Biología Compendio I: Organización de la vida

"Vista desde la luna, lo que nos asombra de la Tierra, cuando recobramos el aliento, es que está viva… Arriba, bajo la húmeda y esplendente capa de un cielo azul brillante, flota libre la Tierra naciente, el único objeto exuberante en esta parte del cosmos."

Lewis Thomas, The Lives of a Cell (1974)

Introducción a la vida en la Tierra

1.1 Biología: Ciencia de la vida

La biología es la ciencia que estudia la vida. Es un estudio organizado de los seres vivos y de sus interacciones con su entorno físico y natural. El estudio de los seres vivos tuvo su inicio en la Grecia antigua, con naturalistas como Hipócrates, Aristóteles, Galeno y Teofrasto. El término actual biología fue introducido en Alemania a principios del siglo XIX por el francés Jean Baptiste de Lamarck, con el fin de agrupar las distintas disciplinas que se referían al estudio de las formas vivas.

Tabla 1.1 Ramas de la biología

1.2 Subdivisiones de la biología

• Biología molecular: comprende biofísica y bioquímica. Implica conocimientos sobre estructura y función de ácidos nucleicos y proteínas, moléculas claves de la materia viva. Estudia además los mecanismos de la herencia y el metabolismo celular, es decir, cómo las moléculas procesan la energía necesaria para la vida.

• Biología celular: estudia estructura y funciones de la célula como unidad estructural básica de la materia viva. Los alemanes Schleiden y Schwann, entre otros, desarrollaron la teoría celular, sentando las bases que marcarían el desarrollo de la citología e histología.

• Biología de organismos: estudia funciones vitales de organismos multicelulares, gobernadas por las acciones e interacciones de sus componentes celulares. Su estudio abarca el crecimiento y desarrollo (biología del desarrollo) y su funcionamiento (fisiología), investigaciones sobre el cerebro y el sistema nervioso (neurofisiología) y comportamiento animal (etología).

• Biología de poblaciones: comprende la evolución, en la que destacan las contribuciones del británico Darwin, el estudio de las variaciones genéticas en las poblaciones (genética), de las poblaciones en su hábitat natural (ecología) y de la contribución de la genética a las relaciones sociales entre poblaciones animales (sociobiología).

1.3 Características de los seres vivos

El término vida se utiliza para englobar las características de los organismos. Los seres vivos tienen varios rasgos en común:

• La estructura ordenada de todo ser vivo (unicelular o multicelular) se denomina organización

• La suma de todas las reacciones químicas que mantienen la vida de los organismos se llama metabolismo

• Los organismos experimentan cambios físicos durante su vida (crecimiento y desarrollo)

• Adquieren energía y materiales del ambiente (nutrición). Pueden alimentarse por sí mismos (autótrofos), o depender de otros (heterórofos)

• Responden hábilmente a estímulos de su entorno (adaptación)

• Mantienen condiciones internas constantes adecuadas para la vida (homeostasis)

• Producen descendencia para conservar su especie (reproducción)

• Cambian conforme pasan las generaciones (evolución)

1.4 Organización de la vida

La organización biológica es jerárquica. Un ser vivo complejo (organismo) está organizado a los niveles químico (subatómico, atómico, molecular), celular (unicelular o multicelular), tisular (de tejidos), de órgano y de aparato o sistema.

La unidad básica de organización ecológica es la población, el conjunto de organismos. Varias poblaciones forman comunidades, cada una de las cuales se denomina ecosistema al conjuntarla con su entorno físico; un bioma es un ecosistema a gran escala. Todas las comunidades, ecosistemas y biomas del planeta combinados constituyen la biosfera.

1.5 El método científico

La biología se basa en los principios científicos de causalidad natural, uniformidad en el espacio y el tiempo y percepción común. Estos principios son supuestos que no se pueden demostrar directamente, pero que han sido validados por la experiencia. El conocimiento sistemático de la naturaleza se obtiene mediante la aplicación del método científico.

Primero se efectúa una observación o reconocimiento de un problema (razonamiento inductivo). Luego se formula una hipótesis que sugiere una causa natural de la observación (razonamiento deductivo). La hipótesis establece una predicción que puede someterse a experimentación planificada, interpretación de resultados y planteamiento de conclusiones a partir de los resultados que apoyan o refutan la validez de la hipótesis. Las verificaciones repetidas durante un período largo conducen al desarrollo de una teoría científica. Esta última es una explicación general de los fenómenos naturales; las preguntas que no son comprobables no pertenecen al campo de la ciencia.

1.6 El mundo de los microscopios

El microscopio óptico se sirve de la luz visible para crear la imagen aumentada de un objeto. El microscopio óptico más simple es la lente convexa doble con una distancia focal corta que pueden aumentar un objeto hasta 15 veces. Los microscopios compuestos disponen de varias lentes con las que se consiguen aumentos mayores, hasta por encima de 2.000 veces.

El microscopio compuesto consiste en dos sistemas de lentes, el objetivo y el ocular, montados en extremos opuestos de un tubo cerrado. El objetivo está compuesto de varias lentes que crean una imagen real aumentada del objeto examinado.

• Las lentes de los microscopios están dispuestas de forma que el objetivo se encuentre en el punto focal del ocular. El aumento total del microscopio depende de las distancias focales de los dos sistemas de lentes.

• El microscopio consta con una fuente de luz eléctrica que dirige la luz a través de la muestra.

El microscopio electrónico utiliza electrones para iluminar un objeto; los electrones tienen una longitud de onda mucho menor que la de la luz y pueden mostrar estructuras muy pequeñas.

• El microscopio electrónico dispone de un cañón de electrones que emite electrones que chocan contra el espécimen, creando una imagen aumentada.

• El sistema de vacío en el interior es importante pues los electrones pueden ser desviados por las moléculas del aire.

• Los microscopios electrónicos cuentan con un sistema de pantalla que registra la imagen que producen los electrones.

Hay dos tipos básicos de microscopios electrónicos: el microscopio electrónico de transmisión (Transmission Electron Microscope, TEM) y el microscopio electrónico de barrido (Scanning Electron Microscope, SEM).

• Un TEM dirige el haz de electrones hacia el objeto que se desea aumentar. Una parte de los electrones rebotan o son absorbidos por el objeto y otros lo atraviesan formando una imagen aumentada del espécimen. Los TEM pueden aumentar un objeto hasta un millón de veces.

• Un SEM crea una imagen ampliada de un objeto explorando la superficie punto por punto, al contrario que el TEM, que examina una gran parte de la muestra cada vez. Los SEM pueden ampliar los objetos 100.000 veces o más. Este tipo de microscopio es muy útil pues, al contrario que los TEM o los microscopios ópticos, produce imágenes tridimensionales realistas de la superficie del objeto.

• Se han desarrollado otros tipos de microscopios electrónicos. Un microscopio electrónico de barrido y transmisión (Scanning Transmission Electron Microscope, STEM) combina los elementos de un SEM y un TEM, y puede mostrar los átomos individuales de un objeto.

1.7 Microscopios de sonda de barrido

El microscopio túnel de barrido (Scanning Tunnelling Microscope, STM) utiliza una sonda que recorre la superficie de una muestra, proporcionando mediante un efecto de túnel la imagen tridimensional de los átomos o moléculas que la componen.

• La sonda es una afilada punta de metal que puede tener un grosor de un solo átomo en su extremo. A causa de la poca distancia entre el material y la sonda, algunos electrones escapan, generando una corriente.

• Esta corriente pasa a un túnel que permite dibujar las ondulaciones de la superficie. Después de muchas pasadas hacia adelante y hacia atrás una computadora registra una representación tridimensional del material.

El microscopio de fuerza atómica (Atomic Force Microscope, AFM) no emplea la corriente de efecto túnel y se puede utilizar en materiales no conductores. La altura de la sonda se ajusta de modo automático, un sensor registra el movimiento ascendente y descendente, y entrega la información a una computadora, que dibuja una imagen tridimensional de la superficie del espécimen.

Fundamentos químicos de la vida

2.1 Átomos, moléculas y vida

Un elemento es una sustancia que no se puede descomponer ni convertir en otras sustancias mediante procesos químicos ordinarios. De los 90 elementos naturales, sólo cerca de 25 son esenciales para la vida. Cuatro elementos: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno (C, H, O, N), constituyen 96% o más de la masa de un organismo.

Tabla 2.1 Elementos que conforman los seres vivos

Nota: los elementos trazas representan menos del 1% de la masa total. Otros elementos presentes en animales, plantas o ambos son: yodo (I), manganeso (Mn), cobre (Cu), zinc (Zn), cobalto (Co), flúor (F), molibdeno (Mo), selenio (Se), boro (B), silicio (Si), cromo (Cr) y unos cuantos más.

La partícula más pequeña posible de un elemento es el átomo, que, a su vez. se compone de un núcleo central, el cual contiene protones (p+) y neutrones (n0), y electrones (e-) que están fuera del núcleo. Todos los átomos de un elemento dado tienen un número fijo de protones. Los electrones están en órbita alrededor del núcleo dentro de capas de electrones (niveles de energía), situadas a distancias específicas. Cada capa puede contener un número máximo fijo de electrones. La reactividad química de un átomo depende de cuántos electrones tiene en su capa de electrones más externa. El átomo alcanza su máxima estabilidad, y por tanto es menos reactivo, cuando su capa externa está totalmente llena o bien vacía.

Un átomo se identifica por su número de protones (número atómico). Los átomos de un mismo elemento que tienen diferente número de neutrones (diferentes masas atómicas) se denominan isótopos. En un átomo eléctricamente neutro, el número de protones es igual al de electrones. Las propiedades químicas de un átomo son determinadas principalmente por el número y la disposición de sus electrones de mayor energía, llamados electrones de valencia.

2.2 Interacciones de la materia

Los átomos pueden combinarse para formar moléculas. Las fuerzas que mantienen a los átomos unidos en moléculas se llaman enlaces químicos. Los átomos que han perdido o ganado electrones son partículas con carga positiva o negativa llamados iones. Los enlaces iónicos son atracciones eléctricas entre iones cargados, que los mantienen unidos en cristales.

Cuando dos átomos comparten electrones de valencia, se forman enlaces covalentes. En un enlace covalente no polar, los dos átomos comparten los electrones equitativamente. En un enlace covalente polar, un átomo podría atraer al electrón con mayor fuerza que el otro: el átomo más "atractivo" tiene una pequeña carga negativa, y el átomo de atracción más débil, una pequeña carga positiva. Algunos enlaces covalentes polares dan origen a puentes de hidrógeno que unen partes distantes de una molécula polar grande.

Las reacciones de oxidación y reducción (reacciones redox) son procesos químicos en los cuales se transfieren electrones (y su energía) de un agente reductor a un agente oxidante. Una sustancia que se oxida cede uno o más electrones (y energía) a una sustancia que se reduce. Los electrones típicamente se transfieren como parte de átomos de hidrógeno.

2.3 El agua en la vida

El agua comprende gran parte de la masa de casi todo organismo vivo; es importante en muchas reacciones químicas que ocurren en los organismos. Tiene propiedades singulares que también afectan al ambiente. El agua tiene calor específico alto, que ayuda a los organismos a conservar relativamente constante la temperatura interna ante fluctuaciones amplias de la temperatura ambiente. El agua es una molécula polar porque en un extremo tiene carga positiva parcial, y en el otro, carga negativa parcial; dado que sus moléculas son polares, el agua es un magnífico solvente para solutos iónicos o polares; obliga también a sustancias no polares (como las grasas) a adoptar ciertos tipos de organización física. Las moléculas de agua son cohesivas porque forman enlaces de hidrógeno entre ellas; también son adhesivas porque forman dichos enlaces con otras sustancias.

2.4 Ácidos y bases

Las reacciones químicas en los organismos también dependen del pH del medio. La escala de pH es la expresión logarítmica de la concentración de iones hidrógeno en una solución y se mide con un rango que oscila entre 0 y 14. Cuando una solución se hace más ácida, su pH se hace cada vez más inferior a 7 (neutralidad); conforme la solución se hace más básica (alcalina), su pH aumenta por encima de 7. Un ácido es cualquier sustancia que forme iones hidrógeno (H+) en el agua, mientras que una base es toda sustancia que forme iones hidróxido (OH-) en el agua.

Moléculas biológicas

3.1 Las moléculas biológicas

Las moléculas biológicas exhiben tal diversidad porque el átomo de carbono puede formar muchos tipos de enlaces. Esta capacidad permite a las moléculas orgánicas (moléculas con un esqueleto de átomos de carbono e hidrógeno) adoptar muchas formas complejas como cadenas, ramificaciones y anillos. Esto conduce a un número casi infinito de compuestos de carbono.

Los organismos están constituidos por compuestos inorgánicos, con moléculas pequeñas y sencillas, y por compuestos orgánicos, cuyas moléculas son grandes y complejas y contienen átomos de carbono. Los compuestos orgánicos consisten en grupos funcionales específicos con propiedades características. Los grupos funcionales polares e iónicos interactúan entre sí y se disuelven en agua. Se denomina polímeros a cadenas largas de compuestos orgánicos similares enlazados entre sí. Los polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos son polímeros grandes que reciben la denominación de macromoléculas.

Tabla 3.1 Grupos funcionales importantes en las moléculas biológicas

3.2 Síntesis de los compuestos orgánicos

Casi todas las moléculas biológicas grandes son polímeros que se sintetizan enlazando muchas subunidades más pequeñas llamadas monómeros. Las cadenas de subunidades se conectan con enlaces covalentes creados mediante síntesis por deshidratación; las cadenas pueden romperse por reacciones de hidrólisis (desdoblamiento de molécula orgánicas por acción del agua). Las moléculas biológicas forman las diversas partes de las células y llevan a cabo las reacciones químicas que les permiten crecer, alimentarse, reproducirse, usar y almacenar energía. Las moléculas biológicas más importantes pertenecen a cuatro clases: carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

3.3 Los carbohidratos

Los carbohidratos o glúcidos contienen hidrógeno y oxígeno, en la misma proporción que el agua, y carbono; la fórmula de la mayoría de estos compuestos se puede expresar como Cm(H2O)n. Los carbohidratos más sencillos son los azúcares simples o monosacáridos, que contienen un grupo aldehído o cetona; el más significativo es la glucosa, y otros son la fructosa y la ribosa. Dos moléculas de monosacáridos unidas por un átomo de oxígeno, con la eliminación de una molécula de agua (enlace glucicídico), producen un disacárido, siendo los más importantes la sacarosa, la lactosa y la maltosa; los monosacáridos y disacáridos se utilizan para almacenar energía temporalmente y para construir otras moléculas. Los polisacáridos son enormes moléculas formadas por uno o varios tipos de unidades de monosacáridos, unas 10 en el glucógeno, 25 en el almidón y de 100 a 200 en la celulosa; el glucógeno y los almidones sirven para almacenar energía a más largo plazo en animales y plantas, respectivamente; la celulosa forma las paredes celulares de bacterias, hongos, plantas y algunos microorganismos.

3.4 Los lípidos

Los lípidos son compuestos de estructura química variada, formados por carbono, hidrógeno y oxígeno. Se distinguen por ser moléculas no polares, insolubles en agua (se funden en disolventes orgánicos, como alcohol, éter). Los lípidos sirven para almacenar energía en células animales y vegetales (aceites y grasas) y para impermeabilizar el exterior de muchas plantas y animales (ceras); son el componente principal de las membranas celulares (fosfolípidos) y funcionan como hormonas (esteroides). A igual peso molecular, las grasas proporcionan el doble de energía que los carbohidratos. Una grasa consiste en una molécula de un alcohol llamado glicerol o glicerina combinada con uno a tres ácidos grasos (triglicéridos). Un ácido graso puede ser saturado (con hidrógeno) o insaturado.

3.5 Las proteínas

Las proteínas son macromoléculas y complejas, constituidas por subunidades sencillas llamadas aminoácidos, unidas mediante cadenas polipeptídicas, mantenidas por enlaces peptídicos (uniones entre grupos amino y carboxilo). La estructura y función de una proteína la determina la secuencia de aminoácidos de la cadena. Las proteínas pueden ser enzimas (que dirigen reacciones químicas), moléculas estructurales (pelo, cuerno), hormonas (insulina) o moléculas de transporte (hemoglobina).

Son los componentes principales de las células y suponen más del 50% del peso seco de los animales. Una proteína completa la constituyen 20 aminoácidos; para mantenerse sano, el ser humano requiere ocho aminoácidos esenciales (leucina, isoleucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptófano y valina), que se hallan en las proteínas de semillas vegetales, cárnicos, huevos y lácteos.

La secuencia lineal de aminoácidos en la cadena polipeptídica determina la estructura primaria de una proteína. Fuerzas como los puentes de hidrógeno, atracción entre cargas positivas y negativas, y los enlaces hidrófobos (repelentes del agua) e hidrófilos (afines al agua) hacen que la molécula se enrolle (hélice a) o pliegue (lámina plegada b) y adopte una estructura secundaria. Cuando las fuerzas provocan que la molécula se vuelva todavía más compacta, como ocurre en las proteínas globulares, se constituye una estructura terciaria donde la secuencia de aminoácidos adquiere una conformación tridimensional. La estructura cuaternaria es determinada por la combinación de dos o más cadenas polipeptídicas. Determinados factores mecánicos (agitación), físicos (aumento de temperatura) o químicos (presencia de alcohol, acetona, urea, detergentes o valores extremos de pH) provocan la desnaturalización de la proteína, es decir, que pierde su actividad biológica.

3.6 Los ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos son cadenas complejas formadas por moléculas más pequeñas, los nucleótidos, y la secuencia de éstos a lo largo de la cadena determina una especie de código que indica a la célula cómo reproducir un duplicado de sí misma o las proteínas que necesita para su supervivencia. Cada nucleótido se compone de un grupo fosfato, un azúcar de cinco carbonos y una base nitrogenada. El código genético es la forma en que la secuencia de los ácidos nucleicos dicta la estructura de las proteínas.

Los ácidos nucleicos son ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN), que tienen estructura de forma helicoidal, de una y doble hélice, respectivamente. En ADN el azúcar es la desoxirribosa, y las bases nitrogenadas son A, G, C, T (adenina, guanina, citosina y timina); en el ARN el azúcar es la ribosa, y las bases nitrogenadas son A, G, C, U (adenina, guanina, citosina y uracilo). Todas las células vivas codifican el material genético en forma de ADN; las células bacterianas tienen una sola cadena circular de ADN llamada plásmido; en las células animales las cadenas de ADN están agrupadas formando cromosomas.

Otros nucleótidos actúan de mensajeros intracelulares (monofosfato de adenosina cíclico, AMP), en transferencias de energía en la célula (trifosfato de adenosina, ATP), pueden conformar coenzimas (dinucleotido de nicotinamida y adenina, NAD; dinucleotido fosfato de nicotinamida y adenina, NADP) importantes en los procesos de respiración aerobia y fotosíntesis.

Tabla 3.2 Las principales moléculas biológicas

Referencias

De entre las varias fuentes de información consultadas para la elaboración de este recopilatorio, cito a enciclopedias como Encarta, Santillana, y autores como Solomon, Berg, Martin, Fajardo, Torres, Biggs, Kapicka, Lundgren, y, de manera especial, a Audesirk y Byers. Sin el aporte investigativo de sus textos no hubiese sido posible realizar esta labor. ¡Para todos ellos mi perpetua gratitud!

Autor:

Allan Alvarado Aguayo, MSc