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B IOLOGÍA

Y

G EOLOGÍA

1 María Rei Vilas Silvia Blázquez Martín Sergio Sierra Domínguez M.a Ángeles Ramos García Alicia Ortigosa Alcón Coordinadora y asesora didáctica María Rei Vilas Revisora técnico-pedagógica M.a Ángeles Ramos García

MADRID – BOGOTÁ – BUENOS AIRES – CARACAS – GUATEMALA – MÉXICO NUEVA YORK – PANAMÁ – SAN JUAN – SANTIAGO – SÃO PAULO – AUCKLAND HAMBURGO – LONDRES – MILÁN – MONTREAL – NUEVA DELHI – PARÍS SAN FRANCISCO – SYDNEY – SINGAPUR – ST. LOUIS – TOKIO – TORONTO

ÍNDICE

2

4

Con mirada científica ............................................... 121

Con mirada científica ...............................................

5

1. La función de nutrición en las plantas............. 122

1. Características que definen a los seres vivos ..

6

2. Obtención de nutrientes en plantas vasculares 124

2. Composición química de los seres vivos .........

10

3. Formación y transporte de la savia bruta ........ 128

3. Virus, en la frontera de la vida ........................

22

Por los caminos de la ciencia ....................................

23

Actividades finales ...................................................

24

Unidad 2. La célula, unidad básica de la vida .....

26

Con mirada científica ...............................................

27

8. La función de relación en las plantas .............. 134

1. La célula, unidad estructural de los seres vivos 28

9. Captación de estímulos externos.................... 135

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Unidad 1. Organización y composición de los seres vivos ..................................................

Unidad 6. La nutrición y relación en las plantas . 120

4. Fotosíntesis .................................................. 130 5. El transporte de la savia elaborada ................ 131 6. Excreción y secreción de sustancias .............. 132 7. La función de nutrición en briófitas ................. 133

2. Nutrición celular ............................................

36

10. Coordinación: hormonas vegetales ................. 136

3. Relación celular .............................................

42

11. Respuestas vegetales: movimiento ................ 138

4. Reproducción celular .....................................

43

Por los caminos de la ciencia ....................................

51

12. Incidencia de la luz y la temperatura en la fisiología y el desarrollo de las plantas ........... 140

Actividades finales ...................................................

52

Unidad 3. Especialización celular: los tejidos .....

54

Con mirada científica ...............................................

55

1. La organización pluricelular. Los tejidos ..........

56

2. Los tejidos vegetales .....................................

58

3. Los tejidos animales ......................................

64

Por los caminos de la ciencia ....................................

73

1. Reproducción asexual y sexual en las plantas . 150

Actividades finales ...................................................

74

2. Ciclo biológico de las briófitas ........................ 152

13. Adaptaciones al medio vinculadas con la nutrición y relación ........................................ 143 Por los caminos de la ciencia .................................... 145 Actividades finales ................................................... 146

Unidad 7. La reproducción en las plantas............ 148 Con mirada científica ............................................... 149

3. Ciclo biológico de las pteridofitas ................... 153

Unidad 4. Biodiversidad y evolución ....................

76

4. La reproducción de las espermafitas .............. 154

Con mirada científica ...............................................

77

1. Concepto de biodiversidad .............................

78

5. Adaptaciones reproductivas de las plantas al medio terrestre ............................................. 164

2. El estudio de la biodiversidad .........................

79

Por los caminos de la ciencia .................................... 165

3. El origen de la biodiversidad ..........................

81

Actividades finales ................................................... 166

4. La distribución de la biodiversidad ..................

84

5. Importancia de la biodiversidad ......................

91

6. La pérdida de biodiversidad ...........................

93

7. La conservación de la biodiversidad ...............

94

Por los caminos de la ciencia ....................................

95

Actividades finales ...................................................

96

Unidad 5. La clasificación de los seres vivos ......

98

3. El aparato digestivo en vertebrados ................ 176

Con mirada científica ...............................................

99

4. La respiración de los animales ....................... 182

1. Los sistemas de clasificación biológica .......... 100

5. La respiración en invertebrados ..................... 184

2. Los grandes grupos de seres vivos................. 104

6. La respiración en vertebrados ........................ 186

Por los caminos de la ciencia .................................... 117

Por los caminos de la ciencia .................................... 189

Actividades finales ................................................... 118

Actividades finales ................................................... 190

Unidad 8. La nutrición en los animales: digestión y respiración ......................................... 168 Con mirada científica ............................................... 169 1. Características generales de la función de nutrición ................................................... 170 2. El aparato digestivo en invertebrados ............. 172

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ÍNDICE

3

Unidad 9. La nutrición en los animales: circulación y excreción ........................................... 192

Unidad 13. Tectónica de placas ........................... 290

Con mirada científica ............................................... 193

1. Wegener y los desplazamientos continentales . 292

1. El intercambio y el transporte de sustancias en los animales ............................................. 194

2. La clave está en los océanos ......................... 294

2. Tipos de circulación en los animales ............... 198 3. La función de excreción en animales .............. 205 4. Adaptaciones de los animales a la nutrición .... 210 Por los caminos de la ciencia .................................... 211 Actividades finales ................................................... 212

Unidad 10. La relación en los animales ............... 214 Con mirada científica ............................................... 215 1. La función de relación.................................... 216 2. Los sistemas de coordinación ........................ 218

Con mirada científica ............................................... 291

3. Teoría de la tectónica de placas ..................... 296 4. Riesgo sísmico y tectónica de placas ............. 304 Por los caminos de la ciencia .................................... 307 Actividades finales ................................................... 308

Unidad 14. Magmatismo y metamorfismo .......... 310 Con mirada científica ............................................... 311 1. El motor de las placas tectónicas ................... 306 2. Magmatismo ................................................. 312 3. Metamorfismo .............................................. 322

3. El sistema nervioso ....................................... 219

4. Aplicaciones de las rocas magmáticas y metamórficas ............................................. 328

4. El sistema endocrino ..................................... 228

Por los caminos de la ciencia .................................... 329

5. La coordinación neuroendocrina ..................... 232

Actividades finales ................................................... 330

6. La homeostasis............................................. 234 7. Adaptaciones del sistema nervioso y endocrino de los animales al medio ............. 236

Unidad 15. Las rocas sedimentarias. La deformación de las rocas ................................ 332

Por los caminos de la ciencia .................................... 239

Con mirada científica ............................................... 333

Actividades finales ................................................... 240

1. Procesos implicados en la formación de las rocas sedimentarias ............................ 334

Unidad 11. La reproducción en los animales ...... 242

2. Clasificación de las rocas sedimentarias ........ 342

Con mirada científica ............................................... 243

3. La deformación de las rocas .......................... 346

1. La función de reproducción en animales ......... 244

Por los caminos de la ciencia .................................... 351

2. Ciclos biológicos en animales ........................ 255

Actividades finales ................................................... 352

3. Adaptaciones reproductivas de los animales ... 257 Por los caminos de la ciencia .................................... 261 Actividades finales ................................................... 262

Unidad 16. Historia de un planeta en continuo cambio ................................................................... 354 Con mirada científica ............................................... 355

Unidad 12. La Tierra y sus materiales ................. 264

1. El tiempo en geología .................................... 356

Con mirada científica ............................................... 265

2. La escala geológica del tiempo ...................... 364

1. El estudio del interior terrestre ....................... 266

Por los caminos de la ciencia .................................... 373

2. Estructura interna de la Tierra ........................ 274

Actividades finales ................................................... 374

3. Origen y estructura actual de la Tierra ............ 276 4. Materiales de la Tierra: minerales................... 278 Por los caminos de la ciencia .................................... 287 Actividades finales ................................................... 288

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1 ORGANIZACIÓN Y COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS 1. Características que definen a los seres vivos. 2. Composición química de los seres vivos. 3. Virus, en la frontera de la vida.

Los seres vivos son estructuras extremadamente complejas; hasta los organismos más sencillos están formados por la perfecta integración de miles de millones de moléculas. A pesar de esta complejidad, todos están compuestos por unos pocos elementos, bioelementos, que se combinan para formar un grupo, también limitado, de moléculas denominadas biomoléculas. Estas construcciones perfectas que son los seres vivos funcionan como sistemas abiertos que intercambian materia y energía con el medio que los rodea. Los mecanismos por

los que interaccionan con el medio pueden variar de unas especies a otras, pero todas realizan las mismas funciones necesarias para la vida: nutrición, relación y reproducción. En la imagen, vemos varios machos de caballito de mar con sus vientres abultados; estos peces tienen un modo de reproducción particular: la hembra deposita los huevos en la bolsa ventral del macho, que los fecunda e incuba hasta el espectacular nacimiento de las crías. Puedes verlo en el siguiente enlace: goo.gl/dFckn. Los mecanismos por los que los seres vivos realizan sus funciones vitales son diversos, al igual que lo son las estructuras que cada especie forma a partir de los mismos bioelementos y biomoléculas, pero en todos ellos existe una unidad de composición y de funciones.

5

UNIDAD 1. ORGANIZACIÓN Y COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS

http://

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Con mirada científica Enjambres de robots que se comportan como un banco de peces

Un equipo de científicos ha creado un ejército de robots que funciona como los grupos de peces sincronizados. Pueden intercambiar información para analizar su entorno y buscar, extraer y conservar recursos situados en hábitats subacuáticos. Investigadores del proyecto Collective Cognitive Robots (COCORO), que está respaldado por la Unión Europea, han desarrollado el conocimiento colectivo de estos robots autónomos y han fabricado prototipos experimentales. Los robots del proyecto COCORO funcionan como un sistema colectivo de agentes autónomos que son capaces de aprender de experiencias pasadas. Los autómatas acuáticos interactúan entre sí mediante el intercambio de información, con lo que con-

siguen conformar un sistema cognitivo que les permite reconocer su entorno. El proyecto está integrado por biólogos, informáticos y otros especialistas. Se ha desarrollado durante tres años y ha recibido de la UE una financiación por valor de 2,9 millones de euros. Finalizó en 2014 y sus resultados pueden encontrar aplicaciones en diversos campos. Dos ejemplos de estas aplicaciones posibles son la vigilancia medioambiental y las operaciones de búsqueda y rescate. Puedes leer más acerca de los «robots enjambre» en goo.gl/ Ct94pN, y ver cómo funcionan en los siguientes enlaces: goo.gl/ fDQdvF y goo.gl/HM0dQH.

Robots tipo Lily del proyecto COCORO actuando en grupo en una piscina.

Re fl exi o n a y r e sp o n d e 1. Observa la fotografía superior. ¿De qué crees que están compuestos los robots a los que se refiere la noticia? ¿Serán los mismos componentes que los que forman la materia viva? Investiga y justifica tus respuestas.

2. En la noticia, se habla de robots que interactúan entre sí y aprenden. ¿Pueden los robots desarrollar la función de relación? Explica por qué se les llama «robots enjambre».

3. ¿A qué se refiere el texto cuando dice que los robots forman un sistema cognitivo? ¿Pueden los robots relacionarse con el medio? Explica de qué forma.

4. Además de la función de relación, hay otras dos funciones vitales que realizan los seres vivos. ¿Podrían realizarlas estos robots? Explica por qué. 5. Tras leer el texto y reflexionar sobre estos robots, responde: ¿qué crees que es lo que hace a los seres vivos especiales? 6. Elabora una hipótesis para explicar cómo pueden aplicarse estos robots a la vigilancia medioambiental.

6

UNIDAD 1. ORGANIZACIÓN Y COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS

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1. Características que definen a los seres vivos

Los insectos son atraídos por las flores (relación), obtienen de ellas el alimento (nutrición) y, a su vez, contribuyen a la polinización (reproducción).

Coronavirus, causantes de enfermedades respiratorias, en un alveolo pulmonar.

A pesar de las múltiples diferencias que observas a simple vista, los seres vivos tienen mucho en común y se distinguen claramente de la materia inerte. Cualquier ser vivo, por simple que sea, es siempre más complejo que cualquier forma de materia inerte.

Tú respondes Trata de señalar al menos cinco características que tengan en común una bacteria, un abeto, una ballena y una seta.

1.1. ¿Qué tienen en común todos los seres vivos? Podemos señalar las siguientes características: •

Están compuestos por los mismos elementos químicos, los bioelementos, y las mismas moléculas, las biomoléculas, es decir, presentan unidad en su composición química.

•

Están constituidos por células. La célula es la unidad estructural, funcional y reproductora de los seres vivos. Los seres vivos más sencillos están formados por una única célula.

•

Son capaces de realizar tres funciones vitales, nutrición, relación y reproducción, y de mantener una constancia en estas funciones vitales.

•

Presentan niveles de organización de complejidad creciente. Son numerosos los seres unicelulares, pero, por ejemplo, animales y vegetales muestran tejidos, órganos, aparatos y sistemas.

1.2. Las funciones vitales Los seres vivos se nutren, se relacionan y se reproducen. La capacidad para llevar a cabo estas funciones es lo que constituye la condición de vivir. Las funciones vitales son los mecanismos que permiten a los seres vivos interactuar con el medioambiente: la nutrición y la relación posibilitan el mantenimiento de los individuos y la reproducción la supervivencia de la especie.

A. Nutrición La función de nutrición consiste en el intercambio de materia y energía con el entorno. Los organismos autótrofos, como las plantas, fabrican materia orgánica a partir de la materia inorgánica gracias a la energía del sol, son fotoautótrofos. Los organismos heterótrofos, como los hongos o los animales, obtienen la materia y la energía de la degradación de compuestos orgánicos, son quimioheterótrofos. El conjunto de reacciones químicas que tiene lugar en las células con el objetivo de completar su función de nutrición se denomina metabolismo celular.

Ac t i v i d a d e s 1> Los virus, formados por biomoléculas, son parásitos intracelulares obligados que utilizan la maquinaria de una célula para hacer miles de copias de sí mismos. Argumenta qué características propias de los seres vivos poseen y de cuáles carecen. 2> Explica tres similitudes y tres diferencias entre la nutrición autótrofa y la heterótrofa. ¿Para qué precisan los seres vivos realizar la función de nutrición? Razona tu respuesta.

7

UNIDAD 1. ORGANIZACIÓN Y COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS

B. Relación

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La función de relación permite a los seres vivos obtener información del medio que los rodea, así como del propio medio interno, y dar la respuesta adecuada en cada momento. Cada célula de un organismo pluricelular necesita, para realizar su función dentro del conjunto en el que vive, estar incluida en un medio líquido óptimo que le permita vivir y realizar sus funciones. A este medio líquido en continuo equilibrio se le denomina medio interno. Las funciones de nutrición y relación permiten a los seres vivos el mantenimiento de la homeostasis, equilibrio del medio interno del organismo independiente del medio externo.

Los organismos reaccionan ante los cambios fisicoquímicos que se producen en el medio de diferente forma en función de su grado de desarrollo.

Organismos unicelulares y pluricelulares sin tejidos

No hay células especializadas. En los organismos unicelulares y pluricelulares sin tejidos, la captación del estímulo y la emisión de la respuesta las realiza el mismo tipo de célula. Suelen ser procesos muy sencillos relacionados con la nutrición o la reproducción.

Recuerda El medio interno de los seres pluricelulares presenta unas propiedades físico-químicas que los caracterizan y que afectan directamente a la supervivencia de las células, como son: el pH, la temperatura, la presión osmótica, la densidad, los gases, etc., así como la presencia de nutrientes esenciales y señales químicas informativas.

Organismos pluricelulares con tejidos Aparecen células específicas encargadas de la captación de los estímulos y de la emisión de la respuesta. Suelen aparecer sistemas de coordinación.

En plantas, existe un sistema de En animales, además del sistema de coordinación hormonal. coordinación hormonal, hay un sistema nervioso.

C. Reproducción

La función de reproducción consiste en generar nuevos seres vivos con características similares a partir de uno o varios progenitores. La finalidad no es la conservación del individuo, sino la perpetuación de la especie en el tiempo. Hablamos de reproducción sexual cuando intervienen dos progenitores y los organismos resultantes presentan una mezcla de las características de ambos. Decimos reproducción asexual cuando interviene un solo progenitor y los organismos resultantes son idénticos a él.

Ac t i v i d a d e s

3> Clasifica, en relación con la función vital a la que se refieren, las siguientes situaciones y estructuras (puedes organizarlo en columnas): a) Respuesta inmunitaria en vertebrados. d) Fotosíntesis. g) Gemación. b) Frutos.

e) Depredación.

h) Defecación.

c) Néctar de las flores.

f) Espinas de una rosa.

i) Cuidado de las crías.

4> La elección de pareja en el pingüino de Magallanes se realiza de una manera singular. Las hembras seleccionan al macho que ha fabricado el mejor nido. Este macho ayudará a la hembra a cuidar el huevo durante el invierno y, en muchas ocasiones, formará pareja con la hembra para el resto de su vida. En este proceso, intervienen varias funciones vitales, ¿sabrías explicar cuáles son?

8

UNIDAD 1. ORGANIZACIÓN Y COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS

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1.3. Los niveles de organización de los seres vivos Desde la aparición de los primeros seres vivos hace unos 3 500 millones de años, han surgido formas vivas progresivamente más complejas. Al abordar su estudio, debemos tener en cuenta los niveles de organización y las propiedades emergentes de cada una de ellas. Las propiedades emergentes son aquellas que surgen en los sistemas fruto de las interacciones entre las partes que los integran.

3.o Nivel orgánico

En la mayor parte de los organismos multicelulares, las células forman tejidos, conjuntos de células semejantes especializadas en realizar un trabajo determinado. A su vez, los tejidos se disponen en estructuras con funciones específicas, los órganos. Un grupo de órganos que cooperan para ejercer una función vital constituyen un aparato o sistema. Aparatos y sistemas colaboran con una coordinación perfecta, conformando un ser vivo pluricelular.

Célula

Huesos

Aparatos

Tejido óseo

Tejido

2.o Nivel celular

Los orgánulos son estructuras especializadas en diferentes funciones que se encuentran en el interior de las células.

Orgánulos

La célula es la unidad básica de la vida, capaz de llevar a cabo todas las funciones vitales; de hecho, son numerosos los seres vivos unicelulares (bacterias, fermentos, algas unicelulares, protozoos…).

Moléculas

Átomos

1.o Nivel molecular Los átomos de determinados elementos se combinan formando las moléculas de los seres vivos, las biomoléculas. Varios tipos de biomoléculas se unen para formar complejos supramoleculares. Los virus, constituidos por la asociación de proteínas y un ácido nucleico, se sitúan en este nivel.

Ac t i v i d a d e s 5> Los virus están formados por proteínas y una molécula de ácido nucleico. Argumenta qué nivel de organización han alcanzado. 6> Elabora una tabla con varios ejemplos de cada uno de los niveles de organización presentes en los seres vivos.

9

UNIDAD 1. ORGANIZACIÓN Y COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS

Los diferentes niveles pueden agruparse en tres tipos: Niveles abióticos: comunes a los seres vivos y a la materia inerte. Son los átomos y las moléculas.

•

Niveles bióticos: exclusivos de los seres vivos. Están en este nivel orgánulos, células, tejidos, órganos, aparatos o sistemas y organismos.

•

Niveles ecológicos: formados por la agrupación de organismos. Son las poblaciones, las comunidades y los ecosistemas.

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•

4.o Nivel de ecosistema Los individuos no están aislados, sino que se relacionan con otros de su especie, con el fin de buscar alimento, aparearse, protegerse, etc. Todos los seres de una misma especie que conviven en un área determinada forman una población.

Población

Las diferentes poblaciones que habitan en una zona, relacionándose entre sí, componen la biocenosis o parte viva de los ecosistemas. El conjunto de todos los ecosistemas de la Tierra es la ecosfera, en la cual interaccionaban biosfera, atmósfera, hidrosfera y litosfera.

Organismos superiores

Comunidad

Ecosistema

Ac t i v i d a d e s

7> Observa las imágenes y explica cuál es el nivel de organización más complejo que presentan; clasifícalos en abiótico, biótico y ecológico.

10

UNIDAD 1. ORGANIZACIÓN Y COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS

49%

2. Composición química de los seres vivos 50

49 %

40

Los elementos que forman la materia viva se denominan bioelementos. Han sido seleccionados a lo largo de la evolución por sus características especiales. No son los más abundantes en la corteza30terrestre ni en la troposfera, pero son los idóneos para formar las biomoléculas.

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26%

26 %

O O

SI Si

Tú respondes 20 7,5% 6,8% 7,5 % 4,7% 3,4% 2,6% 6,8 % 4,7 % 3,4 % 2,6 % AL Fe Ca Na Otros Al Fe Ca Na Otros

a) Elementos más abundantes en la corteza terrestre. 62,8 %

¿Cuáles son los cuatro bioelementos que, sumados sus porcentajes, constituyen más del 10 95 % de la materia viva? SI AL Fe Ca 2.1. 0LosO bioelementos

Na

Otros

Según su abundancia en los seres vivos, los bioelementos se clasifican en: bioelementos primarios, secundarios y oligoelementos.

Bioelementos primarios Se incluyen en este grupo C, H, O y N que, conjuntamente, conforman más del 95 % de la materia viva. Algunos autores incluyen el P y S en los secundarios.

19,4 %

O

C

9,3 % H

5,1 % N

1,4 % 0,6 % 1,4 % Ca

P

Otros

b) Elementos más abundantes en el cuerpo humano.

C, H, O y N poseen propiedades que les permiten formar una enorme diversidad de moléculas orgánicas estables con estructuras y funciones diferentes. Forman enlaces covalentes muy estables, simples, dobles e incluso triples, lo que apor1 ta mayor versatilidad a las moléculas. H

El carbono está presente en la mayoría de las moléculas de los seres vivos. Forma cuatro enlaces covalentes situados en los vértices de un tetraedro (equidistantes). • Forma dobles y triples enlaces. • Se une al resto de bioelementos primarios formando grupos funcionales.

Recuerda

Los átomos se unen para formar moléculas por medio de tres tipos de enlaces: iónicos, covalentes y metálicos. Los más frecuentes en la materia viva son los covalentes y los iónicos.

1,0 Hidrógeno 4 3

Li

Todos los bioelementos priNº atómico Símbolo marios excepto el hidróge6 la zona No metalesno se encuentran C enMasa 12,0 de la tabla electronegativa atómica 109,5°Metales periódica. Carbono

Be

9,0 6,9 Litio Berilio 12 11

Na Mg

23,0 24,3 Sodio Magnesio 21 20 19

Nombre

22

Ti

23

24

Ca

Sc

Rb

Sr

Y

Zr

Nb Mo

covalentes, a Tc Ru Rhdando Pd lugar Ag Cd

Cs

Ba

La

Hf

Ta

Re

Cr

6

B

C

Al

Si

8

7

N

O

P

S

45,0 47,9 39,1 40,1 50,9 52,0 Potasio Calcio Escandio Titanio Vanadio Cromo Manganeso Hierro Cobalto Níquel Cobre Cinc entre ellos enlaces 45 41 44 48 43Forman 46 47 38 39 37 42 40

9

He 4,0

Helio 10

F

Ne

Cl

Ar

Br

Kr

10,8 12,0 14,0 16,0 19,0 20,1 Boro Carbono Nitrógeno Oxígeno Flúor Neón 17 15 14 16 13 18 27,0 28,1 31,0 32,1 35,5 39,9 Aluminio Silicio Fósforo Azufre Cloro Argón 31 34 33 35 36 32

El hidrógeno es el único 27 26 29 30 28 bioelemento primario elecMn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se tropositivo. 55,8 58,9 58,7 63,5 65,4 69,7 72,6 74,9 79,0 54,9

25

K

V

5

2

79,9 83,8 Galio Germinio Arsénico Selenio Bromo Kriptón 52 51 49 53 50 54

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

85,5 87,6 88,9 91,2 92,9 95,9 (99) 101,1 102,9 106,4 107,9 112,4 114,8 118,7 121,8 127,6 126,9 131,3 los grupos funcionales. Rubidio Estroncio Itrio Circonio Niobio Molibdeno Tecnecio Rutenio Rodio Paladio Plata Cadmio Indio Estaño Antimonio Teluro Yodo Xenón 86 84 74 82 81 56 57 77 79 85 72 78 76 75 83 73 80 55

W

Os

Ir

Pt

Au

Hg

132,9 137,3 138,9 178,5 180,9 183,9 186,2 190,2 192,2 195,2 197,0 200,6 204,4 207,2 209,0 (210) (210) (222) Cesio Bario Lantano Hafnio Tántalo Wolframio Renio Osmio Indio Platino Oro Mercurio Talio Plomo Bismuto Polonio Astato Radón 88 89 87 66 69 67 63 64 71 61 70 68 65 59 58 60 62

Bioelementos secundarios

Fr Ra Ac Están presentes en proporciones 4,5 %. conYb fun- Lu (223) (226) (227) Dy relacionados Ho Er Tm Eu Algunos Gd Tbestán Ce Prmenores, Nd Pmun Sm 140,1 145 150,4 162,5son 168,9 forma 164,9 152,0 157,3 158,9 144,3 173,0 175,0 Radio Actinio cionesFrancio generales y aparecen en 140,9 todos los seres vivos. Ejemplo de ello el 167,3 Mg, que Cerio Praseodimio Neodimio Prometio Samario Europio Gadolinio Terbio Disprosio Holmio Erbio Tulio Iterbio Lutecio parte de laLíquido molécula estructuras e interviene 92 que 91 el Ca, 93 genera 97 esqueléticas 90 94 101 95 96 102 en103 100 98 99 a 25 ºC de clorofila; Gas a 25 ºC , 1 atm. la contracción muscular, en Th la coagulación sanguínea y enCm la transmisión del impulso Pa U Np Bk Cf Es Pu Am Fm Md nervioNo Lr 232,0 231 238,0 (237) (242) (243) (247) (247) (251) (254) (253) (256) (254) (257) por síntesis so, y el NaObtenido y el K, necesarios para la conducción nerviosa y la contracción muscular. Proactinio Neptunio Californio Einstenio Mendelevio Curio Plutonio Americio Uranio Torio Berkelio Nobelio Laurencio Fermio Sólidos

Oligoelementos Presentes en cantidades inferiores al 0,1 %, algunos son imprescindibles y otros varían según el tipo de organismo. Son ejemplos de oligoelementos los siguientes: Mn, Fe, Co, Cu o Zn.

Ac t i v i d a d e s 8> Busca información y elabora una tabla con los principales oligoelementos y las funciones que desempeñan.

11

UNIDAD 1. ORGANIZACIÓN Y COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS

2.2. Las biomoléculas

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Los compuestos químicos que compartimos todos los seres vivos se llaman biomoléculas. Estas se clasifican en: •

Inorgánicas: más simples, con pocos átomos, no exclusivas de la materia viva y pobres en energía. Son el agua, las sales minerales, el O2 y el CO2.

•

Orgánicas: exclusivas de la materia viva y ricas en energía. Son los glúcidos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos. Composición química del ser humano

Biomoléculas orgánicas

Lípidos 9%

Glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos (representan un 0,5 % del total).

Están formadas por cadenas de átomos de carbono unidos covalentemente a H, N, O y, en menor proporción, a P y S.

Los monómeros son moléculas pequeñas que se unen con otros monómeros, cientos e incluso miles de veces, para formar macromoléculas, denominadas polímeros. Cada uno de los grupos de biomoléculas orgánicas está constituido por monómeros característicos.

Minerales 1%

Proteínas 16 %

presentan una serie de propiedades

La mayoría son macromoléculas, polímeros formados por la unión de monómeros.

Glúcidos 4%

Agua 70 %

Grupos funcionales: son combinaciones de átomos de C, H, O, N, P y S que confieren propiedades físico-químicas específicas a las moléculas orgánicas.

Presentan grupos funcionales de los que dependen muchas de las propiedades de cada molécula.

Polímero

Monómero

Principales monómeros monómeros de de las las biomoléculas biomoléculas orgánicas orgánicas Principales

GLUCOSA: GLUCOSA: monómero monómero de de muchos muchos GLÚCIDOS GLÚCIDOS

ÁCIDO GRASO: monómero de muchos muchos LÍPIDOS

AMINOÁCIDO: monómero de las PROTEÍNAS

CH2OH H C H C OH HO C H

O H H C C OH OH

H H H H H C C C C H H H H

H C

H H C C

H H C C

H H H H H C C C C C

H

H H

H H

H H H H H

H O C C OH H

H

0

NH2 C

C

CH2

NUCLEÓTIDO: NUCLEÓTIDO: monómero de ÁCIDOS los monómero de los ÁCIDOS NUCLEICOS NUCLEICOS

NH2 N

O OH

HO P O OH

O

N

N N

OH OH OH

Ac t i v i d a d e s

9> Elabora una tabla en la que clasifiques las siguientes sustancias en bioelementos primarios, bioelementos secundarios, oligoelementos y moléculas: S, K+, Ca2+, H2O, Y, Fe, O2 y CO2. Argumenta tu respuesta explicando algunas de las funciones de cada sustancia. 10> Explica tres características por las que el carbono es la base de la materia viva.

11> En estudios de biología, se emplean con frecuencia los organismos modelo. Se trata de organismos sencillos cuyo estudio nos aporta información extrapolable a otros más complejos. ¿Cuál es el fundamento del empleo de estos organismos?

12

UNIDAD 1. ORGANIZACIÓN Y COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS

A. Agua

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El agua es la molécula más abundante en la mayor parte de los organismos y posee propiedades que la hacen imprescindible para la vida en la Tierra.

Estructura, propiedades y funciones biológicas del agua

δ–

La fuerte polaridad del enlace covalente O–H hace que aparezcan regiones electropositivas δ – y regiones electronegativas δ + en la molécula, se forman dipolos.

O

H

δ

104,5º

+

δ–

H δ+

La interacción electrostática origina puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua.

O

H

H

δ–

δ+

δ+

O

Los dipolos unidos por puentes de hidrógeno forman redes tridimensionales. Esta estructura le proporciona una serie de características químicas responsables de algunas de las propiedades del agua.

Elevada fuerza intermolecular (debida a los puentes de hidrógeno)

H

H

δ+

δ+

100 °C

82,5 °C

Presenta elevados puntos de fusión y ebullición, por lo que funciona como regulador térmico en los seres vivos.

Capacidad disolvente (debida a su fuerte polaridad)

Salsin sin disolver disolver Sal

Agua a 4Agua Agua °C aa44°C °C

Hielo Hielo

Hielo

Tiene su máxima densidad a 4 ºC. En el hielo, el número de puentes de hidrógeno entre las moléculas es mayor que en el agua. Esto permite la vida bajo el hielo.

Saldisuelta disuelta Sal

Es la base de los líquidos circulantes de los seres vivos y el medio en el que suceden las reacciones químicas.

Agua

Alcohol

Existe una fuerte cohesión entre las moléculas, proporcionando al agua capilaridad, tensión superficial y capacidad para actuar como esqueleto.

Investiga. Propiedades del agua Una interesante propiedad del agua es la tensión superficial, que permite a muchos pequeños invertebrados vivir en la superficie del agua. Toma los siguientes elementos: agua del grifo, un vaso, unos clips metálicos, un poco de detergente y una varilla. Pon el agua en el vaso y coloca suavemente los clips. A continuación saca los clips, echa un poco de detergente en el vaso con agua y agita la mezcla, vuelve a colocar suavemente los clips. ¿Qué ha ocurrido? Redacta un informe explicando en qué consiste la tensión superficial y cómo varía a lo largo de este experimento. Puedes ver este y otros experimentos que ponen de manifiesto las propiedades del agua en el siguiente vídeo: goo.gl/NzyqXU.

Ac t i v i d a d e s

12> Explica las funciones biológicas del agua en los seres vivos relacionándolas con las propiedades fisicoquímicas de la molécula. Pon ejemplos. A

B

13> Observa las imágenes y explica qué propiedad del agua se pone de manifiesto en cada una:

C

D

13

UNIDAD 1. ORGANIZACIÓN Y COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS

B. Sales minerales

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Las sales minerales son moléculas inorgánicas que podemos encontrar en dos formas en los seres vivos: como sales precipitadas o sólidas y como sales ionizadas, que forman parte de los líquidos intracelulares y extracelulares. Los iones más comunes son los aniones como Cl-, PO43-, CO3=, HCO3- y cationes como Na+, K+, Ca+2, Mg+2 y Fe+2.

Funciones biológicas de las sales minerales Sales sólidas: función estructural de protección

Endurecimiento de células vegetales, como en la epidermis de las gramíneas, con células silíceas.

Caparazones de crustáceos y moluscos, de carbonato cálcico.

Esqueleto interno de los vertebrados, formado por: fosfatos, cloruros y carbonatos de calcio.

Investiga. La composición de los huesos

El esqueleto de los vertebrados está formado en su mayor parte por sales precipitadas, sales de calcio (CaCO3). Toma los siguientes elementos: huesos de pollo limpios, vinagre de vino y agua fría. Pon los huesos en un recipiente lleno de vinagre y déjalos

durante cinco días. Pasado el tiempo, sácalos y lávalos con agua fría. ¿Qué ha ocurrido? ¿Cómo ha actuado el vinagre? ¿Dónde están las sales ahora? Elabora un informe en el que expliques qué ha ocurrido.

Las sales minerales ionizadas tienen una función homeostática: responsable de controlar el pH y regular la presión osmótica del medio interno.

La presión osmótica es la fuerza con la que el agua se desplaza desde una disolución con pocas sales, diluida, a una con muchas sales, concentrada, a través de una membrana semipermeable para igualar las concentraciones de las dos disoluciones y alcanzar el equilibrio. La concentración de una disolución con respecto a otra puede ser: hipotónica, isotónica o hipertónica.

Equilibrios osmóticos Medio hipotónico: con menor concentración de sales. El agua se desplazará hacia el interior de la célula, pudiendo llegar a producir la ruptura de la célula.

Medio isotónico: con la misma concentración de sales. El agua no se desplazará (entrará y saldrá), por lo que la célula permanecerá igual.

Medio hipertónico: con mayor concentración de sales. El agua se desplazará hacia el exterior de la célula, por lo que la célula perderá agua y se arrugará.

Membrana semipermeable Célula vegetal

Solución hipertónica

Solución hipotónica

Solución isotónica

Célula animal

Ac t i v i d a d e s

14> La composición química media de los huesos humanos es:

a) ¿Qué proporción de biomoléculas inorgánicas tiene?

• Materia orgánica (30 %): proteína de naturaleza colágena (osteína).

b) ¿De qué tipo son? ¿Cuáles serán sus funciones? Justifica tus respuestas.

• Materia inorgánica (45 %): fosfato de calcio, carbonato de calcio, fluoruro de calcio, fosfato de magnesio.

c) ¿Qué proporción de biomoléculas orgánicas tiene? ¿De qué tipo son? ¿Cuáles podrían ser sus funciones? Justifica tus repuestas.

• Agua (25 %). Responde a las cuestiones:

15> ¿Qué le ocurriría al eritrocito si lo introdujéramos en agua destilada? Razona tu respuesta.

14

UNIDAD 1. ORGANIZACIÓN Y COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS

C. Glúcidos

Bioquímica 2.0

Los glúcidos son biomoléculas orgánicas muy abundantes en los seres vivos.

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En el siguiente enlace, puedes observar con detalle cómo se cicla una hexosa para adquirir una conformación más estable: goo.gl/fPBexo. Tras observar la ciclación de la glucosa, ¿crees que se mantienen los grupos funcionales de la molécula? Identifícalos y razona tus respuestas.

(CH2O) n 8 Observa el enlace O-glucosídico. ¿Entre qué moléculas se forma? ¿Entre qué grupos funcionales? ¿Qué se desprende? ¿Qué grupos funcionales podemos encontrar en un disacárido? Argumenta tus respuestas. 17> Observa la molécula de sacarosa. ¿Por qué dos monosacáridos está formada? ¿Qué tipo de enlace se forma? ¿Y en la lactosa? Razona tus respuestas. 18> Observa las moléculas de glucosa y fructosa. ¿Qué grupos funcionales presenta cada una? ¿Se mantienen los grupos funcionales cuando se cicla la molécula? Justifica tus respuestas. 19> El exoesqueleto de los artrópodos debe muchas de sus propiedades al polímero por el que está formado, la quitina. Investiga y responde a las siguientes cuestiones: a) ¿Qué tipo de biomolécula es? ¿Cuál es el monómero que se repite? b) ¿Qué tipo de enlace se forma? Razona todas tus respuestas.

20> Observa y responde a las siguientes cuestiones: CH2OH

CH2OH

A

CH2OH

H

O

B

CH

O

HO

OH

OH OH

CH2

O

…O

O

…O

OH

O OH

CH2OH

O

HO O

OH

OH …O

O OH

CH2

O

OH O OH

7–11

O… OH

a) ¿Cuál es el monómero? ¿Y el polímero? Identifica y clasifica la biomolécula A. b) ¿Qué tipo de biomolécula es B? ¿Cuál es su función en animales? ¿Qué biomolécula cumple la misma función en las plantas? c) ¿Qué tipo de enlace aparece en la molécula B? ¿Entre qué grupos funcionales se forma? d) Explica las funciones de la molécula A.

16

UNIDAD 1. ORGANIZACIÓN Y COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS

D. Lípidos ¿Sabías que...?

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Los ácidos omega 3, 6 y 9 son ácidos grasos poliinsaturados caracterizados por ser esenciales para el ser humano (no pueden ser sintetizados por el organismo y deben ser ingeridos con la dieta). Son abundantes en los frutos secos y el pescado azul.

Los lípidos forman un grupo de biomoléculas orgánicas muy heterogéneo. En este grupo, puedes encontrar moléculas con una composición y una estructura muy diversas, pero con un comportamiento químico muy similar. Se trata de moléculas fuertemente apolares. Monómero

Bioelementos

Ácidos grasos u C, H, O y P otros

O

Enlace Tipo éster

C OH Ácido carboxílico R

Lípidos saponificables: contienen ácidos grasos en su estructura; son los acilglicéridos, los céridos y los fosfolípidos. Lípidos insaponificables: no contienen ácidos grasos en su estructura; son los terpenos y los esteroles.

Los ácidos grasos y los lípidos saponificables

La imagen muestra la molécula de colesterol.

HO

Grupo funcional

En función de la presencia o ausencia de ácidos grasos en su estructura, se clasifican en dos grandes grupos:

Bioquímica 2.0

CH3

Fórmula general Cadenas de C y H con poco O; pueden contener P

Ácidos grasos Ácido oleico (SATURADO)

H3 C CH3 CH

H3C CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH CH CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 C

CH2

Grupo carboxílico

CH2 CH2 CH

CH3

H3 C

Habrás oído hablar del colesterol «bueno» y el colesterol «malo». Visualiza el siguiente vídeo: goo.gl/03b4cy ¿Cuál es la diferencia entre los dos tipos de colesterol?

Los fosfolípidos, al igual que los ácidos grasos, son moléculas anfipáticas: tienen una parte hidrofílica, con afinidad por el agua, y otra hidrofóbica, que tiende a mantenerse separada del agua. Esto hace que, en un medio acuoso, formen estructuras tales como las micelas, los liposomas y las bicapas, que constituyen la base de las membranas biológicas.

Doble enlace entre carbonos; aparece en los ácidos grasos insaturados. Disminuyen el punto de fusión de las grasas.

OH

0

En los ácidos grasos saturados, encontramos enlaces simples entre carbonos. Tienen mayor punto de fusión.

CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 C

Ácido palmítico (SATURADO)

OH

0

Los sebos y mantecas son sólidos a temperatura ambiente. Están formados por ácidos grasos saturados en su mayor parte.

Acilglicéridos

Céridos

Formación de enlaces tipo éster

Enlaces tipo éster

O

O

CH3 (CH2)14 C OH O CH3 (CH2)14 C OH O CH3 (CH2)14 C

Los aceites son líquidos a temperatura ambiente. Están formados por ácidos grasos insaturados en su mayor parte.

OH

Ácidos palmíticos

CH2OH CH2OH CH2OH

Glicerol

O

CH3 (CH2)14 C O

CH2 (CH2)28 CH3

CH3 (CH2)14 C O CH2 O CH3 (CH2)14 C O CH + 3H2O

Fosfolípidos

O CH3 (CH2)14 C O CH2

Tripalmítina Cabeza polar

Cola apolar agua

cavidad acuosa

parte hidrofílica parte hidrofóbica agua agua

agua Micela

Bicapa

Liposoma

17

UNIDAD 1. ORGANIZACIÓN Y COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS

entre otros.

Clasificación de los lípidos

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Tipo de lípido

Estructura

Ejemplos y función Lípidos con ácidos grasos

Acilglicéridos

Glicerol + 1, 2 o 3 ácidos grasos saturados o insaturados. Los ácidos grasos no suelen aparecer libres en la naturaleza.

Triglicérido

Glicerina

H H

C

O O

C

Las grasas son la principal reserva de energía de los animales, que las almacenan en el tejido adiposo. Actúan también como aislante térmico.

O H

C

O

H

C

O

Tienen función de reserva de energía. Aceites: con ácidos grasos insaturados o de cadena corta, líquidos a temperatura ambiente. Se encuentran en plantas oleaginosas, como el fruto del olivo; en semillas de girasol, maíz, soja, etc. Grasas animales: • Mantecas: son grasas semisólidas a temperatura ambiente. • Sebos: grasas sólidas a temperatura ambiente, con ácidos grasos saturados.

C O C Ácido graso

H

Ceras

Alcohol graso (alcohol de cadena larga + ácido graso saturado o insaturado).

Fosfoglicéridos

Fosfolípidos

Esfingolípidos

Los dos extremos de la molécula son hidrófobos, es decir, repelen el agua, por lo que actúan como impermeabilizantes de plumas, pelo, piel, hojas, frutos, etc., sobre los que forman una capa protectora. La más conocida es la fabricada por las abejas. Glicerol + 2 ácidos grasos + grupo fosfato unido Función estructural, son los principales componentes de las membranas biológicas. a un alcohol de cadena corta. Los esfingolípidos son frecuentes en las células nerviosas. La esfingomielina Esfingosina (aminoalcohol de cadena larga) + ácido graso + grupo fosfato unido a un alcohol forma las vainas de mielina de los axones de las neuronas. de cadena corta.

Lípidos sin ácidos grasos

Terpenos

Polímero de isopreno

Esteroides

Derivados del esterano

12 11

CH3 1

6

9

2

10 5

3 4

7 6

CH3

17

13

16

14

15

Función reguladora, vitaminas liposolubles como la A, la E y la K. Pigmentos fotoprotectores como el β-caroteno. El colesterol realiza importantes funcioColesterol nes: • Función estructural, forma parte de las membranas de las células animales (a las que aporta fluidez). • A partir de él, se forman las hormonas esteroideas, como las hormonas sexuales, la vitamina D y los ácidos biliares.

Fosfolípidos

Ac t i v i d a d e s

21> La tripalmitina (triglicérido del ácido palmítico) forma el 75 % de la manteca de vaca; la trioleína (triglicérido del ácido oleico) forma la fracción mayoritaria de los ácidos del aceite de oliva. Compara estas moléculas y da una explicación al diferente comportamieto químico de los dos triacilglicéridos en función de su composición. 22> Observa las siguientes imágenes e identifica qué tipo de lípido aparece y qué función se pone de manifiesto. A

B

C

D

18

UNIDAD 1. ORGANIZACIÓN Y COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS

E. Proteínas Recuerda

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Existen una serie de aminoácidos que no somos capaces de sintetizar y que debemos ingerir con la dieta: son los aminoácidos esenciales. Estos aminoácidos pueden ser diferentes en función de las características metabólicas de cada especie. En el ser humano, de los 20 aminoácidos que en total conforman las proteínas, hay ocho esenciales. Las proteínas de origen animal contienen en mayor proporción estos aminoácidos, por lo que se denominan proteínas de alto valor biológico.

Estructura primaria, secuencia de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos desde el amino libre hasta el carboxilo libre.

Bioquímica 2.0

En el siguiente enlace: goo.gl/zXWvd, puedes ver una sencilla representación del plegamiento de una proteína. Tras ver el vídeo, ¿qué crees que representan las letras que aparecen al principio? ¿Cuántos grados de plegamiento aparecen?

Las proteínas figuran entre las moléculas orgánicas más abundantes en la mayoría de los sistemas vivos. Son largas cadenas de aminoácidos. Hay 20 aminoácidos diferentes que forman parte de las proteínas. Las proteínas se diferencian unas de otras en la secuencia de aminoácidos que, a su vez, condiciona la estructura tridimensional de la proteína y, por lo tanto, su función. Monómero

Bioelementos

Aminoácido

C, H, O, N y S

Fórmula general

Grupo funcional Ácido carboxílico

Varía en función del grupo R del aminoácido

Enlace

Amino

O

R3

R C OH

N

R1

Peptídico

R2

Aminoácidos y enlace peptídico Aminoácidos Alanina

Grupo amino

Grupo carboxilo

H H2 N

C

Formación del enlace peptídico

O

Aminoácido 1 +

H3 N

R1 CH

C

H

R2

N

CH

Aminoácido 2 COO –

O

C OH

CH3

OH + H

H2 O Grupo que varía en función del aminoácido R

Dipéptido

+

H3 N

H2 O

R1 CH

C O

La secuencia se repliega sobre sí misma formando estructuras secundarias y terciarias mantenidas por enlaces débiles.

Átomos que reaccionan

H

R2

N

CH COO – Enlace peptídico C-N

Varias moléculas con estructura terciaria pueden asociarse para formar moléculas con estructura cuaternaria. Algunas moléculas con importantes funciones fisiológicas, como la hemoglobina o la clorofila, tienen este tipo de estructura.

Desnaturalización

Las funciones de las proteínas dependen del mantenimiento de la estructura tridimensional, es decir, de la forma espacial de la proteína. Las variaciones de pH, temperatura o concentración salina pueden provocar el estiramiento de la proteína, la desnaturalización, y, aunque los aminoácidos se mantienen unidos, la proteína pierde su función. Así como los glúcidos y los lípidos son comunes, muchas de nuestras proteínas presentan diferencias, pues son ellas las que determinan las características y las funciones de los seres vivos. Dos organismos son semejantes en la medida en que lo son sus proteínas.

Investiga. ¿Cómo varía la estructura de las proteínas? Los diferentes niveles estructurales de las proteínas, a excepción de la estructura primaria, se mantienen gracias a interacciones débiles. Los ácidos, como el vinagre o el limón, pueden alterar estos niveles. Toma los siguientes elementos: dos recipientes de vidrio, 10–15 mL de vinagre, 10–15 mL de jugo de limón, 40–50 mL de leche y una cuchara. Mezcla en un recipiente la leche con el vinagre y en otro la leche con el zumo de limón. Remueve con la cuchara y observa. ¿Qué ha ocurrido? ¿Por qué? Redacta un informe explicando el proceso que ha tenido lugar en cada caso.

19

UNIDAD 1. ORGANIZACIÓN Y COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS

Clasificación de las proteínas en función de la composición Tipo de proteína

Estructura

Función y ejemplos

Unión de 2-10 aminoácidos

Función de mensajeros químicos, neurotransmisores como la encefalina. Función hormonal, la oxitocina.

Péptidos

Unión de 10 a 100 aminoácidos

Función hormonal, la insulina y el glucagón.

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Oligopéptidos

Proteínas

Holoproteínas

Formadas por la unión de más Función estructural, proteínas fibrosas, el de 100 aminoácidos (miles) colágeno o la elastina. Función de reserva, la albúmina. Función contráctil, la actina y la miosina. Función defensiva, las inmunoglobulinas.

Heteroproteínas

Formadas por la unión de más Estructural y de recepción de señales, las glucoproteínas de las membranas celulares. de 100 aminoácidos y una Transporte de lípidos, los glucolípidos, de parte no proteica oxígeno, la hemoglobina.

Una importante función de las proteínas es actuar como enzimas. Las enzimas son biocatalizadores: moléculas encargadas de acelerar las reacciones químicas que suceden en el interior de los organismos. La acción enzimática debe cumplir una serie de características: •

No se consumen ni se modifican molecularmente durante la reacción.

•

Son específicas (cada enzima es capaz de actuar sobre un grupo de moléculas e incluso sobre una molécula concreta).

•

Las uniones enzima-sustrato son débiles.

•

Pueden presentar en muchos casos moléculas ayudantes o coenzimas.

Ac t i v i d a d e s

23> La imagen representa un oligopéptido. Observa y razona tus respuestas.

a) ¿Por cuántos aminoácidos está formado? b) ¿Cuántos enlaces peptídicos aparecen? Señálalos. c) Si las bolas amarillas representan azufre, ¿qué representarán las azules, las negras, las rojas y las grises?

24> Observa la imagen del aminoácido alanina y responde a las siguientes cuestiones. ¿Cuántos bioelementos pimarios aparecen en su estuctura? ¿Y secundarios? ¿Qué tipo de enlace une los átomos? ¿Con cuántos elementos diferentes se une el carbono en este aminoácido? Justifica tus respuestas. 25> Observa detenidamente la tabla de la clasificación de las proteínas y elabora tú una en la que las clasifiques según sus funciones. 26> Habrás oído decir que, si tomas zumo de naranja con leche, esta se corta. Sabiendo que la leche es rica en proteínas y que el zumo es ácido, ¿podrías explicar de dónde viene esta creencia popular? Argumenta tu respuesta. 27> Cuando una proteína se desnaturaliza, su estructura primaria no se ve afectada. ¿Por qué crees que ocurre esto? ¿Qué tipo de enlace es el enlace peptídico? 28> ¿Cuál es la función de las enzimas? ¿Se consumen durante la reacción? ¿Qué pasaría si formaran enlaces covalentes con el sustrato? Razona tus respuestas.

Recuerda Las vitaminas son biomoléculas de naturaleza variable (pueden ser lípidos, derivados de nucleótidos, derivados de aminoácidos, derivados de ácidos orgánicos, etc.) que cumplen una función reguladora en el organismo. Muchas de las vitaminas hidrosolubles que se conocen o sus derivados actúan como coenzimas.

Bioquímica 2.0 La actividad enzimática es imprescindible para el desarrollo de las reacciones químicas que ocurren en los seres vivos y, por tanto, para la vida. Las enzimas actúan de forma específica sobre los sustratos y los transforman en productos, asegurando que estos procesos ocurren a una velocidad suficiente para asegurar el mantenimiento de las funciones vitales de los seres vivos. Puedes ver el mecanismo de acción enzimática en el siguiente vídeo: goo.gl/PGifYZ ¿En qué procesos industriales se emplean comúnmente las enzimas?

20

UNIDAD 1. ORGANIZACIÓN Y COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS

F. Ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos son las biomoléculas orgánicas encargadas del almacenamiento, el transporte y la expresión de la información genética en forma de proteínas. Existen dos tipos: ADN y ARN.

¿Sabías que...?

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Además de actuar como coenzimas, los derivados de nucleótidos tienen otras funciones. Una de ellas es la de servir como moneda de cambio en el metabolismo energético. El ATP (adenosín trifosfato) es un nucleótido derivado de la adenina con tres grupos fosfato. Cada uno de los enlaces fosfato es muy rico en energía.

Monómero EL ADN

Bioelementos Fórmula general o ácido desoxirribonucleico

Nucleótido

Varía en función del tipo de base nitrogenada

C, H, O, N y P

Grupo funcional Carbonilo

Enlace

Amino

O

R3

R1 C R 2

N

R1

Fosfodiéster

R2

Ácidos nucleicos, nucleótidos y enlace fosfodiéster Nucleótido de ARN

Enlace fosfodiéster

Adenosina-5-monofosfato Grupo fosfato

Fosfato CH2

Base nitrogenada

Base

O

NH2 N

O HO

P

O

O

OH Pentosa ribosa

OH

N

O–

N

O–

O Enlace fosfodiéster

N

CH2

O–

Grupo alcohol

OH

O P

O -

OH

P

O

H 2C O -

O

P

O -

O

Bioquímica 2.0

Puedes observar los niveles de empaquetamiento del ADN en: goo.gl/oMevAi Después de ver este vídeo, ¿crees que el ADN podría empaquetarse sin la ayuda de proteínas? ¿Por qué?

P

T

OH

A O

O

O O

O

OH

P

H 2C

-

Extremo 3’

Puentes de hidrógeno

O

C

G

O

O

OH O H 2C

O

O

OH

O H2C

O

A

T

O

P

O O

CH2 O O

O

O

P

CH2 O O

G

C

CH2 O O

P

O O

CH2 O O

Base

O P

O Extremo 5’

O

P

O O

O–

La molécula de ADN está formada por dos cadenas de nucleótidos monofosfato antiparalelas y complementarias. En el espacio, adopta una forma comparable a una escalera de caracol, en la que las pentosas y los fosfatos serían los pasamanos y las bases los peldaños. Cada peldaño está formado por dos bases complementarias: la adenina, que es complementaria de la timina, y la citosina, que es complementaria de la guanina. Las bases se unen por puentes de hidrógeno (fuerzas intermoleculares débiles).

Esta estructura se denomina doble hélice y fue descrita por primera vez en 1953 por Watson y Crikc. Este modelo permite: • El almacenamiento de la información genética en la secuencia de bases. • Un mecanismo de duplicación para transmitir una copia a las células hijas. El ADN da instrucciones al ARN. Los diferentes tipos de ARN intervienen sintetizando proteínas, bajo las órdenes del ADN:

¿Dónde está el ADN? En el interior de algunos virus.

En el cromosoma y los plásmidos de las bacterias.

La mayor parte, en el núcleo de las células eucariotas. En las mitocondrias y los cloroplastos, hay una pequeña molécula de ADN, similar al de las bacterias.

21

UNIDAD 1. ORGANIZACIÓN Y COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS

EL ARN o ácido ribonucleico

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Presenta diferencias estructurales con el ADN. Sus cadenas son mucho más cortas; las moléculas son, mayoritariamente, cadenas simples, no dobles. El monosacárido de sus nucleótidos es la ribosa y sus bases nitrogenadas son las siguientes: adenina, uracilo, citosina y guanina. Tipos de ARN ARN mensajero (ARNm)

ARN ribosómico (ARNr)

ARN transferente (ARNt)

ADN ADN

¿Sabías que...? Severo Ochoa y su discípulo Arthur Kornberg obtuvieron el premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1959 por sus estudios sobre la síntesis biológica de ADN y de ARN. Un año antes, Severo Ochoa, junto con Marshak Nirenberg, ayudó a descifrar el código genético.

ARNt ARNt

ARNm ARNm

Copia el mensaje del ADN para la síntesis de una proteína, en un proceso denominado transcripción, y lo lleva a los ribosomas.

Forma parte de los ribosomas, lugares donde se realiza la traducción del mensaje del ARNm (secuencia de bases) a una secuencia de aminoácidos que formarán una proteína.

Transporta los aminoácidos hasta los ribosomas y los deja en el orden que indica el ARNm.

En la siguiente tabla, se recogen las principales diferencias entre el ADN y el ARN. ADN Estructura Monosacárido

Bases nitrogenadas Función

ARN

Bicatenario, excepto en algunos virus

Monocatenarios, excepto en algunos virus

Desoxirribosa

Ribosa

A, T, G, C

A, U, G, C

Almacenamiento y transmisión de la información genética

Formación de proteínas

Ac t i v i d a d e s

29> Observa la biomolécula y responde a las cuestiones que se plantean: a) ¿Qué tipo de biomolécula es? ¿Cuál es el monómero que se repite? ¿Cuántos monómeros tiene?

OH H +O +

–

d) Señala los grupos funcionales que aparecen en la molécula.

32> Busca información acerca del ADN satélite y responde a las cuestiones: a) ¿Qué es el ADN satélite? ¿Por qué se llama así? b) ¿Qué aplicaciones tiene el estudio de este ADN?

H+ + O –

N

O

H

H

O

OH

H

e) ¿Cuáles pueden ser las principales funciones de esta molécula?

N

N

CH2

c) ¿De qué molécula se trata? ¿Cómo puedes saberlo?

31> Observa la tabla de tipos de ARN y separa en dos columnas las similitudes y diferencias entre el ARNm, el ARNr y el ARNt.

O

O

b) ¿Por qué tipo de enlace está formada? Identifícalo.

30> Estás estudiando un ácido nucleico y sabes que tiene un 24 % de T y un 26 % de G. ¿Sabrías decir de qué tipo de ácido nucleico se trata? Razona tu respuesta.

P

NH2 N

H

P

O

O

N

O CH2 H

N

O

H

H

O

OH

H

O

22

UNIDAD 1. ORGANIZACIÓN Y COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS

3. Virus, en la frontera de la vida

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Microbiología 2.0 En el siguiente enlace: goo.gl/44OoTj, tienes una animación de la infección del virus de la gripe A. Intenta describir las acciones del virus en el interior de la célula.

Entre los distintos niveles de organización, situamos los virus en los complejos supramoleculares. Estas diminutas partículas resultaron imposibles de observar hasta que, en 1945, se construyó el primer microscopio electrónico.

Tú respondes Los virus se sitúan en la frontera de la vida. ¿Sabrías explicar por qué? ¿Qué es para ti un virus? Pueden presentar formas diversas, pero todos tienen en común su forma de actuar: parasitan a las células. Los virus son parásitos intracelulares que penetran en las células y utilizan sus moléculas y orgánulos para hacer copias de ellos. Fuera de las células carecen de actividad y se denomina viriones. Los virus están constituidos básicamente por: •

Una molécula de ácido nucleico: ADN o ARN.

•

Una cubierta de proteínas denominada cápside.

•

Una bicapa lipídica, que solo está presente en algunos virus: la envoltura. Cápside: formada por proteínas que rodean el ácido nucleico. Ácidos nucleicos: son de cadena corta y pueden ser ADN o ARN, de cadena lineal o circular, monocatenarios o bicatenarios.

Envoltura: algunos virus presentan una bicapa lipídica encargada de la unión del virus a la célula que va a parasitar.

Cada virus selecciona el tipo de célula en la que se puede multiplicar: bacterias, células animales o células vegetales. Entre las enfermedades causadas por los virus, se encuentran las paperas, la varicela, la rubeola, la viruela, la hepatitis o la gripe.

Más simples que un virus Podemos encontrar partículas infectivas todavía más simples que los virus: los viroides y los priones. Los viroides son fragmentos de ARN monocatenario que se relacionan con enfermedades en las plantas. Los priones son proteínas infectivas relacionadas con las encefalopatías espongiformes. Se denominan así por el aspecto esponjoso que adquiere el cerebro. Se trata de enfermedades mortales que afectan al sistema nervioso.

Ac t i v i d a d e s 33> ¿Qué tipo de moléculas reconocerán los virus para identificar las células específicas: glúcidos, lípidos, proteínas o ácidos nucleicos? Argumenta tu respuesta. 34> ¿Conoces la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob o sabes por qué, cuando vas a donar sangre, te preguntan si has vivido en el Reino Unido? ¿Cuál es el agente causante? ¿Cómo actúa? ¿Con qué otro nombre se conoce? ¿Qué relación tiene con el Reino Unido?

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UNIDAD 1. ORGANIZACIÓN Y COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS

Por los caminos de la ciencia

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Trabaja en el laboratorio. Identificación de biomoléculas

En esta práctica, vamos a tratar de identificar los componentes básicos de los seres vivos, algunas de las biomoléculas estudiadas en esta unidad.

MATERIALES Ensayo Materia prima Reactivos Material de laboratorio

Determinación de azúcares sencillos

Coagulación de proteínas

Detección de proteínas

Detección de ácidos grasos

Pera rallada

Clara de huevo

Clara de huevo

Aceite vegetal

Feeling A y B

Ácido acético

Biuret o HNO3 (1N) NaOH 40 %

Sudán III Tinta roja

Balanza o granatario, papel de filtro, embudo de cristal, tubos de ensayo, gradillas, agua destilada, varillas, pipetas 1 y 5 mL y aspira pipetas, baño termostático o calentador y vaso de precipitados, mechero Bunsen y pinzas.

MÉTODOS 1. Detección de azúcares sencillos Triturar 100 g de pera rallada y diluirla en 5 mL de agua destilada, remover bien y filtrar con un papel de filtro. Tomar 3 mL del filtrado y colocarlos en un tubo de ensayo. Tomar 3 mL de agua destilada y colocarlos en otro tubo de ensayo (a partir de aquí, se procederá de la misma forma en ambos tubos). Añadir 1 mL de Feeling A y 1 mL de Feeling B. Anotar el cambio de color y el tiempo que tarda en producirse. Después, poner los tubos a calentar al baño maría. ¿Qué ha ocurrido en el tubo con pera? ¿Ha ocurrido lo mismo en los dos tubos? ¿Para qué usamos el tubo con agua destilada? Razona tus respuestas. 2. Coagulación de proteínas Recoger con cuidado la clara de un huevo y colocarla en un vaso de precipitados, añadir 10 mL de agua destilada y remover con una varilla de vidrio. Tomar 2 mL de esta solución en un tubo de ensayo y 2 mL de agua destilada en otro y proceder de la misma forma con ambos tubos. Añadir 0,5 mL de ácido acético y calentar al mechero sin dejar hervir durante unos 30 segundos. Anotar lo que ocurre en ambos tubos y dejar enfriar. ¿Qué ha ocurrido? ¿Qué tipo de biomolécula será abundante en la clara de huevo? ¿Qué efecto puede tener un ácido? 3. Detección de proteínas

Tomar la otra parte de la solución de clara de huevo, echar en un tubo 2 mL de esta solución y en otro 2 mL de agua destilada. Añadir a ambos tubos 4 mL de reactivo de Biuret (se puede realizar de forma alternativa añadiendo HNO3 1N, calentando a 100 °C, enfriando con agua fría y añadiendo sosa al 40 % gota a gota hasta que se produzca el cambio de color). Espera a que se produzca el cambio de color, anota el color de ambos tubos y el tiempo que ha tardado en aparecer. ¿Qué ha ocurrido? ¿Se ha producido el mismo color que en la reacción anterior? 4. Detección de ácidos grasos Tomar tres tubos de ensayo. A dos de ellos se les añadirán 2 mL de aceite vegetal (tubos 1 y 2, respectivamente, ¡rotula los tubos y no te equivocarás!) y al tercero 2 mL de agua destilada. A los tubos 1 y 3 se añadirán tres gotas de la solución de Sudán III y al tubo 2 también tres gotas de tinta roja. Mezcla bien y deja reposar, anota lo que ha ocurrido en cada tubo y el tiempo que ha tardado en producirse. ¿Se ha originado la misma reacción en todos los tubos? ¿Por qué? ¿Por qué crees que empleamos en este caso dos tubos iguales? Tras realizar estas experiencias, debes redactar un informe de laboratorio en el que analices cada uno de los experimentos, las reacciones que se han producido y por qué, y en el que contestes a las preguntas planteadas a lo largo de la práctica. Puedes encontrar el fundamento teórico en goo.gl/VgMBMf. Podéis realizar también una sesión previa en el laboratorio para preparar los reactivos necesarios para la actividad. Así podrás poner en práctica tus conocimientos de química sobre molaridad, normalidad, porcentaje en peso, ácidos y bases y sus fórmulas.

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Actividades finales

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1. Elabora un mapa conceptual de la unidad partiendo del siguiente fragmento. realizan

Funciones vitales

formados

Los seres vivos

Primarios

puede ser

…

Orgánicas

se clasifican en

Oligoelementos

4. Observa la imagen y responde a las cuestiones: Ácido graso

CH1

O

O

2

C

O

Grupo fosfato

H

C

CH1 CH1 CH1 CH1 CH1 CH1 CH1 CH1

CH

CH 1

CH 1

CH 1

CH 1

CH 1

CH 1

O C

1

O

a) ¿Qué función o funciones vitales están representadas? ¿Cuándo se produce el máximo crecimiento? b) ¿Cuál es el estímulo? ¿Y la respuesta? ¿Hay alguna otra función vital implicada? Justifica tus respuestas. 6. Observa la tabla: Bioelementos

Glicerol 3

se clasifican en

puede ser

3. ¿Qué es la homeostasis? ¿Es una característica común a todos los seres vivos? Justifica tu respuesta.

H

Inorgánicas …

2. Emplea los siguientes términos para elaborar una definición lo más completa posible de ser vivo: nutrición, relación, biomolécula orgánica, reproducción, biomolécula inorgánica, célula.

R O C O

pueden ser

pueden ser Nutrición

Bioelementos

por

por

Reproducción

O–

formadas

Biomoléculas

C CH1 CH1 CH1 CH1 CH1 CH1 CH1 CH1 CH1 CH1 CH1 CH1 CH1 CH1 CH1

H

a) ¿De qué tipo de molécula se trata? b) Señala la parte polar y la apolar y explica el porqué de tu decisión. c) ¿Presentará comportamientos anfipáticos? Justifica tu respuesta.

5. Observa la imagen y responde:

Ser humano

Alfalfa

Bacteria

Porcentaje

Oxígeno (O)

62,81

77,90

72,68

Carbono (C)

19,37

11,34

12,14

Hidrógeno (H)

9,31

8,72

9,94

Nitrógeno (N)

5,14

0,83

3,04

Fósforo (P)

0,53

0,71

0,60

Azufre (S)

0,64

0,10

0,32

a) ¿Qué representa? ¿Cuál es el elemento que más varía en cantidad en los tres organismos? ¿A qué crees que es debido? b) ¿Cuál es el elemento menos abundante? ¿En qué biomoléculas se encuentra? c) Redacta un informe de cinco líneas en el que justifiques que el fósforo sea un bioelemento primario.

Horas de luz del día

7. Explica alguna función de la sacarosa en los organismos. ¿Para qué las empleamos nosotros? ¿En qué alimentos es frecuente que aparezca?

Temperatura media (ºC)

8. Dibuja el enlace por puentes de hidrógeno entre dos moléculas de agua. Señala dos propiedades del agua que se deban a estos enlaces.

invierno

primavera

verano

otoño

9. Realiza una tabla en la que aparezcan los siguientes conceptos: biomoléculas, monómeros, grupo funcional, tipo de enlace, polímeros, función y ejemplos.

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10. Lee el texto y responde. «La enzima encargada de procesar la lactosa presente en la leche y otros productos lácteos ingeridos en la dieta es la lactasa. Su concentración a lo largo de la mucosa intestinal es de las más bajas de entre las demás y es la única que no ve inducida su actividad enzimática por el aumento en la dieta de su principal sustrato, la lactosa».

c) ¿Son iguales todos los enlaces observados? Razona tus respuestas. 14. Observa estas imágenes de dos peces y responde: Estómago (absorbe agua)

Bebe poca agua

Bebe agua del mar

a) ¿Qué es una enzima? ¿Y un sustrato? b) ¿Qué hace la lactasa cuando entra en contacto con la lactosa? c) Infórmate: ¿en qué alimentos encontramos lactosa?, ¿qué es la intolerancia a la lactosa? Complétala con lo aprendido en la unidad.

Fibrilla de celulosa

Pared celular

El riñón produce una orina densa

Branquias El riñón produce (absorben sal) una orina diluida

Pez marino. Dorada

Pez de agua dulce. Carpa

a) ¿Qué función vital están realizando los peces? ¿Qué representan las flechas de color rojo? ¿Y las de color azul? b) ¿Necesitan los peces las sales minerales? Explica alguna función de las sales minerales en los peces.

11. Observa la figura. Fibrillas de celulosa

Branquias (excretan sal)

Microfibrilla de celulosa

c) ¿A qué se debe el diferente comportamiento de los dos peces estudiados? 15. Observa la imagen y responde a las cuestiones:

Célula vegetal

–O

H

OH H

OH H H O H CH2OH

CH2OH CH2OH CH2OH H OH H OH O O O H H H H O O O OH H OH H H H OH H OH OH H H O O O O O H H H H H H H H H OH H OH H OH CH2OH CH2OH H

1

Molécula de celulosa

2

a) Explica de qué tipo de biomólécula está compuesta la pared vegetal y el tipo de monómero. b) ¿Qué le ocurriría a la célula si se rompieran los enlaces entre los monómeros? Justifica tu respuesta. c) ¿Cómo se llama el polisacárido que aparece en la figura? ¿Cuál es su función? Justifica tu respuesta. d) ¿Cuántos monómeros crees que pueden unirse para formar una microfibrilla? ¿Y una fibrilla? Justifica tus respuestas.

12. Se han realizado varias pruebas en el laboratorio sobre una biomolécula y se han obtenido los siguientes resultados: • Es sólida a temperatura ambiente. • Contiene C, H y O. • Por hidrólisis parcial, se obtienen moléculas insolubles en agua. Explica razonadamente de qué biomolécula se trata.

13. En la siguiente web, puedes observar cómo se forma el enlace glucosídico en algunos de los disacáridos más abundantes en la naturaleza: goo.gl/hs0Y4z. a) Explica en qué cosiste el enlace glucosídico. b) ¿Entre qué grupos se forma?

a) ¿Qué estructura celular está representada? ¿Qué biomoléculas diferencias? Explica por qué se dice que la membrana es una bicapa lipídica. b) ¿Qué tipo de biomolécula forma la mayor parte de la estructura? ¿Qué representan los números 1 y 2? ¿Qué podrían ser las moléculas representadas en color verde? c) Dibuja la estructura de la molécula 1 diferenciando sus elementos. d) ¿Qué le ocurriría a la molécula 1 si aumentase la temperatura del medio? ¿Y a la molécula 2? Explica el diferente comportamiento de los dos tipos de biomoléculas. 16. La imagen representa la estructura de la hemoglobina. Responde a las cuestiones y razona tus respuestas. a) ¿Qué tipo de biomolécula es? b) ¿Cuál es su función? c) ¿Qué le ocurrirá a esta molécula cuando la temperatura corporal alcance los 40 °C?

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