Tema 1

La materia de la vida

Biología: ciencia de la vida.

Vida: Se explica a través de los procesos vitales de los seres vivos, como:

• Reproducción: capacidad de los seres vivos para producir copias de sí mismos o generar nuevos seres similares a sus progenitores.

• Nutrición: capacidad de los seres vivos para extraer y transformar la energía del medio, construyendo y manteniendo con ella sus estructuras y realizando las funciones vitales.

• Relación: capacidad para recibir estímulos y reaccionar frente a estos.

Los seres vivos poseen varios niveles de organización, con diversos grados de complejidad estructural. Cada nivel contiene al anterior, y va más allá de la simple unión de sus componentes moleculares.

• Nivel Molecular

• Partículas subatómicas

• Moléculas: unión de dos o más átomos por enlaces químicos.

• Macromoléculas

• Asociaciones macromoleculares: unión de macromoléculas.

• Orgánulos

• Nivel Celular

• Células procariotas

• Células eucariotas

• Nivel Orgánico

• Tejidos

• Órganos

• Aparatos: conjuntos de órganos coordinados para una función concreta.

• Nivel Poblacional: seres de la misma especie que mantienen relaciones: apareamiento, competencia...

• Ecosistema: distintas poblaciones que habitan una misma zona y forman una comunidad. Incluye las condiciones físico-químicas (biotopo) y las relaciones que se establecen.

• Origen de la Tierra: hace 4600 m.d.a., por condensación del polvo cósmico y gases interestelares.

• Origen de la corteza y de la atmósfera primitiva, de carácter reductor: hace 4300 m.d.a., por los gases liberados del interior.

• Origen de los océanos: poco después, al disminuir la temperatura, el vapor de agua de la atmósfera precipitó en forma de lluvia.

• Origen de los seres vivos: hace 3000 - 3500 m.d.a., en el agua (la masa de la Tierra retenía la atmósfera, y la distancia entre la Tierra y el Sol era la apropiada).

• Síntesis prebiótica: síntesis de los elementos básicos que forman los seres vivos (síntesis de materia orgánica desde inorgánica). Oparin, en 1938, formuló su hipótesis sobre el origen de la vida, según la cual los compuestos químicos de la atmósfera primitiva reaccionaron de forma espontánea usando la energía de procesos naturales, y dieron lugar a compuestos orgánicos sencillos. La atmósfera primitiva carecía de oxígeno, y favorecería la formación de polímeros desde monómeros. La energía procedería de: radiaciones solares (uva), rayos, radiactividad mineral, calor de volcanes, etc. Se dieron las condiciones necesarias para la síntesis. Estos componentes se diluyeron en el océano y lo enriquecieron en materia orgánica. Oparin sugiere que la primera célula se formó de forma espontánea aquí (sopa primitiva).

Miller, en 1953, realizó experimentos que apoyaban la hipótesis de Oparin. Puso una mezcla de gases, presuntos componentes de la atmósfera primitiva (metano, amoniaco) en un recipiente esférico, conectado con varios electrodos. Produjo descargas eléctricas, formando compuestos que se condensaban (después de arrastrados por el vapor de agua) en otro recipiente. Obtuvo, en varias experiencias, aminoácidos y bases nitrogenadas. Luego se formaron moléculas más grandes, por condensación secuencial, dando polímeros.

• Evolución del progenota: los sistemas biológicos precursores de la primera célula debían tener la capacidad de replicarse. El antecesor de todas las células fue el progenota. Consistiría en un sistema biológico con ácidos nucleicos y ribosomas, que permitiría la traducción de la información genética en proteínas. Probablemente fue el ARN la molécula encargada de portar la información genética, ya que posee capacidad enzimática que no existe en el ADN.

• Evolución celular: el progenota, en su evolución, dio lugar a:

- Archibacterias: bacterias del azufre y otras que viven en condiciones extremas, y las reductoras del metano.

- Eubacterias: dieron lugar a las bacterias normales y a las cianofitas (algas azules).

- Eucariotas: por fusión de varias eubacterias.

• Metabolismo de las primeras células: Oparin estableció que los primeros organismos eran heterótrofos, anaerobios, y se alimentaban de la materia orgánica del caldo primitivo, que poco a poco empezaría a escasear. Luego, la aparición de organismos fotosintéticos permitió su evolución sin competencia, y posibilitó la transformación de la atmósfera, enriqueciéndola en oxígeno. Más tarde aparecieron las primeras células aerobias, que podían obtener más energía de la oxidación de compuestos. Además, la aparición de la atmósfera oxidante, y la formación de la capa de ozono hizo posible que la vida saliera del medio acuático, iniciándose la expansión en el medio terrestre.

Hace 2100 millones de años surgieron las células eucariotas, que dieron lugar a los organismos superiores. Esta aparición se explica con la teoría endosimbiótica (células procariotas de gran tamaño establecieron simbiosis con otras células procariotas aerobias y fotosintéticas, que dieron lugar a mitocondrias y cloroplastos).

Son los elementos químicos que forman los seres vivos.

Bioelementos primarios: carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, azufre, fósforo.

Bioelementos secundarios: calcio, sodio, potasio, magnesio, cloro... Dentro de estos se denominan oligoelementos a los que están en una proporción menor del

0,1%. Su papel puede ser esencial para la vida, ya que tienen función catalizadora.

• Características de los bioelementos:

• Masa molecular pequeña: esto les permite compartir electrones de su capa externa y formar enlaces covalentes estables.

• Polaridad: muchas veces la tienen los compuestos formados. Esto facilita su disolución en el agua.

• El carbono comparte cuatro electrones formando cuatro enlaces covalentes muy estable. Además, puede formar enlaces simples, dobles o triples, originando estructuras complejas, como cadenas lineales, ramificadas, anillos o estructuras tridimensionales de gran importancia biológica.

• Los iones o elementos metálicos poseen dos o más estados de oxidación. Pueden ceder o ganar electrones, lo que les permite transportar electrones en el interior de la célula.

• El oxígeno es un gran aceptor de electrones. Forma enlaces covalentes estables, y los procesos de oxidación son los que proporcionan la mayor parte de la energía en los seres vivos.

• El azufre y el fósforo forman enlaces fácilmente hidrolizables, idóneos para formar enlaces ricos en energía.

• Los iones monoatómicos, como el sodio, potasio..., forman gradientes iónicos de gran importancia biológica.

• Los oligoelementos (como el hierro) desempeñan funciones vitales catalíticas.

Están formados por la unión de bioelementos. Pueden ser orgánicos o inorgánicos.

• Inorgánicas: agua, sales minerales, gases...

• Sales minerales: son moléculas inorgánicas de fácil ionización en presencia de agua. Pueden estar: precipitadas (formando estructuras sólidas, como el fosfato cálcico en los huesos, el carbonato cálcico en las conchas...); disueltas (formando cationes K+, Na+... aniones CO3-, PO4-3; contribuyendo a mantener el grado de salinidad del medio interno. Pueden actuar como disoluciones reguladoras del pH o intervenir en la contracción muscular y en la transmisión del impulso nervioso).

Es la molécula más abundante de la biosfera. Está presente en los tres estados (sólido, líquido o gaseoso). Se considera el líquido de la vida. No sólo porque en ella se originó, sino porque participó en las reacciones que dieron lugar a agregados más complejos. La proporción de agua en un ser vivo está relacionada con su actividad biológica. Así, menores proporciones de agua corresponden a estados de vida latente (semillas, esporas). El agua se encuentra entre los seres vivos de tres formas: circulante, intersticial o intracelular (formando el hialoplasma).

• Propiedades físico-químicas del agua: En la molécula de agua los electrones compartidos están desplazados hacia el oxígeno (es más electronegativo), lo que produce un exceso de carga negativa sobre este y positiva sobre los hidrógenos. Esta desigualdad en la distribución de cargas se denomina polaridad, y es la responsable de que entre las moléculas de agua existan fuerzas de atracción electrostática, que las mantiene unidas por puentes de hidrógeno. Por esta razón el agua es líquida a temperatura ambiente, en contra de lo que cabría esperar al compararla con moléculas similares, como el CO2 y el SO2.

Disolvente universal: es el líquido que más sustancias disuelve, y se debe a la formación de puentes de hidrógeno con otras sustancias. Biológicamente es el responsable de funciones importantes en los seres vivos:

• Disociación de la molécula de agua: el agua es un electrolito débil. El agua se encuentra disociada así:

H2O H+ + OH-

El producto iónico del agua es:

[H+] = [OH-] = 10-7

La concentración de protones en los sistemas biológicos se expresa en términos de pH. La escala del pH es una forma sencilla de describir la abundancia relativa de ambos tipos de iones en una disolución.

Las reacciones metabólicas sólo son posibles cuando el pH es constante y próximo a la neutralidad. Las enzimas actúan dentro de unos límites muy estrechos de pH. Así, pequeñas variaciones impiden su función. Por ello es necesario comprobar el pH en las células y fluidos corporales. Esto se hace con las disoluciones tampón, que impiden variaciones de pH, producidas al añadir pequeñas cantidades de ácido o de base. Están formadas por las formas disociadas y no disociadas de un ácido débil en equilibrio. Por ejemplo:

H2CO3 HCO3 + H+

(tampón)

H2CO3 CO2 (g) + H2O

• Ósmosis y difusión: si ponemos en contacto dos disoluciones con distinta concentración separadas por una membrana semipermeable, la tendencia a igualar las concentraciones posibilita el paso de agua de la más diluida a la más concentrada. La presión mecánica necesaria para contrarrestar el paso de agua se denomina presión osmótica, y el proceso, ósmosis. Las membranas plasmáticas son semipermeables, por lo que para mantener el equilibrio hídrico deben ser isotónicas con respecto al medio.

Agua