello se distinguen dos fases dentro del metabolismo el catabolismo y el anabolismo

Catabolismo: es la fase destructiva. En ella pequeñas moléculas orgánicas complejas reducidas (pequeños glúcidos, ácidos grasos, glicerina o péptidos) que proceden del medio externo o de reservas internas después de la digestión o de la fotosíntesis o quimiosíntesis, son degradadas (mediante reacciones de oxidación y reducción) a moléculas más sencillas, más o menos oxidadas (ácido láctico, CO2, etc.), con liberación de energía en forma de ATP.

Anabolismo: es la fase constructiva. En ella se fabrican moléculas complejas a partir de moléculas más sencillas. Esta síntesis requiere energía que será aportada por el ATP. Obtenido en el catabolismo. Las moléculas sintetizadas pasarán a formar parte de los componentes celulares o serán almacenadas.

La división del metabolismo en catabolismo y anabolismo tiene una finalidad didáctica, pero, en realidad, estos procesos no se producen por separado en el espacio y en el tiempo. Las células se encuentran siempre en un proceso constante de autodestrucción y autorregeneración.

El metabolismo hay que considerarlo como una unidad, aunque su complejidad obligue a estudiarlo fragmentado en las denominadas rutas metabólicas, que son secuencias de reacciones químicas que relacionan entre si dos compuestos o metabolitos importantes. Las rutas metabólicas no son independientes entre si, sino que poseen encrucijadas comunes. Un mismo metabolito común a dos rutas podrá seguir por una o por otra en función de las condiciones celulares.










CATABOLISMO

Glucólisis

La glucólisis es el proceso por el que la glucosa se degrada en dos moléculas de ácido pirúvico. Esta fase que es totalmente anaeróbica, se produce en el citosol y consta de varias etapas que podemos resumir en estas dos fundamentalmente:

La glucosa es degradada, dando lugar a dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato de tres átomos de C cada una. En esta fase se dota a la glucosa de dos grupos fosfato procedente de dos moléculas de ATP.

En la segunda etapa las dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato se transforman en dos moléculas de ácido pirúvico. La etapa central de la glucólisis es la oxidación del gliceraldehído-3-fosfato, que se transforma en ácido 1,3-difosfoglicérico mediante una reacción catalizada por una enzima deshidrogenasa que utiliza NAD+ como coenzima y que es reducida a NADH. La energía generada en esta oxidación se utiliza para formar un enlace fosfato en el ácido-3-fosfoglicérico a partir de un fosfato inorgánico que se encuentra libre en el citosol (no procede del ATP), lo que da lugar a una molécula doblemente fosforilada (el ácido 1,3 difosfoglicérico). La energía almacenada en estos enlaces fosfato va a servir en etapas posteriores para la síntesis de ATP en las que se obtienen cuatro moléculas de ATP (dos por cada molécula de ácido 1,3 difosfoglicérico).

La glucólisis es utilizada por casi todas las células como medio para obtener energía. El resultado final será la obtención de ácido pirúvico, ATP, y NADH. El destino final del ácido pirúvico y el NADH depende de que el organismo se desarrolle en ambientes aerobios o anaerobios. En el primer caso la degradación del ácido pirúvico se realiza en las mitocondrias.

El NADH es oxidado transfiriendo sus electrones al oxigeno, en lo que constituye la respiración mitocondrial. En condiciones anaerobias el ácido pirúvico es fermentado en el hialoplasma.

El balance global de la glucólisis es la oxidación incompleta de una molécula de glucosa que produce una pequeña cantidad de energía:


1 glucosa + 2 NAD + + 2 ADP + 2 P i 'ª' 2 ácido pirúvico + 2 NADH + 2 H + + 2 ATP







Fermentación

La fermentación es un proceso catabólico en el cual tanto el dador como el aceptor final de electrones son compuestos orgánicos. Generalmente estos dos compuestos son metabolitos de un único sustrato que durante el proceso se escinde en dos. En la fermentación alcohólica de la glucosa, ésta se escinde en una sustancia sin hidrógenos (CO2), y en otra con tres hidrógenos por carbono (la sustancia reducida). La fermentación es un proceso anaerobio y en él no interviene la cadena respiratoria. Las fermentaciones son propias de los microorganismos (ciertas levaduras y bacterias), aunque alguna, como la fermentación láctica puede realizarse en el tejido muscular cuando no llega suficiente oxígeno. Las fermentaciones son poco rentables energéticamente. A partir de una glucosa se obtienen sólo dos moléculas de ATP.

Como ejemplos de fermentaciones se pueden citar la alcohólica y la láctica.

Fermentación alcohólica

la fermentación alcohólica consiste en la transformación de la glucosa en dos moléculas de alcohol etílico y dos de CO2.

C6H12O6 'Ú' 2 (CH3-CH2OH) + 2 CO2

La fermentación alcohólica la llevan acabo enzimas especiales contenidas en levaduras del género Saccharomyces. Dependiendo de la especie se puede llegar a obtener los distintos tipos de bebidas alcohólicas.

Respiración: ciclo de krebs, cadena respiratoria y fosforilación oxidativa

El piruvato que se obtiene al final de la glucólisis se encuentra en una encrucijada metabólica en la que puede seguir dos destinos, dependiendo de la disponibilidad de oxígeno y el tipo de célula. Puede seguir la vía anaerobia de las fermentaciones o la vía aerobia de la respiración celular.

Por la vía de la respiración el piruvato sufre una reacción irreversible consistente en una descarboxilación (pérdida de CO2) y unión a la coenzima A, dando lugar a acetil-CoA. Ésta lo transportará al interior de la mitocondria para ser oxidado por completo en el ciclo de Krebs.

Ciclo de Krebs

Conocido también como ciclo del ácido cítrico. Consiste en una oxidación total de los dos átomos de carbono del grupo acetilo del acetil-CoA que se eliminan en forma de CO2. Los electrones obtenidos en las sucesivas oxidaciones sirven para reducir coenzimas NAD y FAD. El ciclo completo consta de 8 reacciones que se llevan a cabo íntegramente en la matriz mitocondrial:


















Cadena de transporte electrónico y fosforilación oxidativa

Aunque las dos fases anteriores son oxidaciones que ocurren durante la respiración aeróbica de la glucosa, ninguna de las reacciones hasta ahora ha utilizado directamente el O2. Es en esta última fase cuando los electrones arrancados a los sustratos oxidados y almacenados inicialmente en las deshidrogenasas NAD y FAD, van a acabar siendo aceptados por el O2. Estos y otros coenzimas transportadores de electrones se encuentran en las células en cantidades ínfimas, por lo que deben regenerarse las formas oxidadas para que puedan aceptar nuevos electrones y proseguir el proceso oxidativo. La transferencia de electrones desde estas coenzimas al O2 no se realiza de forma inmediata sino a través de una serie de transportadores intermediarios que, en conjunto, reciben el nombre de “cadena de transporte electrónico” o “cadena respiratoria”.

NADH + H+ → FADH2 → Coenzima Q → Citocromo b → Citocromo c → Citocromo a → O2

En cada sistema se genera la suficiente energía como para sintetizar una molécula de ATP, por lo que por cada NADH que ingresa en la cadena se forman 3ATP, y por cada FADH2 se forman 2ATP.

















































Catabolismo de los lípidos

El principal mecanismo de obtención de energía de los lípidos lo constituye la oxidación de los ácidos grasos. Estos proceden de la hidrólisis de los lípidos: Triglicérido Ú Glicerina + 3 Ácidos grasos

β-oxidación de los ácidos grasos: una vez en el citosol, los ácidos grasos (con un número par de carbonos) se activan previamente en la membrana mitocondrial para ser metabolizados, formando un enlace con el coenzima A, reacción que necesita aporte de energía procedente del ATP. Se forma así acil-CoA que atraviesa la membrana mitocondrial. En el seno de la matriz mitocondrial, los acil-CoA sufren el ataque sucesivo de cuatro sistemas enzimáticos que, de forma cíclica, van eliminando dos átomos de carbono de la cadena del ácido graso y convirtiéndolos en acetil-CoA, que continúan su proceso oxidativo en el ciclo de Krebs.

El balance del catabolismo de los ácidos grasos, para uno de 16 carbonos como es el ácido palmítico, requiere siete vueltas de la β-oxidación, produciendo por tanto 8 moléculas de acetil-CoA. Como en cada vuelta se produce un NADH + H+ y un FADH2, en las 7 vueltas será:

8 acetil-CoA (8x12=96ATP)+ 7 FADH2 (7x2=14ATP)+ 7 NADH (7x3=21ATP) + H+

Por su lado la glicerina que formaba parte de las grasas, tras la hidrólisis de éstas, se incorpora, después de sufrir la acción de una quinasa y una deshidrogenasa, a la glucólisis en forma de dihidroxiacetona fosfato. Posteriormente se isomeriza a gliceraldehido-3-fosfato y continúa el proceso normal de la glucólisis.



Catabolismo de las proteínas

Generalmente las células no utilizan las proteínas como fuente energética. Sin embargo los aminoácidos sobrantes tras la síntesis de proteínas no pueden ser almacenados. Debido a ello sus cadenas carbonadas pueden oxidarse para obtener energía, o bien se transforman en ácidos grasos y se almacenan en forma de grasas (aminoácidos, restos cetoácidos, acetil-CoA y ácidos grasos). La degradación de los aminoácidos se realiza en dos fases sucesivas:

Esquema general del catabolismo

Cuando se necesita energía, el glucógeno del hígado y del músculo estriado se hidroliza y se obtiene glucosa que, por glucólisis, se oxida hasta convertirse en ácido pirúvico. A partir de aquí caben dos posibilidades:

- Si no hay oxígeno suficiente se da la fermentación láctica que degrada el pirúvico en ácido láctico (agujetas).
- Si el aporte de oxígeno es suficiente se produce la respiración aerobia en el citosol, el pirúvico se transforma en acetil-CoA, que pasa a la matriz de la mitocondria y se oxida en el ciclo de Krebs suministrando energía.

Para obtener energía también se utilizan las grasas, que por lipólisis se convierten en ácidos grasos que luego de activarse en el citosol sufren la β-oxidación en la matriz mitocondrial y se transforman en acetil-CoA y poder reductor (NADH y FADH2) que ingresa en el ciclo de Krebs y cadena respiratoria produciendo energía.

El exceso de ácidos grasos en la dieta se almacena como grasa (lipogénesis). También el exceso de hidratos de carbono se almacena, en parte como glucógeno, y la mayor parte como grasa: la glucosa, vía glucólisis se transforma en ácido pirúvico, y más tarde en acetil-CoA y por lipogénesis se sintetizan ácidos grasos que se almacenan como grasas. Lo contrario no es posible, es decir, la grasa no puede transformarse en glucosa, porque la reacción pirúvico → acetil-CoA es irreversible.

Cuando se han consumido las reservas de glucosa y ácidos grasos, también se pueden utilizar las proteínas para obtener energía, aunque es un proceso no deseable para la célula (es como quemar mobiliario de estilo para calentarnos cuando se agota la leña). En dietas de ayuno se hidrolizan suministrando aminoácidos que, por transaminación, dan lugar a restos cetoácidos (y grupos amino tóxicos que se eliminan por la orina). Los restos cetoácidos en parte se oxidan en el ciclo de Krebs, y en parte, por gluconeogénesis, se transforman en glucosa, que servirá para alimentar a las neuronas.

ANABOLISMO

En los procesos anabólicos se sintetizan macromoléculas, a partir de moléculas orgánicas más sencillas. La diferencia entre los organismos autótrofos y heterótrofos, está en el modo en el que obtienen esas moléculas orgánicas sencillas con las que construirán las macromoléculas (glúcidos, lípidos, etc.). Los organismos autótrofos las fabrican a partir de materia inorgánica incorporada del medio, mediante el anabolismo autótrofo, mientras que los organismos heterótrofos recurren al catabolismo de los principios inmediatos ingeridos como alimento. La síntesis de macromoléculas requiere un aporte de energía. Esta energía la proporciona, fundamentalmente, la hidrólisis del ATP que se ha formado en el catabolismo.

Muchas de las rutas anabólicas que se desarrollan en el hialoplasma utilizan como precursores moléculas que se encuentran en otros orgánulos, sobre todo en las mitocondrias, desde donde serán exportadas al hialoplasma.



Anabolismo de los glúcidos

Se puede dividir en obtención de la glucosa (gluconeogénesis) y formación de polisacáridos como el glucógeno (glucogenogénesis).

Gluconeogénesis

Engloba los procesos de obtención de glucosa-6-fosfato a partir de ácido pirúvico. Es en esencia, el proceso inverso a la glucólisis, pero algunos pasos de la glucólisis son irreversibles, por lo que no existen en las gluconeogénesis. Por ejemplo, en la glucólisis se pasa de ácido fosfoenolpirúvico a ácido pirúvico directamente, mediante la piruvato quinasa. En la gluconeogénesis, el paso inverso requiere una serie de reacciones enzimáticas que se inician en el interior de las mitocondrias que transforman el ácido pirúvico en oxalacético, éste pasa a ácido málico (para atravesar la membrana mitocondrial), que sale de la mitocondria y vuelve a convertirse en oxalacético, transformándose finalmente en fosfoenolpirúvico.

Esta ruta de síntesis de la glucosa no es utilizada cuando la ingestión de hidratos de carbono es la adecuada, pero se pone en funcionamiento ante una dieta escasa en carbohidratos, ya que el cerebro obtiene energía exclusivamente de la respiración de la glucosa. Por tanto en condiciones de escasez de glúcidos, la glucosa se sintetiza a partir de los aminoácidos de las proteínas.

Glucogenogénesis

La síntesis de grandes polímeros de glucosa, se inicia a partir de la glucosa-6-P que pasa a glucosa-1-P. Esta molécula se une después a una molécula de uridín-trifosfato (UTP) para activarse desprendiéndose un grupo Ppi y formar UDP-glucosa, una molécula más reactiva que gracias a una enzima se une a alguna cadena que ya posee glucosas para formar glucógeno. Para obtener el almidón en las células vegetales, el proceso es idéntico, con la diferencia de que el activador es el ATP.



Anabolismo de las grasas

La síntesis de lípidos requiere dos fases: obtención de ácidos grasos y obtención de glicerina. La síntesis de glicerina se produce en el citosol fundamentalmente a partir de la dihidroxiacetona-P que proviene de la glucólisis y que se transforma en glicerol-3-P. No llega a alcanzar la forma de glicerina ya que es en la forma de glicerol-3-P como se unirá a los ácidos grasos.

La síntesis de ácidos grasos se produce en el hialoplasma, partiendo de acetil-CoA formado a partir de la degradación del ácido pirúvico o de la β-oxidación de los ácidos grasos y del catabolismo de algunos aminoácidos. Para la síntesis de una molécula de ácido palmítico (16 C) se necesitan ocho moléculas de acetil-CoA. Siete de estas moléculas experimentan una carboxilación que las transforma en siete moléculas de malonil-CoA (3 C). La unión del acetil-CoA con un malonil-CoA desprende una molécula de CO2 obteniéndose una molécula de cuatro carbonos. La unión repetida de moléculas de malonil-CoA permite alargar la cadena hasta obtener el ácido graso correspondiente (en este caso el palmítico), con un número par de carbonos.

FOTOSÍNTESIS



Concepto e importancia biológica de la fotosíntesis. Trascendencia evolutiva


Puede definirse como un proceso fisiológico de tipo anabólico mediante el cual muchos seres vivos son capaces de utilizar la energía luminosa para sintetizar materia orgánica.

La Fotosíntesis la realizan los siguientes seres vivos: bacterias fotosintéticas, algunos organismos unicelulares (Diatomeas y Dinoflagelados), algas, musgos y vegetales superiores.

La fotosíntesis del carbono fue la primera en descubrirse, es la principal y la mejor conocida, pero no es la única ruta fotosintética.

La reacción general de la fotosíntesis para sintetizar una molécula de glucosa sería '6CO2 + 12H2O + luz 'C6H12O6 + 6O2 + 6H2O Se trata por tanto de un proceso inverso al catabolismo aerobio de la glucosa que se podría resumir de la siguiente manera: Para sintetizar una molécula de glucosa se precisa una fuente de carbono que es el CO2 cuyos carbonos es preciso reducir combinándolos con hidrógenos, por lo cual se necesita un dador de hidrógenos que es el H2O, la cual al perder sus hidrógenos liberará O2. Todo ello no se realiza espontáneamente sino que requiere un aporte de energía que proviene de la luz solar.

La importancia de la fotosíntesis se debe:

- Es un proceso que suministra hidratos de carbono a las partes no fotosintéticas de la planta y a todos los otros organismos del ecosistema. Es, por tanto, el origen de toda la materia orgánica que hay en la Tierra ya que la energía solar es utilizada para sintetizar los compuestos orgánicos que después serán ingeridos y degradados por los seres vivos no fotosintéticos en las cadenas tróficas.
- Es un proceso muy económico ya que utiliza como fuente de energía el sol, como fuente de carbono el CO2 y para reducirlo utiliza agua.
- Es el proceso que formó y forma el oxígeno (etapa luminosa) que existe en la atmósfera y que respiran todos los animales, por lo que permitió evolutivamente la aparición del metabolismo aeróbico. Por lo mismo, es responsable de la capa de ozono atmosférica que protege de la radiación U. V. y que permitió en la evolución de la vida la colonización de la tierra. Y, por último, es responsable también de la regulación de la concentración de CO2 de la atmósfera (fijación del CO2 atmosférico en la fase obscura) que es fundamental para la temperatura global del planeta (efecto invernadero).



Etapas de la fotosíntesis

En realidad, la fotosíntesis es muy compleja y requiere de una primera etapa, llamada fase luminosa, en la que se absorbe la energía solar y se transforma en energía química libre y en poder reductor, y una segunda etapa, fase obscura, donde se utilizan esos productos para la reducción del CO2.

En la fase luminosa se produce la captación de energía luminosa y su transformación en energía química libre (ATP) y poder reductor (NADP reducido). Para ello se oxida el oxígeno del H2O que cede sus hidrógenos para reducir el NADP. Para que esto se produzca es necesaria la presencia de luz, por lo que se denomina también fase luminosa.

En la fase obscura se da la fijación del CO2 en una molécula aceptora y su posterior reducción para formar glúcidos para lo cual se utilizan los productos obtenidos en la fase anterior. No se pueden dar los procesos secundarios si previamente no se tienen los productos resultantes de los procesos primarios. No es necesaria la presencia de luz, por lo que se denomina también fase oscura, pero transcurre casi en su totalidad en presencia de luz.









Fase obscura

En la fase oscura se utilizan el poder energético (ATP) y el poder reductor (NADPH) obtenidos durante la fase luminosa para impulsar la transformación de sustancias inorgánicas en materia orgánica. Esta transformación es muy desfavorable energéticamente y por ello se acopla a las reacciones de la fase luminosa. El proceso fundamental de la fase oscura es la fijación reductora del C a partir del CO2 formándose primero glúcidos sencillos de los que derivarán el resto de compuestos orgánicos. Pero además existen otras vías para aquellos compuestos orgánicos que contienen nitrógeno o azufre en las que las plantas utilizan como fuente de estos elementos nitratos (NO-3) o sulfatos (SO42-) a los que hay que reducir.










QUIMIOSÍNTESIS



Es un tipo de nutrición autótrofa exclusiva de las bacterias (quimiolitótrofas) que no necesita de la energía de la luz, sino de la que se desprende de la oxidación de moléculas inorgánicas sencillas como son amoníaco, sulfuros, nitratos, etc. También necesita de la asimilación del CO2 del medio como fuente de carbono para su anabolismo. Se pueden clasificar según el tipo de quimiosíntesis que realizan. Por ejemplo, las bacterias del nitrógeno y las del azufre.

Bacterias del nitrógeno

Viven en el suelo y aguas oxidando el NH3 a ión nitrito (Nitrosomonas) (NO-2) y éste a nitrato (NO-3) (Nitrobacter):

2 NH4+ + 3 02 → 4 H+ + 2 H2O + 2 NO2- + O2 → 2 NO3-

Ambos grupos de bacterias del nitrógeno se complementan y comparten el mismo hábitat. Su importancia en la naturaleza es que son las responsables de cerrar el ciclo del nitrógeno contribuyendo a enriquecer el suelo en nitratos que las plantas pueden asimilar para fabricar sus aminoácidos.






















Integración del catabolismo y del anabolismo



En el conjunto del metabolismo destacan dos procesos antagónicos en sus productos iniciales y finales: la fotosíntesis y la respiración celular. En ambos procesos ocurren intercambios energéticos y tienen lugar fosforilaciones. También en ambos ocurren sendos ciclos de reacciones químicas trascendentales: en la fotosíntesis, el ciclo de Calvin, en el que se forma la primera materia orgánica; y en la respiración celular, el ciclo de Krebs, en el que se descompone finalmente la materia orgánica. Enlazando esos ciclos se encuentran tres intermediarios metabólicos básicos: gliceraldehído 3-fosfato, piruvato y acetil-CoA Al final, en una célula que hipotéticamente pudiera realizar todos los procesos metabólicos (sería autótrofa) entra O2, CO2, H2O y luz; y sale O2, CO2, H2O y ATP.

















































Función de reproducción

El ciclo celular: interfase y división celular

Todas las células tienen dos posibilidades: dividirse al alcanzar un cierto tamaño o, por el contrario, morir si ha perdido la capacidad de división. En el primer caso se habla de ciclo celular para describir el proceso que se inicia al término de una división celular y acaba con el final de la siguiente división, en la que se habrán formado dos nuevas células. Dicho de otro modo, el ciclo celular es el tiempo que transcurre desde que una célula se forma por división de una preexistente hasta que se divide y da origen a dos células hijas.

La duración del ciclo celular es muy variable, dependiendo del tipo de célula, de los nutrientes y de la temperatura. Como ejemplo, en condiciones óptimas de cultivo, una ameba tiene un ciclo celular de unas 10 horas, un ciliado de 2-3 horas y células de mamífero unas 20 horas. El ciclo vital de una célula se divide en dos fases muy definidas: interfase y división.

Interfasees la fase más larga del ciclo celular, 94% del mismo, y transcurre entre dos divisiones. En ella se produce una intensa actividad biosintética a todos los niveles lo que, junto al mantenimiento y crecimiento celular, prepara la fase de división. Durante esta fase la célula duplica sus componentes y especialmente su material genético, el ADN, lo cual ocurre en un periodo muy concreto de la interfase llamado fase S. Los periodos anterior y posterior a esta duplicación del ADN se denominan respectivamente fase G1 y G2 (del inglés “gap”, intervalo o separación).

- Fase G1: duración variable, aproximadamente 5 horas. Transcurre entre el final de una mitosis y el inicio de la síntesis del ADN. En ella la célula aumenta de volumen hasta alcanzar el tamaño de su forma celular típica, al tiempo que se produce la acumulación de las sustancias necesarias para la división celular. En cierto momento de esta fase se alcanza el llamado punto R o de no retorno, pasado el cual la célula ya está obligada a completar la totalidad del ciclo celular. Si la célula no sobrepasa ese punto R, puede permanecer indefinidamente en un estado de reposo, llamado fase G0, en el que no se sintetizan proteínas cromosómicas ni el ARNm de las mismas. Las células que no se dividen nunca, como las neuronas, permanecen de por vida en esta fase G0 y se denominan quiescentes. Cuando una célula de este tipo sale de este estado a destiempo y de forma descontrolada se produce cáncer.  Cerca del final de la fase G1 se produce una activa síntesis proteica, en especial las histonas de la cromatina, que son transportadas al núcleo. Igualmente se producen los desoxirribonucleótidos y los enzimas necesarios para la replicación, al tiempo que aumenta el número de microtúbulos y el tamaño de los centríolos.
- Fase S: duración de 6 a 8 horas. En este periodo se replica el ADN del núcleo, en primer lugar la eucromatina y la heterocromatina, más condensada, lo hace al final de la fase. No hay crecimiento celular y disminuye la actividad metabólica de la célula, aunque persiste la síntesis de ARNm y de histonas. Se produce, además, la duplicación de los centríolos, pero los dos pares permanecen incluidos en un único centrosoma hasta el inicio de la mitosis.
- Fase G2: duración 3-5 horas. Es un periodo de latencia que se extiende desde el final de la replicación hasta el comienzo de la división nuclear. Puede haber en ella un cierto crecimiento celular y la célula adopta procesos de regulación para evitar el exceso de productos génicos (la cantidad de ADN está duplicada). La fase G2 acaba cuando los cromosomas empiezan a condensarse al inicio de la mitosis.

Como es lógico, las diferentes fases del ciclo celular están sujetas a un control que evita que la célula se divida de forma desordenada. Estos sistemas de control se han empezado a desvelar recientemente y funcionan de un modo similar al programador de una lavadora: poco a poco la célula va superando etapas, pasando de una fase a la siguiente.




MITOSIS

El crecimiento de los organismos exige que sus células lleven a cabo algún tipo de división celular y ésta debe producirse de forma que los componentes celulares esenciales sean distribuidos correctamente entre las células hijas. Una distribución desigual de algo tan esencial como el material genético, el portador de la información biológica, pondría en peligro el futuro de la especie. Para que esto no ocurra existe un mecanismo que produce la división regular de los componentes hereditarios, los cromosomas, llamado mitosis.

La división celular exige por un lado que se divida el núcleo mediante un mecanismo complejo encaminado a mantener constante el número de cromosomas de las células hijas, pero, por otro lado, se produce también una división del citoplasma, lo que implica un reparto más o menos equitativo de los orgánulos celulares, como las mitocondrias o los cloroplastos. Por esta razón es preciso distinguir entre la mitosis o división del núcleo, también llamada cariocinesis, y la división del citoplasma que logra la separación total de las dos células hijas, proceso llamado citocinesis. Con el fin de describir la mitosis, se suelen distinguir cuatro fases o etapas: profase, metafase, anafase y telofase, pero en realidad es un proceso continuo y las cuatro se suceden sin que exista un límite claro entre ellas.

Profase: cuando finaliza la fase G2, la célula presenta en su núcleo una red enmarañada de cromatina, pero al iniciarse la mitosis se produce un ligero aumento del tamaño del núcleo y dentro de él se empiezan a diferenciar una serie de filamentos claramente visibles que son los cromosomas. Al final de la profase, cada cromosoma es perfectamente identificable, pero, debido a la replicación del ADN que se produjo durante la fase S del ciclo celular, cada uno se halla partido longitudinalmente en dos mitades llamadas cromátidas unidas entre sí únicamente por la zona correspondiente al centrómero. Al mismo tiempo que ocurre esto, la membrana nuclear se va disolviendo y llega a desaparecer por completo quedando los cromosomas libres en el citoplasma. Los nucleolos también desaparecen.

Paralelamente también ocurren cambios en el citoplasma, sobre todo en el centrosoma. Los centríolos empiezan a separarse y cada uno se dirige hacia un polo de la célula. Entre ellos se desarrolla un haz de finísimas fibras denominado huso acromático. Esta estructura está perfectamente desarrollada al final de la profase. En las células vegetales no existen centríolos y sin embargo también se forma el huso acromático, pero se desarrolla a partir de dos zonas que se diferencian en los polos de la célula con forma de casquete. Por ello se llaman casquetes polares y a partir de ellos surgen los filamentos del huso.

Metafase: durante ella, los cromosomas, que estaban dispersos en el citoplasma, se empiezan a agrupar y acaban todos colocados en un plano ecuatorial de la célula doblados por su centrómero, que mira hacia la parte central del huso, mientras que los brazos se dirigen hacia fuera. Esta disposición recibe el nombre de estrella madre. En este momento, el centrómero se duplica con lo que las dos cromátidas de cada cromosoma quedan completamente independientes. En cada centrómero se inserta un filamento del huso acromático.
Anafase: los filamentos del huso empiezan a acortarse progresivamente por lo que cada pareja de cromátidas se va separando entre sí a partir del vértice ocupado por el centrómero. A medida que se separan se van desplazando hacia los polos de la célula de forma que, al final de la anafase, la mitad de las cromátidas acaba situada en uno de los polos y la otra mitad en el otro. Paralelamente los filamentos del huso empiezan a palidecer.

Telofase: se caracteriza por la reconstrucción de los núcleos de las células hijas. Las cromátidas, que ya se pueden considerar cromosomas completos, empiezan a difuminarse hasta adquirir el aspecto que tienen en una célula en reposo, es decir, filamentos de cromatina. Se forma una nueva membrana nuclear y el huso desaparece totalmente.

La duración de todo el proceso mitótico es variable según las condiciones y el tipo de célula, pero normalmente suele durar entre 30 minutos y 3 horas. La profase es la de mayor duración.

La mitosis es un proceso común a todas las células eucarióticas que garantiza que las células hijas tengan los mismos cromosomas que la célula madre y, por tanto, la misma información genética. En los organismos pluricelulares es necesario que, durante su crecimiento y desarrollo, las nuevas células que se forman tengan la misma información genética (los mismos cromosomas) que el resto de las células del organismo. De igual forma, cuando se reparan los tejidos dañados las nuevas células deben ser idénticas a las que se reemplazan. La mitosis asegura que esto sea así. En la reproducción asexual, los hijos son idénticos a los padres puesto que son producidos como resultado de la división celular por mitosis. Como consecuencia, la descendencia tiene las mismas ventajas y desventajas que los padres para sobrevivir en el medio. Los descendientes producidos por reproducción asexual forman un clon.

En resumen, en el proceso de la mitosis se puede distinguir una diferencia básica entre las células somáticas vegetales y animales: la falta de centríolos en las primeras (vegetales).

A continuación de la mitosis se produce la división del citoplasma o Citocinesis. Esta constituye la otra gran diferencia entre las células animales y vegetales. En las células vegetales se empiezan a condensar unos gránulos en la zona ecuatorial de la célula hasta que llegan a formar un tabique llamado placa celular que crece de dentro hacia fuera hasta llegar a la periferia celular; en ese momento quedan independientes las dos células hijas, aunque unidas por la placa celular, que pasará a constituir la lámina media de la pared celular de ambas. En las células animales se empieza a formar un surco en la periferia celular que poco a poco va estrangulando la zona ecuatorial hasta que acaba dividiendo a la célula madre en dos células hijas.

Citocinesis en células animales

Se realiza por estrangulamiento del citoplasma. Comienza al final de la anafase. La membrana se invagina a nivel del plano ecuatorial del huso, formando un anillo contráctil interno que se va haciendo cada vez más pequeño, estrangulando así la célula. Este anillo está formado por polímeros de actina unidos a la cara interna de la membrana por moléculas de miosina.

Citocinesis en células vegetales

Se produce por la agrupación ordenada (debido a la orientación de microtúbulos) en el plano ecuatorial de la célula de muchas vesículas procedentes del aparato de Golgi. La estructura formada por estas vesículas y los microtúbulos se llama fragmoplasto. Las vesículas se funden dando lugar a la placa ecuatorial temprana que por acreción de más vesículas lega a dividir a la célula. Del mismo modo a partir de las membranas de las vesículas se forman las de las dos células hijas. Los poros que presenta la placa celular quedan puentes de comunicación citoplasmáticos llamados plasmodesmos. Las vesículas tienen un alto contenido en hemicelulosa y pectina que dan lugar a la lámina media que más tarde añadirá celulosa formando la pared celular.
































MEIOSIS



El proceso de la mitosis asegura que no se produzca ningún cambio en el número de cromosomas de las células hijas con respecto a la célula madre. De este modo una célula madre con 2n cromosomas origina dos células hijas con 2n cromosomas también. En los organismos con reproducción sexual se forma un zigoto o célula embrionaria por fertilización entre los gametos masculino y femenino. Si estos gametos se formaran por un proceso mitótico, el zigoto resultante tendría doble número de cromosomas que los organismos progenitores, es decir, 4n cromosomas. Este zigoto, al dividirse (por mitosis) y crecer daría lugar a un organismo que tendría en todas sus células 4n cromosomas. Esto contradice la evidencia de que el número de cromosomas permanece constante en una especie a lo largo de generaciones. Debe existir por tanto un mecanismo que reduzca el número de cromosomas a la mitad en el momento en que se forman los gametos o células reproductoras. Este mecanismo es la meiosis.

Se puede definir meiosis como el proceso por el que los cromosomas son separados en las células sexuales y su número reducido de la condición de diploide (2n) a la de haploide (n). La meiosis completa consta de dos divisiones sucesivas de la célula madre de las cuales sólo la primera es reduccional, mientras que la segunda es mitótica normal. Las dos pueden dividirse, con un fin puramente descriptivo, en las mismas fases que la mitosis, de las cuales difiere bastante poco.

1ª división: es una división reduccional. A partir de una célula madre 2n se obtienen dos células hijas con n cromosomas. Se divide en:
a. Profase I: en general, los procesos que ocurren son semejantes a los de la profase mitótica: desaparece la membrana nuclear, se separan los centríolos formándose entre ellos el huso acromático y los cromosomas se hacen visibles como filamentos constituidos por dos cromátidas. La gran diferencia es que en la profase I meiótica se produce un apareamiento de cromosomas homólogos, se adosan longitudinalmente uno contra otro, llegando incluso a enroscarse entre sí. Este fenómeno se denomina sinapsis y su importancia va más allá del simple apareamiento, puesto que es posible que un fragmento de un cromosoma se intercambie con el mismo fragmento del cromosoma homólogo, hecho que se llama entrecruzamiento y que lleva consigo un intercambio de información genética, es decir, una recombinación genética que redunda en un significativo aumento de la variabilidad genética. El conjunto de los dos cromosomas homólogos apareados, cada uno con sus dos cromátidas, recibe el nombre de tétradas.
b. Metafase I: es semejante a la metafase mitótica salvo por el hecho de que los cromosomas que se colocan en el plano ecuatorial de la célula formando la estrella madre son en realidad parejas de cromosomas homólogos, es decir, tétradas de cromátidas.
c. Anafase I: se diferencia de la anafase mitótica en que lo que se separan no son las cromátidas de un mismo cromosoma sino los dos cromosomas homólogos, formados cada uno por dos cromátidas. Es en este momento cuando se produce, por tanto, la reducción cromosómica, ya que a cada polo de la célula sólo va a ir una mitad de cromosomas, pero no una mitad cualquiera sino exactamente un cromosoma de cada pareja de homólogos. La separación de los cromosomas es al azar, es decir no se puede prever qué cromosoma irá a uno u otro polo de la célula. Este hecho constituye otra fuente de variabilidad genética importante.
d. Telofase I: se forman las membranas nucleares alrededor de los dos núcleos hijos y se produce la citocinesis o división del citoplasma. Cada célula hija recibe n cromosomas formados cada uno de ellos por dos cromátidas hermanas unidas.
2ª división: una vez terminada la 1ª división meiótica, se produce una breve interfase en la que no hay síntesis de ADN. Los cromosomas se descondensan un poco, pero enseguida se condensan de nuevo y empieza la segunda división meiótica, que es similar a una mitosis normal salvo por el hecho de que el número de cromosomas es la mitad (n) que el de una célula normal (2n).



El significado biológico de la meiosis es producir células haploides, a partir de células diploides, llamadas gametos necesarias para la reproducción sexual. Y, además, aumenta la variabilidad genética por la recombinación genética y el reparto de cromosomas. En resumen la meiosis:

Reduce el número de cromosomas a la mitad, permitiendo la formación de células reproductivas o gametos necesarios para la fecundación.

Aumenta la variabilidad genética por el entrecruzamiento cromosómico que tiene lugar durante la profase I, en donde se produce la recombinación o intercambio de segmentos entre los cromosomas homólogos paternos y maternos y por el reparto al azar de los cromosomas homólogos paternos y maternos en la metafase I.






















UNIDAD VIII: GENÉTICA (MOLECULAR Y MENDELIANA)

Teoría cromosómica de la herencia, hoy día puede resumirse en los siguientes postulados:

  • Los factores (genes) que determinan los factores hereditarios del fenotipo se localizan en los cromososmas.
  • Cada gen ocupa un lugar específico o locus (en plural es loci) dentro de un cromosoma concreto.
  • Los genes (o sus loci) se encuentran dispuestos linealmente a lo largo de cada cromosoma, la distancia entre genes se mide en centimorgan (cM).
  • Los genes alelos (o factores antagónicos) se encuentran en el mismo locus de la pareja de cromosomas homólogos, por lo que en los organismos diploides cada carácter está regido por una par de genes alelos.

Conservación y expresión de la información genéticaEditar

Dos problemas que se plantearon, una vez conocida la estructura del ADN: la transmisión de la información genética a la siguiente generación y cómo se expresa dicha información genética en los seres vivos. La respuesta constituye lo que hoy se llama el dogma central de la biología:

  • El ADN es capaz de autoduplicarse antes de una división celular mediante un proceso de replicación.
  • El ADN expresa su información a través de una molécula ARN que forma en un proceso llamado transcripción. Más tarde los ARN transmiten a una secuencia de aminoácidos de una proteína en el proceso denominado traducción.
  • Este "dogma" se ha completado con dos nuevos procesos como son la transcripción inversa y la autorreplicación del ARN, ambos encontrados en ciertos grupos de virus que tienen como material genético ARN y no ADN.








REPLICACIÓN del ADN

La necesidad de que el material genético se autoduplique exactamente es la primera exigencia que debe cumplir. Ya en el modelo de Watson y Crick se planteaba la posibilidad de que las hebras de la doble hélice se separaran y cada una sirviera de matriz para formar la cadena complementaria. Este proceso recibió el nombre de replicación.

Tal y como se había descrito hasta ese momento debía ser semiconservativo, es decir, cada doble hélice de ADN resultante sólo llevaba una de las dos hebras del ADN original, mientras que la complementaria era de nueva formación.

El proceso de replicación es similar tanto en los organismos procariotas como en los eucariotas, pero es en los primeros donde más se conocen los detalles; en concreto la más estudiada es la replicación en E.coli. Es un proceso complejo en el que intervienen más de 50 proteínas distintas agrupadas en complejos multienzimáticos. El enzima principal se denomina ADN-polimerasa. Básicamente este enzima realiza dos funciones:

- Recorre las hebras del molde y selecciona en cada momento el desoxirribonucleótido-trifosfato que tenga la base complementaria (G-C, A-T). Una vez localizado, la ADN-polimerasa cataliza su hidrólisis separando un grupo pirofosfato (P-P) y uniendo el resto (desoxirribonucleótido-monofosfato) a la cadena de ADN que se está formando mediante un enlace fosfodiéster. La energía necesaria para esta unión se obtiene de la hidrólisis del grupo pirofosfato. Ésta es la función polimerizadora de la ADN-polimerasa.
- La ADN-polimerasa es también autocorrectora ya que después de unir cada nucleótido comprueba si se han producido errores antes de incorporar el nucleótido siguiente. Si detecta un error, elimina el último nucleótido colocado y lo sustituye por el correcto.

Sin embargo la ADN-polimerasa debe resolver dos problemas relacionados con su actividad catalítica:

- La ADN-polimerasa es capaz de ir leyendo las hebras que actúan de molde en sentido 3'--5' y va sintetizando la nueva cadena en sentido 5'--3'. Esta última hebra recibe el nombre de hebra conductora. Sin embargo, la hebra molde complementaria discurre en sentido antiparalelo, es decir, 5'--3' y la ADN-polimerasa es incapaz de leerla en ese sentido. Para solucionar este problema, la ADN-polimerasa sintetiza pequeños fragmentos de ADN llamados fragmentos de Okazaki que crecen en sentido 5'--3' igual que la hebra conductora y más tarde se unen para formar la hebra completa, que en este caso se llama hebra retardada porque se sintetiza más lentamente.
- Otro problema que plantea la actividad catalítica de la ADN-polimerasa es que es incapaz de iniciar por sí sola la síntesis de una nueva cadena de ADN y necesita un corto fragmento de ARN, llamado ARN‑cebador, que actúe como iniciador de las réplicas y que se elimina posteriormente del ADN formado.

En resumen, el proceso completo de la replicación del ADN en E. coli es el siguiente:

-   El paso previo para que pueda actuar la ADN-polimerasa es el desenrrollamiento y apertura de la doble hélice de ADN. La separación de las cadenas comienza en puntos concretos llamados puntos de iniciación. A partir de ellos se van separando las dos hebras de ADN formando la llamada burbuja de replicación. Los dos extremos de la burbuja por donde continúa la separación reciben el nombre de horquillas de replicación.
- La síntesis de las cadenas complementarias comienza con la síntesis del ARN cebador que es una corta cadena de ARN con una secuencia complementaria de una de las porciones de las hebras del ADN y frente a la cual se coloca. En la hebra que tiene el sentido 3'-5' la ADN-polimerasa va colocando nucleótido tras nucleótido a continuación del ARN cebador. Esta hebra complementaria que va creciendo en sentido 5'--3' es la hebra conductora. En la hebra opuesta del ADN original no se puede realizar el mismo proceso porque discurre en sentido 5'-3'. Por tanto, a continuación del ARN cebador se coloca un fragmento de Okazaki y, después de éste, un nuevo ARN cebador seguido de otro fragmento de Okazaki.
- En este momento actúa una ribonucleasa que elimina el ARN cebador que está entre dos fragmentos de Okazaki. El hueco que queda es rellenado por la ADN-polimerasa. El proceso continuaría con la colocación de un nuevo ARN cebador, otro fragmento de Okazaki, eliminación del ARN cebador y llenado del hueco por la ADN-polimerasa. Y así sucesivamente. La hebra que se sintetiza de esta manera es la retardada y crece en sentido 3'-5'.
- La replicación llevada a cabo por la ADN-polimerasa es un proceso muy exacto, sobre todo por su actividad autocorrectora. Sin embargo, aún así se produce un error de apareamiento de bases por cada 107 pares de bases. En una bacteria esto podría resultar suficiente debido a que su cromosoma sólo posee 3·103 pares de bases. Sin embargo en el ADN humano existen 3·109 pares de bases y durante el desarrollo embrionario, a partir del zigoto el ADN humano se duplica 1015 veces, por lo que la información genética pronto se perdería. Para aumentar más todavía la perfección de la replicación del ADN existe un complejo enzimático que detecta el nucleótido mal emparejado, lo elimina y regenera la secuencia correcta. De este modo se logra alcanzar una perfección de un error cada 1010 pares de bases. Este proceso se conoce con el nombre de corrección postreplicativa.



























TRANSCRIPCIÓN

Otra de las exigencias que debe cumplir el material genético es que sea capaz de transmitir la información que contiene al resto de la célula. Como el material genético es ADN y éste se encuentra en los cromosomas, dentro del núcleo, debe existir una molécula que transporte esta información desde el núcleo hasta el citoplasma atravesando la envoltura nuclear. Esta molécula es el ARNm. Además, a partir del ADN también deben sintetizarse los restantes tipos de ARN. El proceso de síntesis de ARN a partir del ADN se denomina transcripción genética. El enzima encargado de llevar a cabo este proceso la ARN-polimerasa que cataliza la unión de los ribonucleótidos-trifosfato (ATP, GTP, CTP y UTP) según una secuencia determinada; para ello utiliza como molde o patrón una de las dos cadenas del segmento de ADN (un gen) que se va a transcribir. La secuencia de ARN transcrito es complementaria de una de las dos cadenas del gen salvo por el hecho de que la base complementaria de la A es el U. En el caso del ARNm, su síntesis transcurre en 4 etapas:

1. Iniciación: en todos los genes hay una secuencia característica denominada promotor que indica dónde debe empezar la síntesis del ARNm y cuál de las dos hebras del ADN debe ser transcrita.
2. Elongación: después de unirse al promotor, la ARN-polimerasa se acopla a una de las cadenas del ADN y desenrolla aproximadamente una vuelta de hélice, con lo que queda al descubierto la hebra de ADN que actuar como patrón. El enzima se desplaza por la hebra patrón de ADN en sentido 3'--5', mientras que la cadena de ARNm se va formando en sentido 5'-3' conforme se añaden nucleótidos. A medida que el enzima se desplaza, el ADN recupera su configuración inicial de doble hélice.
3. Terminación: la ARN-polimerasa sigue añadiendo ribonucleótidos hasta que se encuentra con la señal de terminación, lo que marca el final de la síntesis del ARN, cuya cadena recién formada se libera en forma de una sola hebra, aunque en algunos casos, cuando presenta secuencias autocomplementarias, adopta estructura secundaria.
4. Maduración: en los procariotas los genes son continuos, no tienen intrones, por lo que las moléculas de ARNm no necesitan ningún tipo de transformación previa a la traducción por los ribosomas. Sin embargo, los ARNt y ARNr no se sintetizan como tales, sino que provienen de moléculas de ARN, llamado ARN transcrito primario, que precisan un proceso de maduración.

La transcripción en eucariotas presenta dos diferencias fundamentales respecto a la de procariotas:

a. Los genes están fragmentados, poseen intrones y exones, por lo que todos los ARN necesitan un proceso de maduración a partir del ARN transcrito primario.

b. Existen tres clases de ARN-polimerasa diferentes, cada una de las cuales cataliza la síntesis de un ARN distinto. La que sintetiza el ARNm es la ARN‑polimerasa II.






































MADURACIÓN

Los ARNm transcritos primarios contienen secuencias intercaladas (las que corresponden a los intrones) que no codifican ningún péptido, por lo que deben ser eliminadas. Esto se realiza mediante cortes entre los intrones y los exones: los primeros se enrollan en lazos y se eliminan, mientras que los segundos se empalman y forman una molécula de ARNm que contiene los nucleótidos necesarios para sintetizar la proteína.



TRADUCCIÓN

La traducción es el proceso mediante el cual se sintetiza una proteína a partir de un ARNm que, previamente, se ha transcrito en un gen del ADN. Tiene lugar en los ribosomas, por tanto en el seno del citoplasma. Para que la información contenida en la secuencia de bases del ARNm sea traducida a una secuencia de aminoácidos de una proteína debe existir una molécula intermediaria que solucione dos problemas:

  • Para que cada aminoácido se coloque en su triplete correspondiente del ARNm es preciso que dicho triplete sea descodificado.
  • El tamaño molecular de un triplete de nucleótidos es mucho mayor que el de un aminoácido.

Esta molécula intermediaria es el ARNt y su funcionamiento durante la traducción se debe fundamentalmente a su estructura secundaria en forma de hoja de trébol. Se presenta doblado dispuesto en 4 brazos formados por dobles cadenas de ARN enfrentadas y unidas por sus bases por puentes de Hidrógeno, y tres bucles en los extremos de estos brazos que no tienen sus nucleótidos apareados. El brazo que no tiene bucle presenta en su cadena más larga (extremo 3') siempre el triplete CCA que es el que sujeta al aminoácido precisamente por la A. El bucle del brazo opuesto posee un triplete de anclaje que es complementario de un triplete del ARNm. Estos dos tipos de tripletes reciben distintos nombres: el del ARNm se llama codón y el correspondiente del ARNt anticodón. Cada molécula de ARNt es específica de cada aminoácido, de tal manera, que según el anticodón de anclaje que posea, sujeta por el triplete CCA a uno u otro aminoácido de los que existen libres en el citoplasma de la célula. La fijación de un aminoácido al triplete CCA del ARNt exige una previa activación de dicho aminoácido por una molécula de ATP que libera un grupo pirofosfato y se precisa la intervención de un enzima, la aminoacil-ARNt-sintetasa, específico de cada aminoácido. El complejo aminoácido-ARNt unido recibe el nombre de complejo de transferencia y constituye la forma en que los aminoácidos son transportados y unidos para formar las cadenas de proteínas.

Por ejemplo el triplete que codifica el aminoácido Metionina (Met) es AUG. Cuando en una posición determinada de una proteína debe colocarse una Met, en el ARNm aparece el triplete (codon) AUG. Sobre este codon sólo podrá colocarse aquel ARNt que posea un triplete (anticodon) complementario, es decir UAC. Dicho ARNt llevar en el otro extremo de su molécula, unido al triplete CCA el aminoácido Met que habrá sido unido por el enzima Metionil-ARNt-sintetasa formando un complejo de transferencia con Met (representado por ARNtMet).

Tanto en los procariotas como en los eucariotas, el mecanismo de la síntesis de proteínas se puede considerar dividido en tres etapas sucesivas: iniciación, elongación y terminación.

1. Iniciación de la síntesis de proteínas: hacen falta dos señales de iniciación para que comience la síntesis de proteínas: el triplete iniciador AUG, que codifica la Metionina, y la caperuza de metil-GTP del ARNm, de tal manera que la traducción comienza por el triplete AUG más próximo a la caperuza. Con la energía que produce la hidrólisis del metil-GTP la subunidad menor del ribosoma se une al ARNm en la zona próxima a la caperuza (extremo 5'), formando el complejo de iniciación, y se coloca el ARNt iniciador, que está cargado con el aminoácido Metionina y posee el anticodon complementario al AUG (por ello, todas las proteínas recién sintetizadas poseen metionina en su extremo N-terminal; después, en muchos casos, esta Met se elimina). Al final de esta etapa de iniciación la subunidad mayor del ribosoma se acopla con el complejo de iniciación para formar un ribosoma completo dotado de dos hendiduras o sitios de fijación: el sitio P, que queda ocupado por el ARNtMet, y el sitio A, que está libre para recibir a un segundo ARNt cargado con su correspondiente aminoácido.
2. Elongación de la cadena polipeptídica: consiste en la unión de sucesivos aminoácidos que se van añadiendo a la cadena polipeptídica en el seno de los ribosomas. Puede considerarse como la repetición de ciclos de elongación, cada uno de los cuales consiste en añadir un nuevo aminoácido. Cada ciclo de elongación consta de tres fases:
a. Primera fase: el sitio P está ocupado inicialmente por el ARNtMet y en el sitio A, que está vacío, se introduce el ARNt cargado con su correspondiente aminoácido, cuyo anticodon es complementario al triplete siguiente al AUG (en el esquema ACU); se aloja por tanto el ARNt con el anticodon UGA, que lleva la Treonina (ARNtThr).
b. Segunda fase: la Metionina, que está unida por su grupo carboxilo al ARNt, rompe este enlace y se une, mediante enlace peptídico, al grupo amino de la Treonina, que, a su vez, está enlazada a su ARNt. El resultado es la formación de un dipéptido (Met-Thr) unido al ARNt de la Treonina y alojado en el sitio A.
c. Tercera fase: el ribosoma se desplaza a lo largo del ARNm exactamente 3 nucleótidos en sentido 5'--3'. Esto provoca la expulsión del ARNt de la Met del sitio P, mientras que el ARNt de la Treonina, junto con el dipéptido que lleva unido, pasan del sitio A al sitio P, dejando vacío el primero, con lo que se vuelve a la primera fase y se inicia otro ciclo de elongación que, en el esquema corresponde a la Fenilalanina (Phe).
3. Terminación de la síntesis de proteínas: la síntesis de la cadena polipeptídica se detiene cuando aparece, durante la tercera fase de un ciclo de elongación, en el sitio A uno de los tres codones de terminación en el ARNm (UAA, UAG o UGA). En este momento un factor proteico de terminación (RF) se une al codon de terminación e impide que algún complejo de transferencia se aloje en el sitio A, con lo que al desplazarse el ribosoma queda libre el extremo C-terminal de la proteína, y por tanto la proteína misma, habiendo terminado su síntesis.



' El Código Genético



El moderno concepto de información genética establece que un gen es un fragmento de ADN que contiene la información necesaria para la síntesis de una proteína. Dado que la información genética está contenida en secuencias de bases nitrogenadas, es preciso transformar esta información en cadenas de aminoácidos para formar las proteínas. Como los ácidos nucleicos están formados por 4 clases de nucleótidos mientras que las proteínas están formadas por 20 aminoácidos, es necesario establecer una correlación entre las bases y los aminoácidos para averiguar de qué modo la información contenida en el ADN es capaz de ordenar la síntesis de una determinada proteína (código genético). Así, si a cada aminoácido correspondiese un solo nucleótido entonces sólo se podrían codificar 4 aminoácidos (41 = 4). Si, en cambio, fuesen dos los nucleótidos tampoco serían suficientes, pues sólo se podrían codificar 16 aminoácidos (42 = 16). En cambio, las combinaciones de 3 nucleótidos (43 = 64) si dan para codificar a los 20 aminoácidos, sobrando combinaciones (código degenerado). Se puede imaginar según esto que el ADN formado por una sucesión de grupos de 3 nucleótidos, llamados tripletes, correspondiente cada uno a un aminoácido.

Este planteamiento teórico ha sido demostrado experimentalmente y, efectivamente, el código de cada aminoácido está contenido en un triplete o en varios de nucleótidos del ADN. Este código que asocia a cada aminoácido un grupo de 3 nucleótidos se denomina código genético. Se considera que es degenerado porque existen más tripletes que aminoácidos hay para codificar, y universal ya que sin apenas variaciones es utilizado por todos los seres vivos, aunque con la excepción de las mitocondrias, que utilizan un código genético ligeramente diferente para traducir la información contenida en sus pequeños cromosomas circulares.

En este punto de las investigaciones, el siguiente problema era establecer qué triplete correspondía a cada aminoácido. Esto se logró gracias a un enzima descubierto en 1955 por Severo Ochoa, la polinucleótido-fosforilasa, que cataliza la síntesis de polinucleótidos. Esta síntesis se puede realizar en presencia de cualquiera de los nucleótidos-fosfato que forman los ácidos nucleicos. Si en el medio de la reacción sólo existen, por ejemplo, nucleótidos de U, el enzima sintetiza un ácido nucleico con U como única base nitrogenada (poli-U). Con este enzima y la bacteria E.coli Niremberg consiguió empezar a descifrar el código genético; usando poli-U como ARNm la bacteria sintetizaba proteínas formadas únicamente por el aminoácido fenilalanina (Phe), por lo que su código debía ser forzosamente UUU. Del mismo modo se estableció que el código de la Pro era CCC, el de la Lys AAA y el de la Gly GGG. Para tripletes con bases nitrogenadas distintas el proceso es mucho más complicado, pero finalmente se ha llegado a establecer el código genético completo, sabiéndose actualmente el significado de los 64 tripletes.

El código genético presenta las siguientes características:

-Universalidad: el código genético es compartido por todos los organismos conocidos, incluyendo a los virus. Por ejemplo, el codón UUG codifica para todos los seres vivos el aminoácido leucina. Este hecho indica que el código ha tenido un solo origen evolutivo. También se ha descubierto algunas excepciones a este código en las mitocondrias y algunos protozoos que presentan ciertas diferencias.
-Degenerado: indica que salvo metionina y triptófano todos los aminoácidos están codificados por más de un codón (codones sinónimos). Este hecho es una ventaja ya que en el caso de que se produzca alguna mutación que afecte a alguna base del codón no tiene por qué alterar el orden de los aminoácidos que forman la proteína.
-Perfecto: quiere decir que no hay ningún codón que codifique más de un aminoácido. Si fuese lo contrario conllevaría graves problemas pues a partir de un mismo gen se sintetizarían proteínas diferentes.
-Sin solapamientos: los tripletes de bases se hallan dispuestos en los codones de forma lineal y continua, sin que entre ellos existan espacios y sin que se compartan bases. Su lectura, además, se hace en un solo sentido (5´-3´) desde el codón inicial hasta el que indica su final.




GENÉTICA MENDELIANA



Conceptos básicos de herencia biológica
Gen: Unidad hereditaria que controla cada carácter en los seres vivos. A nivel molecular corresponde a una sección de ADN, que contiene información para la síntesis de una cadena proteínica.
Alelo. Cada una de las alternativas que puede tener un gen de un carácter. Por ejemplo el gen que regula el color de la semilla del guisante, presenta dos alelos, uno que determina color verde y otro que determina color amarillo. Por regla general se conocen varias formas alélicas de cada gen; el alelo más extendido de una población se denomina "alelo normal o salvaje", mientras que los otros más escasos, se conocen como "alelos mutados".
Locus: es el lugar que ocupa cada gen a lo largo de un cromosoma (el plural es loci).
Homocigoto. Individuo que para un gen dado tiene en cada cromosoma homólogo el mismo tipo de alelo, por ejemplo, AA o aa Homocigoto: aquel organismo que para un determinado gen tiene los dos alelos iguales (AA o aa). Y heterocigoto cuando para un mismo gen tiene en cada cromosoma homólogo un alelo distinto, por ejemplo, Aa.
Genotipo: es el conjunto de genes que contiene un organismo heredado de sus progenitores. En organismos diploides, la mitad de los genes se heredan del padre y la otra mitad de la madre. En cambio, fenotipo es la manifestación externa del genotipo, es decir, la suma de los caracteres observables en un individuo. El fenotipo es el resultado de la interacción entre el genotipo y el ambiente.
Herencia dominante y recesiva: es aquella que en heterocigosis se expresa, es decir cuando están presentes los dos alelos (Aa) el carácter dominante es el que se expresa. Por lo tanto, se dice herencia recesiva a la que no se expresa en heterocigosis.
Herencia intermedia: es aquel tipo de herencia que en heterocigosis produce un carácter intermedio entre los dos puros; por ejemplo, si el alelo A da blanco y el b rojo, cuando el individuo es Aa manifiesta rosa. En cambio, se habla de codominancia cuando los dos alelos se manifiestan al mismo tiempo en heterocigosis; por ejemplo en los grupos sanguíneos: si una persona es IAIB su fenotipo será AB. 






Las leyes de Mendel



Primera ley de Mendel

A esta ley se le llama también ley de la uniformidad de los híbridos de la primera generación (F1). Dice que cuando se cruzan dos variedades de raza pura (homocigotos) para un determinado carácter, todos los híbridos de la primera generación son iguales.

           Mendel llegó a esta conclusión trabajando con una variedad pura de plantas de guisantes que producían las semillas amarillas y con una variedad que producía las semillas verdes. Al hacer un cruzamiento entre estas plantas, obtenía siempre plantas con semillas amarillas.

El polen de la planta progenitora aporta a la descendencia un alelo para el color de la semilla, y el óvulo de la otra planta progenitora aporta el otro alelo para el color de la semilla; de los dos alelos, solamente se manifiesta aquél que es dominante (A), mientras que el recesivo (a) permanece oculto. La primera ley de Mendel se cumple también para el caso en que un determinado gen de lugar a una herencia intermedia y no dominante, como es el caso del color de las flores del "dondiego de noche" (Mirabilis jalapa). Al cruzar las plantas de la variedad de flor blanca con plantas de la variedad de flor roja, se obtienen plantas de flores rosas. La interpretación es la misma que en el caso anterior, solamente varía la manera de expresarse los distintos alelos.

Segunda ley de Mendel

           También se le llama de la separación o disyunción de los alelos. Mendel tomó plantas procedentes de las semillas de la primera generación (F1) del experimento anterior y las polinizó entre sí. Del cruce obtuvo semillas amarillas y verdes en la proporción de 3:1. Así pues, aunque el alelo que determina la coloración verde de las semillas parecía haber desaparecido en la primera generación filial, vuelve a manifestarse en esta segunda generación.

Los dos alelos distintos para el color de la semilla presentes en los individuos de la primera generación filial, no se han mezclado ni han desaparecido, simplemente ocurría que se manifestaba sólo uno de los dos. Cuando el individuo de fenotipo amarillo y genotipo Aa, forme los gametos, se separan los alelos, de tal forma que en cada gameto sólo habrá uno de los alelos y así puede explicarse los resultados obtenidos. En el caso de los genes que presentan herencia intermedia, también se cumple el enunciado de la segunda ley. Si tomamos dos plantas de flores rosas de la primera generación filial (F1) y las cruzamos entre sí, se obtienen plantas con flores blancas (1/4), rosas (1/2) y rojas (1/4). También en este caso se manifiestan los alelos para el color rojo y blanco, que permanecieron ocultos en la primera generación filial.

Retrocruzamiento de prueba

           En el caso de los genes que manifiestan herencia dominante, no existe ninguna diferencia aparente entre los individuos heterocigóticos (Aa) y los homocigóticos (AA), pues ambos individuos presentarían un fenotipo amarillo. La prueba del retrocruzamiento, o simplemente cruzamiento prueba, sirve para diferenciar el individuo homo del heterocigótico y consiste en cruzar el fenotipo dominante con la variedad homocigota recesiva (aa). Si es homocigótico, toda la descendencia será igual, en este caso se cumple la primera Ley de Mendel y si es heterocigótico, en la descendencia volverá a aparecer el carácter recesivo en una proporción del 50%.



Tercera ley de Mendel

Se conoce esta ley como la de la herencia independiente de caracteres, y hace referencia al caso de que se contemplen dos caracteres distintos. Cada uno de ellos se transmite siguiendo las leyes anteriores con independencia de la presencia del otro carácter. Mendel cruzó plantas de guisantes de semilla amarilla y lisa con plantas de semilla verde y rugosa (homocigóticas ambas para los dos caracteres). Las semillas obtenidas en este cruzamiento eran todas amarillas y lisas, cumpliéndose así la primera ley para cada uno de los caracteres considerados, y revelándonos también que los alelos dominantes para esos caracteres son los que determinan el color amarillo y la forma lisa. Las plantas obtenidas y que constituyen la F1 son dihíbridas (AaBb). Estas plantas de la F1 se cruzan entre sí, teniendo en cuenta los gametos que formarán cada una de las plantas son todos los posibles. Se puede apreciar, por tanto que los alelos de los distintos genes se transmiten con independencia unos de otros, ya que en la segunda generación filial F2 aparecen guisantes amarillos y rugosos y otros que son verdes y lisos, combinaciones que no se habían dado ni en la generación parental (P), ni en la filial primera (F1). Del mismo modo, los resultados obtenidos para cada uno de los caracteres considerados por separado, responden a la segunda ley.







































Determinismo de sexo y herencia ligada al sexo

           La sexualidad se reúne en unos cromosomas especiales llamados cromosomas sexuales o heterocromosomas. En todas las células de un individuo, excepto en los gametos, existen dos series de cromosomas, que forman parejas de homólogos, es decir su dotación cromosómica, que representamos por 2n. Al agrupar estas parejas de homólogos existe un par de cromosomas que es diferente según estemos estudiando una hembra o un macho. Estos dos cromosomas que pueden ser identificados por su forma y tamaño, como pertenecientes a uno de los dos sexos, se denominan cromosomas sexuales, mientras que los restantes pares de cromosomas homólogos, que son iguales en tamaño y forma para ambos sexos de una misma especie, se denominan autosomas. Los cromosomas sexuales se han denominado X e Y. En los mamíferos, las células de los individuos machos contienen un pan Xy y las células de las hembras por un par XX. En la especie humana, cuya dotación cromosómica es de 46 cromosomas, cada célula somática contiene 22 pares de autosomas más un par XX si se trata de una mujer y 22 pares de autosomas y un par XY si se trata de un varón.

La determinación sexual queda marcada en el momento de la fecundación y viene fijada por el tipo de gametos que se unen. Las mujeres sólo producirán un tipo de óvulo con 22 autosomas y un cromosoma sexual X, mientras que los varones formarán dos tipos de espermatozoides, el 50% portadores de un cromosoma X y el 50% portadores de un cromosoma y. Al ser la fecundación producto del azar, un óvulo puede unirse a cualquiera de los tipos de espermatozoides que se han producido, por lo que en la mitad de los casos se formarán hembras y en otro 50% se formarán machos.













Herencia ligada al sexo

En la especie humana los cromosomas X e Y presentan diferencias morfológicas (el Y es más pequeño que el X) y tienen distinto contenido génico. Están compuestos por un segmento homólogo donde se localizan genes que regulan los mismos caracteres y otro segmento diferencial, en este último se encuentran tanto los genes exclusivos del X , caracteres ginándricos, como los del cromosoma Y, caracteres holándricos. Los caracteres cuyos genes se localizan en el segmento diferencial del cromosoma X, como daltonismo y hemofilia están ligados al sexo.

El daltonismo consiste en la incapacidad de distinguir determinados colores, especialmente el rojo y el verde. Es un carácter regulado por un gen recesivo localizado en el segmento diferencial del cromosoma X. Los genotipos y fenotipos posibles son:

MUJER

HOMBRE

XDXD: visión normal

XDY : visión normal

XDXd: normal/portadora

XdY : daltónico

XdXd:daltónica

La hemofilia se caracteriza por la incapacidad de coagular la sangre, debido a la mutación de uno de los factores proteicos. Igual que en el daltonismo, se trata de un carácter recesivo, y afecta fundamentalmente a los varones ya que las posibles mujeres hemofílicas Xh Xh no llegan a nacer, pues esta combinación homocigótica recesiva es letal en el estado embrionario. Los genotipos y fenotipos posibles son:




MUJER

HOMBRE

XHXH: normales

XHY: normal

XHXh: normal/portadora

XhY: hemofílico

XhXh:hemofílica (no nace)


EJERCICIOS



Para la resolución de problemas de genética es aconsejable seguir, de forma general, las siguientes pautas:



a. Leer detenidamente el enunciado del problema y plantearlo.

b. Distinguir entre fenotipo y genotipo, dominante y recesivo y el tipo de herencia al que se refiere (independiente, intermedia o ligada al sexo con uno o dos caracteres).
c. A continuación de plantear el problema se pasa a indicar las letras apropiadas, teniendo en cuenta que al carácter dominante se le pone la mayúscula y al recesivo la misma letra pero minúscula. Se comienza por lo padres, sus alelos y gametos y se hallan los hijos.
d. La probabilidad de un suceso (por ejemplo, descendientes verdes) es conveniente indicarla en fracciones (Pverdes / Ptotal) y no en porcentajes. Se pueden dar tres casos:
            -Probabilidad de dos o más hechos que se tienen que dar obligatoriamente: se indica con la letra y (por ejemplo, probabilidad de tener semillas verdes y amarillas) y se calcula multiplicando la probabilidad de cada hecho (Pverde X Pamarillo).
            -Probabilidad de que ocurran dos o más sucesos pero de forma independiente: se denota con la letra o (por ejemplo, obtener descendientes verdes o amarillos) y se calcula sumando las probabilidades de cada caso (Pverde + Pamarillo).
            -Probabilidad de que al menos se dé un determinado caso (por ejemplo, tener al menos un descendiente verde): se calcula restando a 1 la probabilidad de todos los casos contrarios (1 – Pamarillos). 












Modelos de ejercicios



a. Primera y segunda leyes de Mendel



Ejercicios resueltos

Una pareja formada por dos individuos de pelo rizado que no utilizan peluca y heterozigóticos ¿qué probabilidad tienen de tener un descendiente de pelo liso si se conoce que el pelo rizado (R) domina sobre el liso (r)?

a. Primero se determinan los alelos:

Pelo rizado (R) domina sobre pelo liso (r)

b. Luego se indican los padres:

P0 pelo rizado heterozigótico x pelo rizado heterozigótico

Rr Rr

c. Después se hallan los gametos

G0 R y r R y r

d. Más tarde se hallan los hijos

F1 RR(p.rizado), Rr(p.rizado), Rr (p.rizado), rr(p.liso)

e. Por último, se contesta a la pregunta: la probabilidad de tener un descendiente de pelo liso es de 1/4.  



Las plumas sedosas (a) del pollo son recesivas respecto de las plumas normales (A). Si un determinado cruzamiento da 9 pollos de alas normales y 3 sedosas, deducir el genotipo de los padres.

a. Primero se determinan los alelos:

                        plumas normales (A) domina sobre plumas sedosas (a)

Luego se indican los padres:

                        Para ello hay que ver la proporción de hijos que sale: 9/12 con plumas normales (es decir, 3/4) y 3/12 con p.sedosas (es decir 1/4) y compararla con las obtenidas por Mendel en sus leyes. Se aprecia que es igual que la 2ª ley. Por lo tanto los padres serán híbridos dominantes:
                        P0 a. pluma normal híbrido    x    pluma normal híbrido
                     Aa                         Aa

c. Para comprobar si son los padres se hallan los gametos

G0 A y a A y a

d.Por último, se hallan los hijos:
                        F1  AA (p. normal), Aa (p. normal), Aa (p. normal) y aa (p. sedosa).
      Como se aprecia sale 1/4 plumas normales y 1/4 de p. sedosas, que son las proporciones indicadas por lo que se puede concluir que los padres son los propuestos.



Ejercicios propuestos
1. Si el carácter liso (R) domina sobre el rugoso (r), indica la probabilidad de obtener descendientes rugosos al cruzar dos plantas híbridas lisas.
2. En los ratones el pelaje negro (A) domina sobre el blanco (a). Si se cruzan dos ratones heterozigóticos negros, indica la probabilidad de obtener algún descendiente blanco.
3. Se considera que el Rh+ (R) es dominante frente al negativo (r). Si una mujer Rh- se casa con un varón homozigótico Rh+, calcular la probabilidad de tener un hijo Rh-.
4. La miopía (M) es dominante frente al carácter normal (m). Una pareja formada por un hombre miope homozigótico que usa lentillas y una mujer normal ¿es posible que tengan hijos miopes?
5. Se sabe que el albinismo (a) es recesivo frente al carácter normal (A).
6. Determinar la probabilidad de tener un hijo sano una pareja formada por un padre normal pero híbrido y una mujer albina.
7. La acondroplasia (A) es una enfermedad humana de carácter dominante. Si dos personas acondroplásicas heterozigóticas tienen un hijo ¿qué será más probable, acondroplásico o normal?
8. Un determinado cruce da 100 individuos de color púrpura y 30 de color amarillo. Si se conoce que el color amarillo (a) es recesivo frente al púrpura (A). Determinar el genotipo y fenotipo de los padres que han dado los individuos antes indicados.



9. A partir del cruzamiento indicado










Razonar el genotipo de los padres y descendientes ¿Qué ley de Mendel se refiere este experimento? Haz una breve descripción de la misma.




b.  Herencia intermedia



Ejemplo resuelto

El carácter alas medianas es intermedio entre las alas largas (L) y cortas (C). Si se cruzan dos moscas de alas medianas qué proporción de moscas en la F1 se esperarán con alas cortas y largas.

a. primero se determinan los alelos:

ala corta (C)-ala mediana (CL)-ala larga (L)

b. Luego se indican los padres:

P0 ala mediana x ala mediana

CL CL

c. Después se hallan los gametos

G0 C y L C y L

d. Más tarde se hallan los hijos

F1 CC(a.corta),CL(a.mediana),CL(a.mediana), LL(a.larga)

e. Por último, se contesta a la pregunta:

                        Se esperarán 1/4 de moscas con alas cortas y otro 1/4 con alas largas.



Ejercicios propuestos
1. Se conoce que el carácter rosa es intermedio entre el rojo (R) y el blanco (B). Si se cruzan una planta rosa híbrida con otra roja ¿es posible obtener algún descendiente blanco.
2. Se conoce que el color de las alas grises es intermedio entre el blanco (B) y el negro (N). Calcular la descendencia que tendrían dos moscas de alas grises.
3. Si se sabe que el color rosa es un carácter intermedio entre el blanco (B) y el rojo (R), calcular cómo será la descendencia entre dos plantas rosas.
4. El pelo amarillo de los cobayos es dado por el genotipo homocigótico AA, el color crema por el AB y el blanco por el BB. Determinar: a) el tipo de herencia de que se trata b) las frecuencias fenotípicas esperadas del cruzamiento de dos cobayos crema.
5. El siguiente esquema representa un cruzamiento
Razona el genotipo de la F1 y a qué herencia hace referencia.

























c. Ejercicios de grupos sanguíneos



Ejemplo resuelto
Razonar si dos personas de grupo sanguíneo A pueden tener un hijo de otro grupo distinto si:
-Ambos son heterozigóticos.
-Uno de ellos es homozigótico y el otro es híbrido.
-Los dos son homozigóticos.

Para el primer caso

a. primero se determinan los alelos:

Consultando la tabla de grupos sanguíneos el grupo A puede ser IAIA (hozigótico) o IAi (heterozigótico)

b. Luego se indican los padres:

P0 grupo A heteroz. X grupo A heteroz.

IAi IAi

c. Después se hallan los gametos

G0 IA e i IA e i

d. Más tarde se hallan los hijos

F1 IAIA (grupo A), IAi (g.A), IAi (g.A) e ii (g.0)

Por último, se contesta a la pregunta: en este caso si es posible, pues existe 1/4 de probabilidades de obtener un hijo de grupo sanguíneo 0.



Ejercicios propuestos
1. Determinar la probabilidad de que una pareja formada por dos personas de grupo sanguíneo AB tengan un hijo del grupo A.
2. ¿Es posible que una persona de grupo sanguíneo AB y otra 0 tengan algún hijo A?
3. Calcular la probabilidad de que una pareja formada por dos individuos de grupo sanguíneo AB tengan un hijo B.
4. ¿Es posible que una pareja formada por dos individuos de grupo B heterozigóticos tengan algún hijo de grupo distinto al B sin que haya un mosqueo de consideración?




d. Ejercicios de Herencia del sexo



Ejercicio resuelto
¿Qué será más probable tener una hija o un hijo? Razona la respuesta.

a. Se indican los padres:

P0 Varón x mujer

Xy XX

b. Después se hallan los gametos

G0 X e y X

c. Más tarde se hallan los hijos

F1 XX (mujer) y Xy (varón)

d. Por último, se contesta a la pregunta:

                        Será igual de probable tener un hijo (1/2) o una hija (1/2).



e. Ejercicios de la Tercera Ley de Mendel



Ejercicio resuelto 
La miopía es debida a un gen dominante, al igual que el Rh+. Una mujer normal de Rh+ que es hija de un varón Rh-, se casa con un hombre miope heterozigótico miope y de Rh-. Razonar el genotipo y fenotipo de los hijos.

a. primero se determinan los alelos:

Miopía (M) domina Normal (m) y Rh+ (R) domina Rh- (r)

b. Luego se indican los padres:

P0 Mujer normal Rh+ (padre Rh-) x Varón miope heter. Rh-

mmRr Mnrr

c. Después se hallan los gametos

G0 mR y mr Mr y mr

d. Más tarde se hallan los hijos

F1      MmRr (miope Rh+), mmRr (normal Rh+), Mmrr (miope Rh-), mmrr (normal Rh-)
e. Por último, se contesta a la pregunta: 
La mitad de los hijos serán miopes y la otra mitad normales. Dentro de cada grupo existe la probabilidad de un 50% de ser Rh+ o -.



Ejercicios propuestos

1. El pelo oscuro y el color marrón de los ojos se consideran dominantes sobre el pelo claro y ojos azules. Un varón de estas características tiene dos hijos con una mujer de pelo claro y ojos azules; uno de los hijos tiene pelo claro y ojos marrones, y el otro ojos azules y pelo oscuro. ¿Cuál es la probabilidad de que un tercer hijo tenga el pelo claro y los ojos marrones?
2. En las plantas de guisante, el alelo "L", que indica semillas lisas, es dominante sobre el alelo "l", que indica semillas rugosas, y el alelo "A" que indica color amarillo, es dominante sobre el alelo "a", que indica color verde. Si se cruza una variedad pura lisa de color amarillo con una variedad pura rugosa de color verde. ¿Cuál es el genotipo y el fenotipo de la primera generación filial (F1)?. Indicar los fenotipos de la segunda generación (F2) y la proporción de cada uno de ellos que resulta de la autofecundación de las plantas de la F1.
3. En el guisante, los caracteres tallo largo y flor roja dominan sobre tallo enano y flor blanca ¿Cuál será la proporción de plantas doble homocigóticas que cabe esperar en la F2 obtenida a partir de un cruzamiento entre dos líneas puras, una de tallo largo y flor blanca con otra de tallo enano y flor roja? Indicar el genotipo de todas las plantas homocigóticas que pueden aparecer en la F2.
4. La enfermedad de Tay-Sachs es una enfermedad hereditaria recesiva que causa la muerte en los primeros años de vida cuando se encuentra en condición homocigótica. Se piensa que los dedos anormalmente cortos, braquifalangia, se deben al genotipo heterocigótico para un gen letal, siendo normal el individuo BB. ¿Cuáles son los fenotipos esperados entre niños adolescentes hijos de padres braquifalángicos y heterocigóticos para la enfermedad de Tay-Sachs?
5. Dos condiciones anormales en el hombre, que son las cataratas y la fragilidad de huesos son debidas a alelos dominantes. Un hombre con cataratas y huesos normales cuyo padre tenía ojos normales, se casó con una mujer sin cataratas pero con huesos frágiles, cuyo padre tenía huesos normales ¿Cuál es la probabilidad de?:

-Tener un hijo completamente normal

-Que tenga cataratas y huesos normales

-Que tenga ojos normales y huesos frágiles

-Que padezca ambas enfermedades.




f. Ejercicios de Herencia ligada al sexo



Ejercicio resuelto
Un hombre hemofílico se casa con una mujer sana, pero cuyo padre era hemofílico ¿Deducir la proporción de descendientes hemofílicos?

a. primero se determinan los alelos:

Hemofílico Hh domina Normal XH

b. Luego se indican los padres:

P0 Hombre hemofílico x Mujer sana (padre hemofílico)

Xhy XHXh

c. Después se hallan los gametos

G0 Xh e y XH y Xh

d. Más tarde se hallan los hijos

F1                                XHXh, XhXh, XHy, Xhy   

e. Por último, se contesta a la pregunta:

La mitad de los hijos varones y la mitad de las hijas podrían ser hemofílicas.



Ejercicios propuestos

1. La hemofilia es un carácter ligado al sexo. Si una mujer normal, cuyo padre era hemofílico, se casa con un varón normal. ¿Qué proporción de la descendencia tendrá el gen para la hemofilia?
2. En el hombre la hemofilia es causada por un gen recesivo ligado al sexo. Determinar las frecuencias esperadas en la F1 del cruzamiento entre un varón normal cuyo padre era hemofílico y una mujer portadora.
3. Un gen recesivo ligado al sexo determina la ceguera para el color rojo en el hombre (daltonismo). Una mujer normal cuyo padre sufría ceguera, tiene descendencia con un hombre también con ceguera. Determinar los genotipos y fenotipos de ambos progenitores y de la descendencia esperada.
4. Calcular la probabilidad de que una mujer normal cuyo padre es daltónico tenga descendencia daltónica al casarse con un hombre normal.
5. En Drosophila, el carácter ojos blanco w es recesivo respecto a los ojos normales W. Se trata de un gen ligado al sexo, en el cromosoma X. Indicar el fenotipo y genotipo de los machos y las hembras del cruce entre una hembra de ojos rojos normales homocigótica con un macho de ojos blancos.

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