biologia general documento de estudio
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Biologa GeneralGua didctica
4 crditos
1 Ingeniero en Gestin Ambiental Licenciado en Ciencias de la Educacin, Mencin: Qumico Biolgicas (Biologa
General para Educadores)
TitulacionesCiclo
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Departamento de Ciencias NaturalesSeccin Biologa Bsica y Aplicada
Asesora virtual:www.utpl.edu.ec
Autores:Mara de la Soledad Martnez-Fortn Martnez
Aminael Snchez RodrguezAugusta Yadira Cueva Agila
Biologa GeneralGua didctica
4 crditos
La Universidad Catlica de Loja
MODALIDAD ABIERTA Y A DISTANCIA
Titulaciones Ciclo Ingeniero en Gestin Ambiental Licenciado en Ciencias de la Educacin, Mencin: Qumico
Biolgicas (Biologa General para Educadores)I
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BIOLOGA GENERALGua didcticaMara de la Soledad Martnez Fortn Aminael Snchez Rodrguez Augusta Yadira Cueva Agila
UNIVERSIDAD TCNICA PARTICULAR DE LOJA
CC Ecuador 3.0 By NC ND
Diagramacin, diseo digital:EDILOJA Ca. Ltda.Telefax: 593-7-2611418San Cayetano Alto s/[email protected]
Primera Edicin
ISBN 978-9942-04-598-0
Esta versin digital ha sido acreditada bajo la licencia Creative Commons Ecuador 3.0 de reconocimiento -no comercial- sin obras derivadas; la cual permite copiar, distribuir y comunicar pblicamente la obra, mientras se reconozca la autora original, no se utilice con fines comerciales ni se realicen obras derivadas. http://www.creativecommons.org/licences/by-nc-nd/3.0/ec/
18 de Julio del 2014
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2. ndice
2. ndice ............................................................................................................................................................ 4
3. Introduccin............................................................................................................................................. 7
4. Lineamientos generales del Modelo Educativo basado en competencias y crditos acadmicos UTPL-ECTS .............................................................................................. 8
5. Bibliografa .............................................................................................................................................. 10
5.1. Bsica .......................................................................................................................................... 10
5.2. Complementaria: .................................................................................................................... 10
6. Orientaciones generales para el estudio ............................................................................. 11
7. Proceso de enseanza-aprendizaje para el logro de competencias ................ 14
PRIMER BIMESTRE
7.1. Competencias genricas de la UTPL ................................................................................ 14
7.2. Planificacin para el trabajo del alumno ........................................................................ 14
7.3. Sistema de la Evaluacin del componente educativo (Primero y Segundo Bimestre) ................................................................................................................................... 18
7.4. Orientaciones especficas para el aprendizaje por competencias ........................... 19
UNIDAD 1. ORIGEN DE LA CLULA ..................................................................................................... 19
1.1. Origen de la vida ..................................................................................................................... 19
1.2. Estrategias energticas: hetertrofos y auttrofos ...................................................... 21
1.3. Procariontes y eucariontes ................................................................................................... 22
1.4. Estructuras celulares y sus funciones ............................................................................... 23
Autoevaluacin 1 ................................................................................................................................ 30
UNIDAD 2. TRANSPORTE CELULAR, METABOLISMO Y ENERGA ................................................. 33
2.1. Introduccin .............................................................................................................................. 33
2.2. Transporte a travs de membranas .................................................................................. 34
2.3. Energa: Tipos, transformaciones y leyes de la Termodinmica ............................... 36
2.4. Termodinmica y los sistemas biolgicos ....................................................................... 37
2.5. Metabolismo celular .............................................................................................................. 38
Autoevaluacin 2 ................................................................................................................................ 42
UNIDAD 3. REPRODUCCIN CELULAR .............................................................................................. 45
3.1. El ciclo celular y su regulacin ............................................................................................ 45
3.2. Clulas haploides y diploides .............................................................................................. 51
3.3. La divisin celular por meiosis ............................................................................................ 54
3.4. Comparacin entre mitosis y meiosis ............................................................................... 56
3.5. Las consecuencias de la reproduccin sexual ................................................................ 57
Autoevaluacin 3 ................................................................................................................................ 59
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UNIDAD 4. GENTICA MENDELIANA ................................................................................................. 62
4.1. El mtodo experimental de Mendel ................................................................................. 62
4.2. Las leyes de Mendel ............................................................................................................... 64
4.3. Herencia ligada al sexo ......................................................................................................... 69
4.4. Ampliaciones de la gentica mendeliana ....................................................................... 70
Autoevaluacin 4 ................................................................................................................................ 72
UNIDAD 5. GENES Y FLUJO DE INFORMACIN GENTICA ............................................................. 75
5.1. Genes y cdigo gentico ....................................................................................................... 75
5.2. La transcripcin del ADN al ARN ........................................................................................ 77
5.3. La traduccin del ARN ........................................................................................................... 78
Autoevaluacin 5 ................................................................................................................................ 80
SEGUNDO BIMESTRE
7.5. Competencias genricas de la UTPL ................................................................................. 83
7.6. Planificacin para el trabajo del alumno ........................................................................ 83
7.7. Orientaciones especficas para el aprendizaje por competencias ........................... 87
UNIDAD 6. EVOLUCIN ........................................................................................................................ 87
6.1. El camino hacia la teora de la evolucin ........................................................................ 87
6.2. La construccin de la teora de Darwin ............................................................................ 91
6.3. Post-darwinismo .................................................................................................................... 94
Autoevaluacin 6 ................................................................................................................................ 96
UNIDAD 7. CLASIFICACIN DE LOS SERES VIVOS ........................................................................... 99
7.1. Qu entendemos por especie?.......................................................................................... 99
7.2. Normas para la clasificacin ................................................................................................ 100
7.3. Sistemtica................................................................................................................................ 101
7.4. Clasificacin de los seres vivos ............................................................................................ 103
Autoevaluacin 7 ................................................................................................................................ 107
UNIDAD 8. DOMINIOS BACTERIA Y ARCHAEA (LOS PROCARIONTES). ....................................... 110
8.1. Introduccin .............................................................................................................................. 110
8.2. Clasificacin y diversidad ..................................................................................................... 111
8.3. Caractersticas morfolgicas y fisiolgicas ..................................................................... 112
8.4. Ecologa. ..................................................................................................................................... 114
8.5. Importancia y/o conservacin. ........................................................................................... 115
Autoevaluacin 8 ................................................................................................................................ 117
UNIDAD 9. REINO EUKARYA. PROTISTAS ......................................................................................... 120
9.1. Introduccin .............................................................................................................................. 120
9.2. Clasificacin .............................................................................................................................. 121
9.3. Diversidad .................................................................................................................................. 122
9.4. Importancia y conservacin ................................................................................................ 127
Autoevaluacin 9 ................................................................................................................................ 128
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UNIDAD 10. ALGAS VERDES Y PLANTAS ........................................................................................... 131
10.1. Introduccin .............................................................................................................................. 131
10.2. Clasificacin y diversidad. .................................................................................................... 132
10.3. Caractersticas morfolgicas y fisiolgicas. .................................................................... 133
10.4. Ecologa ...................................................................................................................................... 137
10.5. Importancia y/o conservacin. ........................................................................................... 138
Autoevaluacin 10 .............................................................................................................................. 139
UNIDAD 11. REINO EUKARYA. LOS HONGOS ................................................................................... 142
11.1. Introduccin .............................................................................................................................. 142
11.2. Caractersticas de los hongos .............................................................................................. 143
11.3. Clasificacin y Diversidad ..................................................................................................... 145
11.4. Ciclos de vida ............................................................................................................................ 146
11.5. Relaciones simbiticas .......................................................................................................... 149
11.6. Importancia y/o conservacin. ........................................................................................... 150
Autoevaluacin 11 .............................................................................................................................. 152
UNIDAD 12. REINO EUKARYA. ANIMALES ....................................................................................... 155
12.1. Introduccin .............................................................................................................................. 155
12.2. Origen y clasificacin ............................................................................................................. 156
12.3. Diversidad .................................................................................................................................. 157
Autoevaluacin 12 .............................................................................................................................. 165
8. Solucionario ............................................................................................................................................. 168
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Gua didctica: Biologa General
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3. Introduccin
Biologa General es una de las materias bsicas en la titulacin de Gestin Ambiental. En la malla curricular, est ubicada en el primer ciclo con cuatro crditos acadmicos genricos. Su principal objetivo es capacitar al profesional en formacin para conocer y analizar conceptos biolgicos de partida que sern aplicados en reas concretas que cursar en los prximos ciclos (Botnica, Zoologa, Ecologa, entre otras).
Estudiar Biologa es, sin lugar a duda, interesante; seguro usted ha sentido curiosidad de conocer, por ejemplo: cmo se inici la vida?, cmo evolucionamos hasta llegar al ser humano?, cul es la estructura ms pequea que conforma su cuerpo?, cmo es posible que su hijo/a tenga caractersticas de su abuela?, cmo se trasmiten estas caractersticas?... entre otras tantas preguntas que surgen cuando se habla de la vida y a las cuales podr dar respuesta una vez que usted haya hecho suyos varios de los conocimientos que juntos analizaremos.
Puede ser que algunos temas le resulten difciles, pues entender la intricada red de relaciones de la vida es complejo; sin embargo, conforme vaya avanzando y adentrndose en esta ciencia comprender que saber biologa exige esfuerzo, pero es a la vez necesario e interesante.
En este componente acadmico, en el primer bimestre usted analizar el origen, constitucin y funcionamiento de las clulas, los procesos del ciclo celular y el dogma central de la biologa. El segundo bimestre inicia con la evolucin y le ayudar a adquirir la competencia de diferenciar las caractersticas distintivas de los diversos taxas.
Estamos seguros que los contenidos abordados servirn para que al final del ciclo usted tenga las competencias bsicas para el estudio de posteriores ciencias en su titulacin.
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Gua didctica: Biologa General
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4. Lineamientos generales del Modelo Educativo basado en competencias y crditos acadmicos UTPL-ECTS
Seor estudiante recuerde que ha iniciado su formacin de tercer nivel con un sistema educativo basado en el desarrollo de competencias a travs de crditos acadmicos. Este modelo le convierte a usted en protagonista de su propia formacin y al profesor en mediador de las experiencias de aprendizaje.
Surge entonces la necesidad de que tenga claro dos conceptos fundamentales: competencia y crdito acadmico.
Qu es una competencia? Entendemos por competencia el conjunto de actitudes, habilidades y conocimientos que el alumno adquiere e incorpora segn sus caractersticas personales y experiencias laborales y, que se ponen de manifiesto en el desempeo de la actividad profesional. Las competencias se adquieren a lo largo del proceso formativo de la titulacin.
Elementos de una competencia. Tres son los elementos que podemos distinguir en toda competencia:
Actitudes: son predisposiciones y comportamientos ante situaciones concretas.
Habilidades: son destrezas para ejecutar con xito tareas, utilizar procedimientos y realizar trabajos. Se desarrollan a travs de la prctica y la experiencia.
Conocimientos: constituyen los contenidos cientficos, conceptuales, tericos, conocidos tambin como el aprendizaje acadmico.
Qu es un crdito acadmico UTPL / ECTS en la Modalidad a Distancia?
Un crdito acadmico es la unidad de medida del trabajo del estudiante. Los crditos acadmicos que el estudiante ir acumulando en el transcurso de su estudio involucran: aprendizaje autnomo (estudio personal), tareas de investigacin, interaccin en el Entorno Virtual de Aprendizaje (EVA), participacin en tutoras, videoconferencias y otros eventos acadmicos (Jornadas, seminarios, cursos, congresos avalados por la UTPL), prcticas acadmicas, pasantas pre profesionales y de vinculacin con la colectividad; actividades de evaluacin; as como la realizacin del trabajo de titulacin.
El modelo adoptado por la UTPL contempla dos tipos de competencias: genricas y especficas.
Competencias Genricas: son aquellas capacidades (actitudes, habilidades y conocimientos) comunes a todas las profesiones que se ofrecen en la UTPL. Constituyen una parte fundamental del perfil que el estudiante debe desarrollar durante su formacin.
Competencias Especficas: son propias de la titulacin, aportan a la cualificacin especfica para la profesin, dndole consistencia social y profesional al perfil formativo.
Estructura general del programa formativo
Las Unidades Acadmicas o Titulaciones de la UTPL han estructurado el programa formativo contemplando cinco mbitos o bloques de asignaturas: Formacin Bsica (10%); Genricas (15%); Troncales (35%) Complementarias (10%); Libre configuracin (10%) y adems, el Practicum que comprende las Pasantas pre profesionales y de vinculacin con la colectividad y Practicum Acadmico (20%).
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Gua didctica: Biologa General
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Competencias genricas de la UTPL
1. Vivencia de los valores universales del humanismo de Cristo
2. Comunicacin oral y escrita
3. Orientacin a la innovacin y a la investigacin
4. Pensamiento crtico y reflexivo
5. Trabajo en equipo
6. Comunicacin en Ingls
7. Compromiso e Implicacin Social
8. Comportamiento tico
9. Organizacin y planificacin del tiempo
Competencias especficas
Las competencias especficas constan en la planificacin para el trabajo del alumno.
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Gua didctica: Biologa General
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5. Bibliografa
5.1. Bsica
Curtis, H., Barnes, N., Schnek, A., Massarini, A. (2008). Biologa. Madrid- Espaa: Editorial Mdica Panamericana.
Este libro ha sido seleccionado como texto bsico ya que contiene toda la temtica que se estudia en la materia. Constituye una obra actualizada muy didctica que permite el anlisis claro y por ende la comprensin de cada tema examinado. Adems, cada libro en la contraportada viene con un cdigo con el que usted podr acceder a la pgina web: www.curtisbiologia.com y crear una cuenta para acceder a cuestionarios, situaciones problemticas y dems recursos que le ayudarn a reforzar lo aprendido.
Martnez-Fortn, M.S., Snchez Rodrguez A., Cueva Agila, A. (2014) Gua didctica Biologa General. Loja-Ecuador: Ediloja.
La gua didctica ser su principal instrumento de estudio. Ha sido elaborada para que mientras avanza la lectura de cada unidad, realice tambin la lectura del texto bsico. Al inicio de cada unidad usted encontrar detallado el objetivo que alcanzar con su estudio. Adems de varios ejercicios didcticos que le sern muy tiles.
5.2. Complementaria:
Campbell, N, Reece, J. (2007). Biologa. Ed. Mdica Panamericana. Espaa. 1392pp.
Puede servirle de apoyo en la comprensin de temas para los cuales el anlisis del texto bsico no haya sido satisfactorio, pues incluye la mayora de temas analizados en este componente.
Dawkins, R. (2009). Evolucin: el mayor espectculo sobre la tierra. Espasa libros, S.L.U.
Con este texto podr ampliar la unidad 6, correspondiente a la evolucin.
Klug, W. S., Cummings, M. R., Spencer, C. A., Mnsua, J. L., Torrens, D. B. I., & Ward, S. M. (2006). Conceptos de gentica. Prentice Hall.
Este es un texto didctico en el cual usted podr revisar informacin relevante sobre los mecanismos que explican los procesos celulares, la diversidad biolgica y la evolucin.
T. D. Brock, M. T. Madigan, J. M. Martinko, & J. Parker. (1994). Biology of Microorganisms. New Jersey: Prentice Hall.
Es un texto til para ampliar los conocimientos de los procariontes (unidad 8).
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Gua didctica: Biologa General
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6. Orientaciones generales para el estudio
Orientaciones generales para el estudio
Estimado estudiante, una orientacin primordial que usted debe considerar es la dedicacin que este componente requiere. Biologa General tiene 4 crditos acadmicos genricos, esto implica un promedio mnimo de 4 horas de dedicacin semanal en trabajo autnomo y 4 horas semanales de interaccin, si usted no dedica este tiempo al estudio de biologa, difcilmente podr adquirir las competencias necesarias para aprobar el componente, por esto es indispensable organizar y aprovechar al mximo su tiempo de estudio.
Adicionalmente hay algunas consideraciones generales, que le recomendamos tenga en cuenta:
Al iniciar el ciclo revise el calendario acadmico, para que de este modo tenga presente las fechas principales: tutoras virtuales, entrega de trabajos a distancia, evaluaciones presenciales.
Es importante que desde la primera semana, y siempre que le sea posible, revise el Entorno Virtual de Aprendizaje (EVA) (www.utpl.edu.ec); este es un medio por el cual podr estar en permanente contacto con su tutor y aprovechar todos los recursos didcticos adicionales.
Adicionalmente, no olvide que puede contactar a su tutor, va telefnica o por medio de Skype, en los horarios de tutoras, publicados en el EVA al iniciar cada ciclo acadmico.
Otros recursos didcticos que la universidad le ofrece estn disponibles en la biblioteca virtual, el repositorio de videoconferencias y en los Recursos Educativos Abiertos (REA) publicados en el EVA.
Al final de cada bimestre, usted deber entregar las evaluaciones a distancia (que representan el 30% de la calificacin final) y luego deber rendir sus evaluaciones presenciales (70% de la calificacin final). En el caso de Biologa General, las evaluaciones presenciales son de calificacin automtica, por ello le recomendamos que conteste con plena seguridad de que su respuesta sea la correcta, pues en esta modalidad se califican aciertos menos errores.
Recursos didcticos:
Los principales recursos para el estudio de este componente son los indicados a continuacin.
Recurso Detalle Uso
Texto bsico Indispensable
Gua didctica Martnez-Fortn, et al. Gua didctica de Biologa General. Indispensable
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Gua didctica: Biologa General
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Sitio web complementario del texto bsico
(Clave de acceso en la contraportada del texto).
Recomendado
Acceso a la web: Enlaces detallados en la gua. Recomendado
Si bien de los recursos indicados, los indispensables son el texto bsico y la gua didctica, siempre que le sea posible es conveniente el acceso a la web para acceder a los recursos virtuales indicados en algunas de las unidades de esta gua.
Secciones utilizadas en la gua didctica y su simbologa:
El fin fundamental de esta gua didctica es ser un instrumento para ayudarle a realizar su estudio de una forma secuencial y profunda, por esta razn ha sido diseada para acompaarle en su proceso de aprendizaje autnomo. Recuerde que en ningn momento la gua es el reemplazo del texto bsico, sino su complemento. Para cumplir este objetivo se han establecido algunas secciones, indicadas a continuacin, con su simbologa, as podr familiarizarse con las mismas. Le animamos a aprovechar cada una de las actividades sugeridas en esta gua.
Esta seccin le perimitir hacer una lectura dinmica del texto bsico mientras avanza la lectura de la gua didctica.
Con esta seccin le proponemos completar la informacin de los mapas conceptuales, tablas, figuras o ejercicios, basado en las instrucciones dadas en
cada unidad.
Son actividades recomendadas, que le planteamos para reflexionar sobre la implicacin que tienen los distintos conceptos biolgicos que usted estudiar.
Son actividades recomendadas que le ayudarn a conocer y relacionar los experimentos y estudios que han permitido el desarrollo de la biologa.
Actividades recomendadas, que tienen como finalidad que usted desarrolle las competencias del componente.
Al finalizar cada unidad, encontrar varias preguntas planteadas con el fin de que usted evale su aprendizaje. Si bien el solucionario es presentado al
finalizar la gua, use el mismo slo para verificar las respuestas.
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Gua didctica: Biologa General
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SOLUCIONARIO Material que le permitir verificar sus respuestas, est indicado al final de la gua didctica para todas las unidades.
Finalmente, nos gustara animarlo a que ponga todo su esfuerzo, constancia y responsabilidad en el desarrollo de este componente, pues solo as podr alcanzar las metas planteadas al inicio del ciclo y al final sentir que todo su esfuerzo es recompensado.
Nota importante:
Por su participacin en ciertas actividades del EVA en cada bimestre, usted podr obtener un punto que complementar la nota obtenida en la evaluacin a distancia; esto quiere decir que si obtiene en la misma menos de 6 puntos podr
incrementar su nota (hasta 6 puntos) por medio de la participacin y los ejercicios que su tutor(a) le propondr en el EVA.
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Gua didctica: Biologa General
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Gua didctica: Biologa General
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7.3. Sistema de la Evaluacin del componente educativo (Primero y Segundo Bimestre)
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Para aprobar la asignatura se requiere obtener un puntaje mnimo de 28/40 puntos, que equivale al 70%.
* Son estrategias de aprendizaje, no tienen calificacin; pero debe responderlas con el fin de autocomprobar su proceso de aprendizaje.
** Recuerde que la evaluacin a distancia consta de dos partes: una objetiva y otra de ensayo, debe desarrollarla y entregarla en su respectivo centro universitario.
*** Su tutor(a) le plantear una o ms actividades en el EVA que sern calificadas por un punto en total. Este solo computar para complementar la nota del trabajo a distancia, es decir, si Ud. logra menos de seis puntos en el mismo podr aumentar dicha nota (hasta completar los 6 puntos) con esas actividades en el EVA.
Seor estudiante:
Tenga presente que la finalidad de la valoracin cualitativa es principalmente formativa.
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Gua didctica: Biologa General
19
7.4. Orientaciones especficas para el aprendizaje por competencias
Orientaciones especficas para el aprendizaje por competencias.
UNIDAD 1. ORIGEN DE LA CLULA
Esta unidad corresponde a los captulos 1 y 2 del texto bsico Biologa de Curtis. Le invitamos a que proceda a su lectura de forma paralela al estudio de la gua didctica.
El estudio de esta unidad le permitir identificar los principales elementos relacionados con el origen de la vida en nuestro planeta. Usted lograr reconocer los diferentes tipos celulares y las caractersticas que diferencian a los organismos procariontes de los eucariontes.
Temas principales de la unidad:
Origen de la vida (pp. 13-21)
Estrategias energticas (pp. 21-22)
Tipos celulares y sus caractersticas (pp. 23-25)
Estructuras celulares y sus funciones (pp. 33-53)
1.1. Origen de la vida
El origen de la vida es, sin duda, un tema apasionante que puede ser estudiado desde las ciencias experimentales y/o experienciales. Fernando Rielo (2012) define a las ciencias experimentales como aquellas que utilizan el mtodo cientfico experimental para su desarrollo, apoyado en el lenguaje de las matemticas; las ciencias experienciales son aquellas que no se fundamentan en el mtodo cientfico experimental, sino en el experiencial, apoyado en el lenguaje de la metafsica. Las ciencias experimentales, relacionadas con el origen de la materia y de la vida, son la astronoma, la fsica, la biologa, la paleontologa, la arqueologa, entre otras; y las ciencias experienciales, relacionadas con esta misma temtica son, entre otras, la mstica y la filosofa. En esta gua, al tratarse del estudio de biologa, abarcaremos las temticas del origen de la materia y de la vida, desde el mtodo experimental, es decir estrictamente biolgico, teniendo en cuenta que la persona es ms que su biologa; por ello no pretendemos anular la importancia del estudio de preguntas esenciales: qu hubo antes del Big Bang? el origen de la vida se fundamenta nicamente en la organizacin de molculas? el origen del ser humano es nicamente evolutivo?, con qu direccin y sentido ltimo fue creada, la materia, la vida biolgica y la vida humana?; preguntas que escapan a los criterios propios de la metodologa experimental y que tendr la oportunidad de abarcar en componentes como antropologa y criterio de credibilidad, entre otros, ofertados por nuestra universidad.
El Big Bang o Gran Explosin
Esta teora explica cmo el Universo en su forma actual compuesto por estrellas y planetas, proviene de un punto material donde se concentraba toda la materia en forma de energa pura. Es importante que usted comprenda que este proceso implic la desintegracin y formacin de tomos gracias a la combinacin de dos tipos de partculas fundamentales: los protones y los neutrones. El concepto del tomo tiene grandes implicaciones para el estudio de los sistemas vivos (como veremos ms adelante) por cuanto el tomo es la ms mnima unidad de materia. Actualmente se propone que es a partir de los tomos que se movilizaron gracias al Big Bang y luego formaron el planeta tierra, que los sistemas vivos se autoorganizaron y evolucionaron. Se puede decir entonces que cada tomo de nuestro cuerpo tiene su origen en la Gran Explosin. En la figura 1.1 se muestra un modelo atmico tpico y se listan algunas de sus caractersticas.
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Gua didctica: Biologa General
20
Los tomos que a su vez forman las molculas, constituyen la estructura bsica de la materia orgnica, de la que estn compuestos los seres vivos.
El tomo tambin es denominado como la partcula fundamental, gracias a su caracterstica de no poder ser dividido mediante procesos qumicos.
Figura 1.1. Representacin del tomo. Adaptado de: http://es.wikibooks.org/wiki/F%C3%ADsica/F%C3%ADsica_moderna/Estructura_del_%C3%A1tomo
Revise el texto bsico y comprenda cmo se pas de un punto material a la formacin de nuestro planeta durante el Big Bang. Apyese en la animacin que sobre este proceso se encuentra disponible en: http://www.youtube.com/watch?v=zV6aQbnHSRo (active los subttulos en espaol haciendo click en CC).
Qu le pareci la lectura? Pudo ver el video? Continuemos ahora con otros contenidos.
La unidad bsica de la vida es la clula, la cual surgi gracias al ensamblaje de los pilares de la vida: las biomolculas (lpidos, carbohidratos, protenas y cidos nucleicos). A lo largo del presente estudio iremos abordando las caractersticas de estas cuatro entidades moleculares.
En la naturaleza podemos encontrar cada uno de estos pilares por separado, sin embargo, la combinacin de estos dentro de la clula, dio lugar a la vida. Qu distingue a la clula de otros sistemas qumicos? Por qu la clula no es simplemente la suma de cada uno de sus componentes sino una entidad con propiedades diferentes a la de sus partes? Veamos las caractersticas distintivas de la clula que se presentan en la Figura 1.2:
Figura 1.2. Caractersticas distintivas de la clula. Elaboracin. propia.
Cmo surgieron estas caractersticas? Cul de ellas considera usted que apareci primero e hizo posible el desarrollo de las otras? Responda basndose en las teoras de la evolucin qumica y prebiolgica propuestas por A. I. Oparin y J. B. Haldane, pp. 16 y 17 de su texto bsico.
Ahora que nos hemos familiarizado con las teoras de la evolucin qumica y prebiolgica, dediquemos nuestra atencin a otros aspectos sobre el origen de la vida en la tierra.
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Gua didctica: Biologa General
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Las teoras sobre el origen de la vida, desde el punto de vista fsico qumico se basan en que en la atmsfera primitiva haba muy poco o nada de oxgeno libre por lo cual esta atmsfera tena caractersticas reductoras. Qu implicaciones fsico qumicas tena esta caracterstica? Cul sera el opuesto a la caracterstica reductora de la atmsfera primitiva? Podra originarse la vida en la atmsfera que posee el planeta Tierra hoy a pesar de que contiene los cuatro elementos que dieron a la vida en la atmsfera primitiva: hidrgeno, oxgeno, carbono y nitrgeno? Lea el siguiente artculo para contestar estas preguntas: http://enciclopedia.us.es/index.php/Atm%C3%B3sfera_primitiva
Cmo sabemos que ciertos compuestos orgnicos podran haberse formado en las condiciones de la tierra primitiva? Para ello revise el experimento de Miller, pp. 17 de su texto bsico.
Y con esto concluimos el primer epgrafe de nuestro estudio. Sigamos adelante!
1.2. Estrategias energticas: hetertrofos y auttrofos
Los organismos vivos necesitan un aporte continuo de energa para mantenerse, crecer y reproducirse. Sin embargo no todos los organismos satisfacen sus requerimientos energticos de la misma forma. Los organismos se dividen en hetertrofos y auttrofos en dependencia de las estrategias que emplean para obtener la energa del medio que los rodea.
En la siguiente tabla hemos resumido las caractersticas de ambos grupos. Lea el texto bsico y complete la informacin en la tabla.
Tabla 1.1. Clasificacin de los organismos segn sus estrategias energticas
Obtencin de energa Grupos de organismos
Hetertrofos Todos los animales, hongos y varios organismos unicelulares
Auttrofos
Son capaces de sintetizar molculas orgnicas ricas en energa a partir de sustancias inorgnicas simples. No requieren de molculas orgnicas del exterior. Se dividen a su vez en:
fotosintticos (usan la luz del sol como fuente de energa para las reacciones qumicas) y
quimiosintticos (usan la energa liberada por reacciones inorgnicas para la sntesis orgnica)
Para complementar el estudio de este tema, los invitamos a desarrollar la siguiente actividad.
Cul tipo de organismo considera usted que surgi primero: los hetertrofos o los auttrofos? Haga un diagrama del ciclo energtico en nuestro planeta considerando: el sol y grupos de organismos hetertrofos y auttrofos incluyendo al hombre. Compare su respuesta con el contenido disponible en: http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_ccnn_2/tema12
Continuemos con nuestro estudio.
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Gua didctica: Biologa General
22
1.3. Procariontes y eucariontes
Antes de introducir estos conceptos, analicemos que plantea la teora celular:
Figura 1.3. Planteamientos de la teora celular. Elaboracin propia.
La evidencia cientfica indica que hay una continuidad ininterrumpida entre las primeras clulas primitivas que se originaron en la Tierra y las clulas modernas. Todas estas clulas se dividen en dos grande grupos: procariontes y eucariontes. La distribucin de estos tipos celulares segn los tres grandes dominios que agrupan los seres vivos es:
Tabla 1.2. Tipos celulares y su distribucin
Tipo celular Seres vivos Organizacin celular
Procariontes Bacteria y Archaea Unicelulares
Eucariontes Eukarya Unicelulares y Multicelulares
Sobre las caractersticas de las clulas procariontes y eucariontes revise el texto bsico y complete el contenido de la siguiente tabla.
Tabla 1.3. Caractersticas de los organismos segn su tipo celular
Caracterstica Procarionte Eucarionte
Organismos Protozoos, hongos, plantas y animales
Tamao celular Pequeas, 1-10 micrones
Metabolismo Aerbico
Movilidad Normalmente mviles
Material gentico (ADN) Molcula grande y circular
Ubicacin del ADN Nucleoide
Membrana nuclear Presente (doble membrana)
Reproduccin Fisin binaria
Ahora que ha resumido las caractersticas de los organismos segn su tipo celular, le invitamos a dar respuesta a las siguientes interrogantes:
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Gua didctica: Biologa General
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Qu plantea la teora endosimbitica? Cules son las lneas de evidencia que la sustentan? Apyese en la Figura 1-14 y el contenido de la pgina 24 del texto bsico para responder estas interrogantes.
Estimado estudiante, esperamos que el contenido que hemos revisado hasta el momento haya sido de fcil comprensin. Adentrmonos ahora al interior de las clulas.
1.4. Estructuras celulares y sus funciones
Comencemos por la membrana celular. Su estructura se muestra en la Figura 1.4.
La membrana celular
Figura 1.4. Representacin de la membrana celular. Recuperado de http://meadiateca.cl/
La membrana celular o plasmtica es esencial en el funcionamiento de la clula. Como vimos anteriormente los organismos vivos (y por ende la(s) clula(s) que los componen) necesitan de energa para su mantenimiento. Esta energa proviene de reacciones qumicas para las cuales es necesario que se establezca un intercambio entre el interior de la clula y el medio que la rodea. Este intercambio es posible gracias a las caractersticas de la membrana celular. Mientras ms activo sea el funcionamiento celular (metabolismo), ms rpidamente deben intercambiarse los materiales con el ambiente para que la clula siga funcionando.
De ello se desprende que la membrana celular es una estructura DINMICA y FLUIDA formada por fosfolpidos y protenas (ver Figura 1.4 de la gua).
Para consolidar el estudio de esta estructura celular, le recomendamos realice la siguiente actividad:
Haga una bsqueda sobre los conceptos de hidrofobicidad e hidrofilicidad. Usando dichos conceptos justifique la disposicin de los fosfolpidos en la membrana celular. Responda por qu es preciso que la membrana est constituida por una bicapa y no por una monocapa? Para ello debe conocer que comnmente el ambiente externo e interno a la clula es acuoso (alto contenido de agua). Compare su respuesta con el contenido expuesto en el texto bsico, pp. 34-35.
La membrana celular cumple las siguientes funciones (complete la lista):
1. Regular el paso de sustancias hacia el exterior e interior.
2. Definir los lmites de la clula.
3. .
4. Recibir informacin que permite a la clula detectar cambios en el exterior y reaccionar ante ellos.
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Gua didctica: Biologa General
24
5. _.
6. Proteger la clula.
7. En ocasiones, participar en el movimiento celular y en procesos de secrecin.
8. Mantener las caractersticas distintivas de cada organelo (membranas internas en clulas eucariontes).
Hasta aqu las caractersticas generales de la membrana celular. Veamos ahora en qu se diferencia esta estructura en clulas animales con respecto a clulas vegetales.
Una distincin fundamental entre las clulas animales y vegetales es que slo las vegetales estn rodeadas por una pared celular. Esta estructura est constituida principalmente por molculas de celulosa. Es un filtro un poco ms impermeable que la membrana plasmtica sin embargo su estructura porosa deja pasar materiales solubles que tocan contacto con la membrana plasmtica. A medida que la clula vegetal madura puede formar una pared secundaria formada principalmente por lignina. La clula vegetal que en principio estaba viva, a menudo muere y solo deja la pared externa formando la arquitectura de la clula.
Por qu cree que las clulas vegetales necesitan de la presencia de una pared celular? Compare su respuesta con el contenido disponible en: http://www.wikillerato.org/Funciones_de_la_Pared_Celular.html
Figura 1.5. Representacin de la pared celular de una clula vegetal. Recuperado de: http://celulavegetalysusorganelos.blogspot.com
Nuestro viaje por el interior de la clula contina con el estudio del ncleo celular. Una representacin del mismo se puede apreciar en la Figura 1.6.
El ncleo celular (slo en clulas eucariontes)
Figura 1.6. Representacin del ncleo celular. Recuperado de: http://mediateca.cl/
El ncleo celular es un cuerpo grande esfrico y voluminoso. Su caracterstica ms importante es que contiene la informacin hereditaria de la clula la cual se encuentra codificada en la molcula de ADN.
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Gua didctica: Biologa General
25
Cules fueron las observaciones que llevaron a los cientficos a establecer el hecho de que el ncleo es la estructura celular portadora de la informacin hereditaria? Encuentre la respuesta en el texto bsico.
Pudo resolver la actividad anterior? Continuemos con nuestro estudio.
Las principales funciones del ncleo son:
1. Llevar la informacin hereditaria que determina que tipo particular de clula se desarrollar en un organismo dado.
2. En su interior se producen procesos clave relacionados con la regulacin de la expresin gnica asegurando que las molculas complejas (protenas estructurales y enzimas) que requiere la clula se sinteticen en la cantidad y momento necesarios para su normal funcionamiento.
La clula debe responder de forma eficiente ante estmulos externos, por ejemplo ante un aumento de la concentracin de sales en el interior celular es necesaria la internalizacin de una mayor cantidad de agua hacia el citoplasma para diluir las sales de lo contrario la celular morira por deshidratacin. Esto se resuelve mediante la activacin de genes (ver ms adelante) en el ncleo los cuales codifican para protenas transportadoras de agua hacia el interior celular (acuaporinas). Para que estas protenas se sinteticen es necesario que en el interior del ncleo se reciba la seal del exceso de sales en el citoplasma celular, qu caracterstica del ncleo permite la comunicacin con el citoplasma y por ende la respuesta adecuada a una seal externa?
Estudiemos ahora el citoplasma celular que alberga una gran variedad de orgnulos tal y como se esquematiza en la Figura 1.7.
El citoplasma y los orgnulos celulares (slo en clulas eucariontes)
Figura 1.7. Representacin del citoplasma y los orgnulos de una clula eucarionte. Recuperado de http://mediateca.cl/
El citoplasma de la clula eucarionte es el lugar donde se encuentran varias secciones (orgnulos) que cumplen una funcin especfica. Para el estudio y comprensin de la funcin de cada uno de los orgnulos es importante establecer relaciones estructura-funcin. Por ejemplo: qu caractersticas estructurales de los cloroplastos hacen posible que en ellos se lleve a cabo la fotosntesis?
En la Tabla 1.4 se muestra la relacin estructura-funcin que se establece en los cloroplastos. Tomando dicha informacin como ejemplo y apoyndose en el texto bsico, complete el contenido de la tabla.
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Tabla 1.4. Relaciones estructura-funcin en algunos orgnulos celulares
Cloroplastos
Estructura Funcin
Contienen clorofila
Adems de las dos membranas comunes a todos los plstidos, tienen una tercera membrana interna: la membrana tilacoide. Esta membrana brinda superficies de trabajo en las que operan las enzimas y ocurren las reacciones involucradas en la fotosntesis
En ellos ocurre la fotosntesis durante la cual se producen hidratos de carbono a partir de compuestos sencillos gracias a la utilizacin de la energa lumnica.
Ribosomas
Vacuolas
Retculo endoplasmtico
Complejo de Golgi
Lisosomas
Peroxisomas
Mitocondrias
Le result difcil completar la tabla anterior? Recuerde que siempre puede reunirse con otros compaeros de clase para realizar este tipo de actividades.
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Concluyamos ahora el estudio de las estructuras celulares y consideremos al citoesqueleto. Un representacin del mismo se muestra en la Figura 1.8.
Citoesqueleto
Figura 1.8. Representacin del citoesqueleto de una clula animal. Recuperado de: http://mediateca.cl
El citoesqueleto est formado por protenas filamentosas que se encuentran en el citoplasma y crean un verdadero andamiaje interno. Existen tres integrantes fundamentales del citoesqueleto: los microtbulos, los filamentos de actina (microfilamentos) y los filamentos intermedios.
Los componentes del citoesqueleto intervienen de forma decisiva en los diferentes tipos de movimiento celular lo cuales pueden ser:
Corrientes citoplasmticas activas (movimientos del citoplasma dentro de la clula)
Movimiento de vesculas y organelas dentro del citoplasma
Movimientos cromosmicos y cambios de forma durante la divisin celular.
Es importante que en este punto usted comprenda cmo ocurre el movimiento de las estructuras intracellares gracias a su interaccin con los componentes del citoesqueleto. Ello le permitir comprender las bases estructurales del movimiento de los cromosomas en los diferentes tipos de divisin celular que estudiaremos en la Unidad 3. Igualmente comprender (Unidad 3) cmo el desplazamiento y separacin de los cromosomas se relaciona con los postulados de la gentica clsica planteados por Gregorio Mendel.
Estudie junto con el texto bsico, el contenido que sobre el citoesqueleto est disponible en: http://genomasur.com/lecturas/Guia06.htm y responda las siguientes preguntas:
1. Cul es el papel del ATP en el movimiento intracelular?
2. Qu es el centrosoma?
3. En qu consiste la polaridad de los microtbulos y los filamentos de actina?
4. Mencione ejemplos de protenas motoras y explique su funcin
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Finalmente describa la funcin de los cilios y flagelos y de ejemplos d organismos ciliados.
Estimado estudiante, despus de concluido el estudio de la presente unidad le recomendamos dar respuesta a las siguientes actividades:
ACTIVIDADES RECOMENDADAS
1. Al contacto con el agua, qu forma tomar una membrana compuesta por fosfolpidos? Argumente.
2. La teora endosimbitica explica el origen de: a) las mitocondrias, b) los cloroplastos, c) los lisosomas.
3. Cmo ayuda la pared celular de las clulas vegetales a los procesos de transporte de sustancias en la planta?
4. La vida no se podra originar en la atmsfera actual debido a: a) las altas concentraciones de oxgeno, b) su carcter oxidante, c) su carcter reductor.
5. Complete el siguiente cuadro mencionando el orgnulo correspondiente y las caractersticas que justifican que cumpla dicha funcin:
Funcin Orgnulo/Estructura celular Justificacin
Regulacin de la expresin gnica
Alberga el material hereditario (ADN). Contiene poros que permiten la comunicacin con el citoplasma y la activacin de genes en funcin de seales externas
Sntesis de protenas
Transporte de sustancias
Presencia de protenas integrales que median el transporte de sustancias
Fotosntesis
Degradacin de cidos grasos
Transformacin de energa
Compactacin, modificacin y distribucin de protenas
Movimiento celular y direccin del trnsito intracelular
6. La molcula de ATP participa en el movimiento de las estructuras internas de la clula sirviendo como: a) constituyente del centrosoma, a) fuente de energa, b) unindose a las protenas motoras.
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7. El Big Bang ocurri: a) despus de la formacin de los planetas, b) a partir de un punto material donde estaba concentrada la materia en forma de energa pura, c) en un punto desconocido de nuestra galaxia.
8. Explique qu tiene en comn el proceso de fotosntesis con la forma en que los organismos auttrofos generan la energa necesaria para su mantenimiento?
9. Algunas de las caractersticas que diferencian a la clula de otros complejos qumicos son: a) la presencia de carbono, nitrgeno, oxgeno e hidrgeno, b) la presencia de una membrana que la limita del medio circundante, c) la replicacin, d) el mantenimiento constante de la informacin hereditaria de generacin en generacin sin sufrir variacin alguna.
10. Las clulas eucariontes se diferencian de las procariontes en: a) la presencia de material hereditario (ADN), b) la envoltura nuclear, c) la presencia de organelas, d) su tamao, e) la capacidad para dividirse y dar lugar a clulas hijas.
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Autoevaluacin 1
Con el objetivo de que usted mida sus conocimientos hemos creado las siguientes preguntas de autoevaluacin. Trabaje de forma independiente y luego confronte sus respuestas con la de sus compaeros. Recuerde que siempre puede contactar a su profesor-tutor en caso de dudas. Muchos xitos!
1. Por su forma de obtener energa para sobrevivir los organismos se clasifican en:
a. Eucariontes
b. Procariones
c. Hetertrofos y auttrofos.
2. La teora celular afirma que:
a. Las clulas se originan de otras clulas.
b. Todos los organismos estn compuestos por una o ms clulas.
c. Todas las clulas tienen material gentico.
3. Las clulas especializadas se organizan en:
a. Tejidos y rganos
b. tomos
c. Molculas
4. Un organismo procarionte se diferencia de un organismo eucarionte por tener:
a. Membrana plasmtica
b. Pared celular
c. Ncleo.
5. Cul de los siguientes gases, si hubiera existido en la atmosfera primitiva habra ocasionado que las molculas orgnicas se oxiden rpidamente y la vida no habra aparecido?
a. Helio
b. Carbono
c. Oxgeno
6. A las bacterias que obtienen la energa de reacciones inorgnicas se las conoce como:
a. Fotosintticas
b. Fotoorgantrofas
c. Hetertrofas
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7. La teora de la endosimbiosis cita que:
a. Algunas organelas eucarioantes provienen evolutivamente de procariotas de vida libre
b. Algunas organelas como las mitocondrias poseen en sus estromas el mismo tipo de DNA que el ncleo
c. Algunas organelas procariotas, fueron en el pasado bacterias de vida libre que luego se alojaron en otras clulas.
8. Las principales caractersticas de las clulas procariotas son el poseer:
a. DNA circular, ribosomas
b. Nucleolo, ribosomas
c. a + Membrana Celular
d. b + Membrana Celular
9. El sistema de endomembranas tiene como constituyente al:
a. Lisosomas
b. Filamentos de actina
c. Ribosomas
10. El citoesqueleto est constituido por:
a. Filamentos de actina
b. Microtbulos
c. Microfibrillas de celulosa.
11. Los filamentos de actina participan en:
a. Mantenimiento de organizacin citoplasmtica
b. Movilidad de la clula
c. Transporte transmembrana.
12. Los componentes principales llamados microfilamentos son:
a. Centrosomas
b. Actina y miosina
c. Crestas mitocondriales
13. Cul de las siguientes premisas es falsa?
a. Los ribosomas son sitios en los cuales ocurre el acoplamiento de aminocidos en la sntesis de protenas.
b. Los cilios y flagelos son estructuras delgadas de clulas procariontes.
c. Los plstidos son organelas que se encuentran slo en las clulas de plantas y algas
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14. Cul de las siguientes premisas es verdadera?
a. El retculo endoplasmtico RE constituye la mayor parte del sistema de endomembranas.
b. La membrana plasmtica es una estructura formada por ribosomas y peroxisomas.
c. La pared celular se encarga de la permeabilizacin de la clula
15. La membrana celular est integrada por los siguientes componentes
a. bicapa fosfolipidica
b. protenas integrales y perifricas
c. celulosa
d. Los literales a y b son correctos
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Referencia bibliogrficas:
Enciclopedia Libre Universal en Espaol (2011) Atmsfera primitiva. Recuperado de: http://enciclopedia.us.es/index.php/Atmsfera_primitiva
Fernndez M., Gil, Y., Moriel, A. Miarro, J. (s.f.) La materia y la energa en los ecosistemas. Recuperado de: http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_ccnn_2/tema12/
Ljubica Biskupovic. (2012) Los organelos de la clula Vegetal. (Blog). Recuperado de: http://celulavegetalysusorganelos.blogspot.com
Mrquez, S., Valenzuela, L., Ifrn, S., & Pinto M. (s.f.) Citoesqueleto. Recuperado de: http://genomasur.com/lecturas/Guia06.htm
Olwell, K. (keitholwell). (2009, agosto 07). Big Bang Briefly. (Video file) Recuperado de: http://www.youtube.com/watch?v=zV6aQbnHSRo.
Rielo, F. (2012). Concepcin mstica de la antropologa. (J. M. Sevillano, Ed.) Madrid, Espaa: Creapress S.I.
Wikirelato (2010) Funciones de la pared celular. Recuperado de: http://www.wikillerato.org/Funciones_de_la_Pared_Celular.html
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UNIDAD 2. TRANSPORTE CELULAR, METABOLISMO Y ENERGA
Esta unidad corresponde a los captulos 3 y 4 del texto bsico Biologa de Curtis. Realice la lectura de estos captulos de forma paralela a la lectura de la unidad 2.
Con la lectura de esta unidad, comenzar a profundizar en los procesos de intercambio de materia y energa en los seres vivos. Abordaremos los mecanismos de transporte de sustancias a travs de las membranas celulares, siguiendo con los procesos energticos, regidos bajo las leyes termodinmicas, necesarios para el complejo funcionamiento de las clulas.
Temas principales de la unidad:
Introduccin (pp.58-62)
Transporte a travs de membranas (pp. 62-71)
Energa: Tipos, transformaciones y leyes de la termodinmica (pp. 73-77)
Termodinmica y los sistemas biolgicos (pp. 76-81)
Metabolismo celular (pp. 81-89)
2.1. Introduccin
Todos los organismos necesitan materia y energa para desarrollarse, crecer y reproducirse. El intercambio de sustancias a nivel celular se produce a travs de las membranas, mientras que el metabolismo es el encargado de obtener la energa. En esta unidad trataremos los mecanismos relativos a la obtencin, utilizacin e intercambio de materia y energa a nivel celular, en funcin de sus necesidades y su relacin con el medio.
Energa Materia (carbono)
Hidrgeno
Aceptor final de hidrgeno
Agua, sales, Nitrgeno
Figura 2. 1: Elementos bsicos que todo organismo vivo necesita para vivir. Adaptado de http://www0.unsl.edu.ar/~fqbf/departamentos/BioqBiol_/apuntes_archivos/biologia/biologia_general/Tema_11_Metabolismo.pdf
Los seres vivos son considerados como sistemas abiertos que intercambian materia y energa con el medio. La materia es utilizada para sintetizar compuestos complejos que sirven para el desarrollo de las estructuras celulares y crecimiento de los organismos. Mientras, la energa una vez transformada, se emplea para producir trabajo celular a travs de las miles de reacciones qumicas que constituyen el metabolismo celular. El metabolismo permite que los organismos mantengan una composicin interna constante y distinta de la del medio externo.
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El fsico terico Fritjof Capra, uno de los muchos pensadores que han estudiado a los organismos vivos como sistemas, establece que un sistema vivo es a la vez abierto y cerrado. Abierto estructuralmente, pero cerrado organizativamente. La materia y la energa fluyen a travs de l, pero el sistema mantiene una forma estable y lo hace de manera autnoma, a travs de su autoorganizacin.
Las condiciones internas de los seres vivos y sus clulas, tienden a alcanzar estados de equilibrio con el entorno (estados estacionarios). Una forma con la que podemos medir los intercambios entre los sistemas y su medio, es a travs de los flujos de materia y energa transportada por unidad de rea y por unidad de tiempo. Estos flujos son impulsados por una fuerza, que, en el caso de los procesos de transporte a travs de membrana, es el gradiente de potencial qumico o el electroqumico dependiendo si las sustancias tienen carga elctrica o no.
El transporte pasivo de sustancias se produce en forma espontnea desde zonas donde el potencial es mayor hacia zonas donde es menor.
El transporte activo, sin embrago, requiere un aporte externo de energa y se produce en sentido opuesto.
Para observar un ejemplo de transporte con requerimiento energtico, visite la pgina web www.curtisbiologia.com, y visualice la figura animada 3-10: Funcionamiento de un sistema de transporte activo primario.
Revisada esta introduccin avancemos con el estudio.
2.2. Transporte a travs de membranas
La membrana celular acta como barrera semipermeable impidiendo la entrada de la mayor parte de las molculas, y dejando pasar selectivamente a otras. Este transporte a travs de membrana puede ser, tal y como hemos visto en el apartado anterior, pasivo o activo a travs de los fosfolpidos de membrana, que constituyen una bicapa lipdica en la que se encuentran insertadas ciertas molculas que tambin van a contribuir en el flujo de entrada y salida de sustancias, tal y como se muestra en la siguiente figura.
Figura 2. 2: Membrana plasmtica con sus componentes principales. Audesirk, T., Audesrick, G. & Byers B. (2008).
Ahora que conocemos cual es la estructura principal a travs de la que se da el intercambio de sustancias, comencemos a ver los diferentes mecanismos para este intercambio.
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Difusin simple
La difusin es el movimiento neto de una sustancia (lquida o gaseosa) de un rea de alta concentracin a una de baja concentracin. Para que tenga lugar, la distribucin espacial de molculas no debe ser homognea, es decir, debe existir una diferencia de concentracin entre dos puntos del medio, a un lado y otro de la membrana. La difusin constituye una de las principales formas de movimiento de sustancias entre las clulas como en el caso de muchas de las pequeas molculas que cruzan la membrana celular.
Protenas de membrana
Debido al carcter hidrofbico que le caracteriza, la bicapa lipdica de una clula supone una barrera impermeable a la mayora de las molculas polares. Esto es de gran importancia ya que permite que en el interior de la clula se puedan dar condiciones diferentes al ambiente extracelular. Lo mismo podemos decir que ocurre en cada compartimiento intracelular envuelto por una membrana. Por ello buena parte del transporte de molculas es realizado por las protenas integradas en la membrana celular que, por lo general, son muy selectivas con los productos qumicos que permiten pasar. Hay varios tipos, en las que unas realizan transporte pasivo y otras, activo; revisemos algunas:
Protenas de canal: Conforman un tnel que permite el paso de agua y electrolitos a favor de un gradiente de concentracin.
Bombas transportadoras de iones: Utilizan energa para transportar molculas contra un gradiente de concentracin.
Protenas transportadoras: Este tipo de protenas, primero fija las molculas, y luego las transporta a travs de la membrana, sufriendo en el proceso, un cambio conformacional.
Vesculas
Las vesculas y vacuolas se fusionan con la membrana celular y son utilizadas para el transporte y liberacin de productos qumicos hacia el exterior de la clula, o para permitir que los mismos entren en la clula. Pueden participar en dos procesos:
Exocitosis, cuando el transporte es hacia fuera de la clula.
Endocitosis, cuando la sustancia es transportada al interior de la clula a travs de la membrana.
Para afianzar los diferentes tipos de transporte de membrana citados, luego de la revisin del captulo 3 del texto bsico, le sugerimos que complete el siguiente esquema:
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Figura 2. 3: Esquema de los diferentes tipos de transporte transmembrana que podemos encontrar. Elaboracin propia.
Una vez que hemos realizado un recorrido por las diferentes estrategias para movilizar la materia dentro y fuera de la clula, vamos a estudiar las bases de la energa en los sistemas vivos. Adelante!
2.3. Energa: Tipos, transformaciones y leyes de la Termodinmica
La energa la podemos definir como la capacidad de realizar un trabajo. A pesar de que se manifiesta de muy diversas formas (qumica, luminosa, mecnica, etc.), slo hay dos tipos bsicos: la energa potencial y la energa cintica. La termodinmica se encarga de estudiar los cambios de una forma de energa a otra.
Realice una lectura en profundidad de los principios de la termodinmica y su implicacin en el desarrollo de las funciones en los seres vivos y en sus clulas. Podr encontrar dicha informacin en las pginas 73-77 del captulo 4 del texto bsico.
En los seres vivos las conversiones energticas estn gobernadas por las leyes de la termodinmica, que pueden ser aplicables a los sistemas cerrados o aislados, es decir, aquellos que no intercambian energa con el medio que los rodea. Como ya hemos visto anteriormente hemos considerado a las clulas como sistemas abiertos, que a su vez se comportan como sistemas cerrados. Las leyes que se aplican en estos sistemas biolgicos son:
1 Ley de la termodinmica: Principio de conservacin de la energa.
En un sistema aislado la energa no se crea ni se destruye, se transforma de una forma a otra. En trminos biolgicos, esto quiere decir que los seres vivos se comportan como sistemas abiertos que intercambian materia y energa con el ambiente. Cuando en un organismo ocurre un proceso determinado, la energa que se pierde o se disipa es igual a la que gana el ambiente.
En general la vida es un proceso de combustin, en la que los organismos oxidan carbohidratos y convierten la energa almacenada en forma de enlaces qumicos en otras formas de energa, segn la siguiente reaccin global, que expresa la oxidacin de la glucosa:
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C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O Energa.
Glucosa + oxgeno= Dixido de carbono + agua + energa
La energa total liberada durante la oxidacin de la glucosa est compuesta por una fraccin aprovechable para otros procesos metablicos y una fraccin que se disipa en forma de calor.
2 Ley de la termodinmica: Direccin de los procesos naturales
Esta ley establece que no toda la energa puede ser usada y el desorden tiende a aumentar, lo que se conoce como entropa (desorden del sistema). Esto significa que cuando la energa se convierte de una forma a otra, disminuye la cantidad de energa til, convirtiendo la energa de formas ms tiles a formas menos tiles.
La segunda ley de la termodinmica tambin habla acerca de la organizacin de la materia. La energa til suele almacenarse como materia muy ordenada, y siempre que la energa se usa dentro de un sistema cerrado, hay un incremento general en la aleatoriedad y en el desorden de la materia, como se observa a continuacin:
Energa til Energa total Energa disipada
Energa disipada Temperatura (T) Entropa (S)
En un sistema cerrado, la energa til es usada para convertir las heterogeneidades en homogeneidades. Cuando esta energa se agota, el sistema alcanza el equilibrio, la entropa es mxima y ya no puede ocurrir ningn otro proceso. En estos sistemas, la entropa permite predecir la direccin de los procesos espontneos.
Veamos ahora como stas leyes se relacionan con los sistemas biolgicos.
2.4. Termodinmica y los sistemas biolgicos
Los investigadores que trabajan con las leyes de la termodinmica en sistemas vivos, necesitan distinguir aquellas reacciones que se dan espontneamente de aquellas que requieren de energa. Para ello, necesitan determinar los cambios de energa que ocurren en las reacciones qumicas dentro de los organismos, y lo realizan definiendo la energa libre (aquella que puede realizar trabajo a temperatura y presin uniformes). sta supone una medida de la inestabilidad de un sistema, de su tendencia a cambiar hacia un estado ms estable.
El cambio en la energa libre (G) durante un proceso est relacionado al cambio en entalpa, o cambio en la energa total (H), y al cambio en la entropa (TS), lo que se puede resumir en la siguiente frmula:
G H TS
El equilibrio es un estado de mxima estabilidad.
Los procesos no espontneos en incremento de energa libre son positivos.
En la siguiente tabla podr encontrar un resumen de las implicaciones sobre el sistema, que tienen los diferentes incrementos de energa libre:
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Tabla 2. 1: Casos posibles segn el incremento de energa libre en un sistema biolgico. Elaboracin propia.
Incremento de Energa libre
Espontaneidad de la reaccin Caractersticas Tipo de reaccin
G negativa Espontnea La energa libre decrece y la estabilidad del sistema se incrementa, pueden ser utilizados para realizar trabajo.
Exoergnica
G = 0 Equilibrio La energa libre ni decrece ni aumenta. No se realiza trabajo. Equilibrio
G positiva No espontnea
La energa libre aumenta, por lo que absorbe energa del ambiente. Hay que aplicar un trabajo para que tenga lugar la reaccin.
Endoergnica
Con los contenidos que encontrar en el texto bsico y realizando una bsqueda por internet, reflexione sobre la siguiente cuestin: Si todas las reacciones qumicas, incluso las que se efectan dentro de las clulas vivas, hacen que aumente la cantidad de energa inutilizable, y si la materia tiende hacia mayor aleatoriedad y desorden, cmo pueden los organismos acumular la energa utilizable y las molculas tan ordenadas que caracterizan a los seres vivos? (Considere los seres vivos como sistemas que a su vez forman parte de otros sistemas, en el planeta y en el sistema solar).
Luego de esta reflexin, avancemos con el estudio.
2.5. Metabolismo celular
Si observamos una clula al microscopio ptico es complicado de comprender que en algo tan pequeo se den procesos tan complejos con multitud de reacciones qumicas, todas ellas coordinadas y reguladas. Sin duda las clulas son los laboratorios ms sofisticados que podemos encontrar en la naturaleza.
Muchas de esas reacciones son adems mutuamente incompatibles, por lo que para que las diferentes rutas metablicas tengan lugar, es fundamental un control riguroso mediante las enzimas, y que las distintas rutas ocurran, en compartimentos celulares separados, las organelas.
Para revisar los contenidos que vamos a tratar a continuacin, le recomendamos recordar lo estudiado en la Unidad 1 de esta gua didctica, hacer una nueva revisin de esta unidad le ayudara a reforzar los conocimientos relativos a la estructura general de las clulas y sus principales componentes.
Todos los procesos metablicos se pueden clasificar en dos tipos: procesos anablicos, o de sntesis, y procesos catablicos, o de degradacin; revisemos a que se refiere cada uno:
Anabolismo: se inicia con la sntesis de los primeros compuestos orgnicos a partir de sustancias inorgnicas, mediante procesos como la fotosntesis o la quimiosntesis, slo los pueden realizar los organismos auttrofos. Luego, a partir de molculas orgnicas simples, se formarn, mediante diferentes rutas anablicas, todos los componentes orgnicos de los seres vivos.
Catabolismo: se puede iniciar con la descomposicin de sustancias orgnicas muy diferentes, pero, al final, la mayora de las rutas catablicas confluyen en la respiracin celular, a travs de la cual los compuestos orgnicos se terminan por degradar en sustancias inorgnicas.
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La siguiente figura presenta un esquema de estos dos procesos metablicos, revismosla.
Figura 2. 4: Esquema de los principales procesos metablicos. Recuperado de: http://recursostic.educacion.es/ciencias/proyectobiologia/we