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El estudio de la vida se extiende desde la escala microscópica de las moléculas y las células que constituyen a los organismos vivos, hasta la escala global del planeta vivo en su totalidad. Podemos dividir esta enorme categoría en diferentes niveles de organización biológica.

NIVELES DE ORGANIZACIÓN BIOLÓGICA.

La vida puede estudiarse en diferentes niveles de organización. La biología utiliza los mismos principios y métodos que las demás ciencias. De hecho, un principio básico de la biología moderna es que los seres vivos siguen las mismas leyes de la física y la química que rigen la materia no viva. Así como la arena puede formar ladrillos que sirven para construir una pared y, a la vez, ésta forma la base de una estructura, los científicos perciben a los seres vivos y a la materia inanimada como una serie de niveles de organización, cada uno de los cuales constituye la base del siguiente nivel.

Los niveles de organización que estudiaremos son aquellos que van desde el átomo hasta el organismo. A continuación se describe cada uno de ellos.

a) Nivel atómico: los átomos son la unidad mínima de la materia. Están formados por un núcleo, que contiene protones (con carga positiva) y neutrones (con carga neutra), y por una corteza que contiene a los electrones (con carga negativa). Los protones son los responsables de darle la identidad al átomo (por ejemplo, un átomo con 8 protones corresponde al oxígeno), en tanto, los electrones participan en la formación de enlaces químicos.

A los átomos cargados eléctricamente se les denomina iones. Si la carga es positiva se llaman cationes y si es negativa reciben el nombre de aniones.

b) Nivel molecular: los átomos se unen entre sí para formar moléculas. Las uniones entre átomos se llaman enlaces químicos. En la formación de éstos, participan los electrones. El agua es un ejemplo de molécula ya que está formada por la unión de un átomo de oxígeno con dos átomos de hidrógeno a través de enlaces químicos.

Cuando las moléculas presentan una gran cantidad de átomos, se les denomina MACROMOLÉCULAS. Son ejemplos de macromoléculas las proteínas, polisacáridos y ADN.

c) Nivel supramolecular: corresponde a un conjunto de moléculas y macromoléculas que interactúan a través de fuerzas intermoleculares, generando una estructura organizada y funcional. Ejemplos de este nivel son los organelos celulares y la membrana celular.

d) Nivel celular: Está compuesta por iones, moléculas, macromoléculas y complejos supramoleculares, los que generan un todo funcionalmente organizado. De acuerdo a la Teoría celular, la célula es la unidad estructural, funcional y reproductora de todos ser vivo. En este nivel comienza la vida.

e) Nivel de tejidos: Un tejido es un conjunto de células similares, asociadas entre sí, que se han adaptado para realizar funciones específicas, por ejemplo, el tejido nervioso se especializa en la conducción de información.

f) Nivel de órganos: Es una agrupación de diversos tejidos que forman una unidad estructural encargada de cumplir una función específica. Un ejemplo de órgano es el corazón, el cual está

Figura 1. Niveles de organización biológica, desde al átomo hasta un organismo completo.

UNIDAD 1: LA CÉLULA, UNIDAD ESTRUCTURAL DE LOS SERES VIVOS.

Liceo Manuel Barros BorgoñoDpto. de BiologíaCurso: 1º medio

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formado por un conjunto de tejidos que forman una estructura que se especializa en el bombeo de la sangre.

g) Nivel de sistemas o aparatos: Corresponden a un conjunto de órganos y estructuras similares que trabajan en conjunto para cumplir una función fisiológica específica en un individuo. Un ejemplo de sistema es el aparato respiratorio, cuya función es el intercambio de gases, es decir, la incorporación de oxígeno a nuestro organismo y la eliminación de dióxido de carbono hacia el ambiente.

h) Nivel de organismo: Corresponde a un conjunto de sistemas que trabajan de manera coordinada para mantener la supervivencia del individuo. Tú eres un ejemplo de organismo.

Observa que cada nivel de organización incorpora a los miembros del nivel inferior, así por ejemplo, una célula incluye supramoléculas, las que a su vez están formadas por moléculas y éstas por átomos, tal como una casa está formada por arcilla, ésta por moléculas, las que a su vez están formadas por átomos.

ACTIVIDAD 1. Comprendiendo las ideas principales.

1. Completa en el recuadro el nivel de organización biológica según corresponda.

2. ¿Cuál de los siguientes niveles de organización biológica incluye a los demás?

a) ADN b) Núcleo celular c) Átomo de oxígeno d) Célula pancreática

3. En relación a la pregunta anterior, ordena los niveles de organización desde el más simple hasta el más complejo._______________________________________________________________________________

El objetivo de esta unidad es examinar la manera en cómo los distintos niveles subcelulares se van conjugando para dar origen al nivel celular y la manera en cómo las células se van especializando y organizando en “comunidades” para generar los tejidos. Comenzaremos describiendo el nivel más pequeño de la materia viva: el nivel atómico.

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Los átomos son la unidad mínima de la materia. Cada átomo está compuesto por dos partes (Figura 2):

el núcleo, en donde residen dos partículas: los protones (con carga positiva) y los neutrones (con carga neutra) y

la corteza, en donde partículas llamadas electrones (con carga negativa) giran alrededor del núcleo.

El número de protones es el encargado de darle la identidad al átomo. Así por ejemplo, cualquier átomo que contenga 4 protones corresponderá al átomo de carbono. En química, al número de protones de un átomo se le denomina número atómico.

Los átomos (elementos químicos) se simbolizan con una o dos letras. Por ejemplo, el átomo de carbono se simboliza con la letra C, en tanto que el átomo de sodio se simboliza con las letras Na. Note que la primera letra se escribe siempre en mayúscula y la segunda (en caso de existir) en minúscula.

La tabla periódica organiza a los átomos según su número atómico, tal como lo muestra la siguiente figura:

Tal como muestra la tabla periódica, existen más de cien átomos distintos, sin embargo, en biología los átomos predominantes son los que se indican a continuación:

Nombre del átomo

Símbolo químico Número de protones

Hidrógeno H 1Carbono C 6Nitrógeno N 7Oxígeno O 8Fósforo P 15

1. NIVEL ATÓMICO: LOS BIOELEMENTOS.

Figura 2. El átomo está compuesto por el núcleo y por una corteza, que corresponde a la región en la que giran los electrones.

Figura 3. La tabla periódica es una forma organizada de ordenar los elementos químicos según su número atómico. Muchos átomos ganan o pierden electrones porque de esa manera son más estables. A estos átomos cargados eléctricamente se les denomina iones.

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Azufre S 16

Los átomos son eléctricamente neutros, dado que contienen la misma cantidad de protones que de electrones. Por ejemplo, el nitrógeno posee 7 protones (cargas positivas) y 7 electrones (cargas negativas). Sin embargo, muchos átomos, a fin de ser más estables, pueden perder o ganar electrones. Si un átomo pierde un electrón quedará con una carga positiva, en cambio si un átomo gana un electrón quedará con una carga negativa (ver figura 3). A estos átomos con carga eléctrica se les denominan iones, muchos de los cuales son esenciales para el correcto funcionamiento de nuestro organismo.

ACTIVIDAD 2. Comprendiendo las ideas principales.

1. Completa las siguientes oraciones.

a) Los protones y neutrones son partículas subatómicas que se localizan en el _______.b) Las partículas que giran alrededor del núcleo se denominan ___________________.c) Los protones presentan carga __________, mientras que los electrones poseen carga _______.d) El número atómico corresponde al número de _____________.e) Si el azufre (S) tienen un número atómico igual a 16, significa que posee _________________.f) Los elementos químicos en la tabla periódica se organizan de acuerdo al __________________.g) Para que un átomo sea eléctricamente neutro debe presentar la misma cantidad de protones y ________________.h) El número atómico del oxígeno es 8, lo cual significa que posee _____ protones. Ahora bien, como es eléctricamente neutro, debe presentar _____ electrones.i) Un átomo con carga eléctrica corresponde a un ____________.j) Si un átomo pierde un electrón queda con carga _________ y se denomina catión, en tanto si un átomo gana un electrón queda con carga __________ y se denomina anión.k) El calcio (Ca) se transforma en ión calcio (Ca+2), para lo cual debió haber _______ 2 electrones.l) El cloro (Cl) se transforma en ión cloruro (Cl-), para lo cual debió haber _______ 1 electrón.

Una vez entendido lo qué es un átomo, podemos definir lo que es un bioelemento. Los bioelementos son los átomos que forman parte de la materia viva. De los más de 100 elementos químicos que existen en la naturaleza, el 96% del peso de la materia viva está compuesta por sólo cuatro elementos químicos: oxígeno, carbono, hidrógeno y nitrógeno (Figura 4). El 4% restante incluye aproximadamente otros 16 elementos químicos, entre los cuales figuran: el fósforo, azufre, calcio, potasio, sodio, magnesio, hierro, cloro, iodo, ente otros.

Los bioelementos cumplen diversas funciones en los sistemas vivos. Así por ejemplo, el carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y fósforo, sirven como componentes estructurales de las biomoléculas orgánicas.

Los otros bioelementos se encuentran, normalmente, en su estado iónico y algunas de sus funciones se resumen en la siguiente tabla:

BIOELEMENTO FUNCIÓN EN EL CUERPO HUMANOCalcio (Ca+2) Participa en la contracción muscular; en la transmisión del impulso nervioso y en

la coagulación sanguínea. Forma parte de los huesos y dientes.

Figura 4. Representación esquemática de la composición elemental del cuerpo humano, expresado en términos del porcentaje del peso corporal. La tabla amplia el segmento indicado por las flechas.

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Potasio (k+) Colabora en la conducción del impulso nervioso y regula el volumen de agua corporal.Sodio (Na+)

Hierro (Fe+2) Forma parte de la hemoglobina, encargada del transporte de oxígeno en los glóbulos rojos.

Yodo (I-) Es un constituyente de las hormonas tiroídeas.Magnesio (Mg+2)

Componente estructural de la clorofila (pigmento fotosintético); tienen un rol como cofactor enzimático.

Actividad 3. Comprendiendo las ideas principales e interpretando información en tablas.

1. ¿Qué son los bioelementos? ¿A qué nivel de organización biológica corresponden?_______________________________________________________________________________

2. De acuerdo con la figura 4, ¿cuáles son los 3 bioelementos que se encuentran en un mayor porcentaje, en peso, en nuestro organismo? ¿Qué porcentaje de la materia viva representan?_______________________________________________________________________________

3. De acuerdo con los datos proporcionados por la figura 4, ¿qué cantidad de masa de átomos de carbono presentará una persona cuya masa sea de 70 kilos?_______________________________________________________________________________

4. De acuerdo con la figura 4, ¿qué puedes concluir sobre la composición química de las células de nuestro organismo?______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. A continuación relaciona los siguientes bioelementos con las funciones que cumplen en nuestro organismo.

Bioelemento

Función

1. Calcio ____ Forma parte de la proteína hemoglobina encargada de transportar el oxígeno por la sangre.

2. Sodio ____ Regula la cantidad de agua en el organismo y participa en la conducción del impulso nervioso y la contracción muscular.

3. Hierro ____ Componente estructural de huesos y dientes; participa en la conducción del impulso nervioso y la contracción muscular; favorece el proceso de coagulación sanguínea.

4. Potasio ____ Participa en la conducción del impulso nervioso y la contracción muscular.

Cuando se unen dos o más átomos entre sí se originan las moléculas. La fuerza que mantiene unidos a los átomos en una molécula recibe el nombre de enlace químico. En la formación de un enlace químico participan de forma directa los electrones de átomos adyacentes (Figura 5). Los enlaces que se forman en una molécula pueden ser simples (―), dobles (=) o triples (≡), de acuerdo a si se comparten 1 par, 2 pares o 3 pares de electrones, respectivamente.

2. NIVEL MOLECULAR: LAS BIOMOLÉCULAS.

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A las moléculas que forman a los seres vivos de les conoce como biomoléculas. Las biomoléculas se dividen en dos tipos:

las biomoléculas inorgánicas que corresponden a aquellas que no presentan carbono en su estructura, por ejemplo, el agua (a excepción del CO2, H2CO3 y el HCN), y

las biomoléculas orgánicas, que son las que contienen carbono en su estructura. Existen 4 tipos de biomoléculas orgánicas: los carbohidratos o glúcidos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos.

De estas 4 biomoléculas orgánicas, 3 de ellas (los carbohidratos, las proteínas y los ácidos nucleicos) presentan unidades repetitivas llamados monómeros. Los monómeros son moléculas que al unirse entre sí, forman grandes moléculas llamadas macromoléculas o polímeros. De forma similar a como la unión de los vagones forma a los trenes, los monómeros forman a los polímeros.

Actividad 4. Comprendiendo las ideas principales.

1. La siguiente molécula corresponde al ácido acético, el componente principal del vinagre, aderezo con el que se aliñan algunas ensaladas.

Figura 5. El esquema muestra una representación de la molécula de agua, formada por un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. Note que los electrones participan de manera directa en la formación del enlace químico que mantiene unidos a los átomos en la molécula.

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A partir del análisis de la estructura de la molécula, responde lo siguiente:

a) ¿Cuántos átomos forman a esta molécula? ___________________________b) ¿Cuántos átomos de carbono presenta esta molécula ___________________________c) ¿Cuántos átomos de oxígeno presenta esta molécula? ___________________________d) ¿Cuántos átomos de hidrógeno presenta esta molécula? ___________________________e) ¿Cuántos enlaces simples presenta esta molécula? ___________________________f) ¿Cuántos enlaces dobles presenta esta molécula? ___________________________e) ¿Cuántos enlaces triples presenta esta molécula? ___________________________

2. ¿Qué son las biomoléculas? ¿En qué consiste el criterio de su clasificación en orgánicas e inorgánicas?______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. A continuación se muestran una serie de monómeros (moléculas sencillas).

a) A partir de la información proporcionada, completa el siguiente cuadro:

El polímero mostrado …… está formado por monómeros de _________.

El polímero mostrado …… está formado por monómeros de _________.

El polímero mostrado …… está formado por monómeros de _________ y ________________.

4. De acuerdo a lo anterior, completa la siguiente frase. Ocupa las palabras iguales o distintas.Los polímeros pueden estar formados por monómeros __________ como sucede con el almidón o por monómeros ____________ como ocurre con las proteínas.

A continuación se analizará la estructura, características y funciones tanto de las biomoléculas inorgánicas (cuyo representante a examinar es el agua) como de las orgánicas (carbohidratos, lípidos, ácidos nucleicos y proteínas).

2.1 BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS: EL AGUA.

2.1.1 Estructura del agua.

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Una molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno unidos a través de enlaces covalentes. De manera semejante a una pila, en la molécula de agua existe un polo positivo y uno negativo, por eso se dice que es una molécula polar. Esto se debe a que los electrones que participan en los enlaces covalentes tienden a estar más tiempo alrededor del oxígeno que alrededor de los átomos de hidrógeno, ya que el oxígeno es más electronegativo (atrae a los electrones con más fuerza) que el hidrógeno. De este modo, en la molécula de agua, el oxígeno adquiere una carga parcialmente negativa, mientras que en los átomos de hidrógeno recae una carga parcialmente positiva (Figura 6). Si bien, la molécula de agua presenta cargas parciales, es eléctricamente neutra (no posee carga eléctrica neta).

Debido a su polaridad, cada molécula de agua puede unirse con otras cuatro mediante puentes de hidrógeno (también llamados enlaces de hidrógeno). Estas uniones se establecen debido a la atracción (por diferencia de carga) existente entre los átomos de oxígeno e hidrógeno de las moléculas de agua adyacentes (Figura 7). Gracias a los puentes de hidrógeno el agua adquiere una serie de propiedades importantes para los seres vivos.

Actividad 5. Comprendiendo ideas principales.

1. ¿Qué elementos dan origen a una molécula de agua? ¿Cuál de ellos es el de mayor tamaño?_______________________________________________________________________________

Figura 6. Representación esquemática de la estructura química del agua, que enfatiza su polaridad.

Figura 7. El agua interactúa con otras moléculas de agua a través de fuerzas intermoleculares llamadas puentes de hidrógeno. Observe que dichas fuerzas se establecen entre un átomo de hidrógeno con carga parcial positiva y un átomo de oxígeno con carga parcial negativa de una molécula de agua vecina.

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2. ¿Qué significa que el agua sea una molécula polar?______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. ¿Cómo se llaman las fuerzas que se producen entre las moléculas de agua y que las mantienen unidas?_______________________________________________________________________________

4. ¿Por qué es improbable que dos moléculas de agua vecinas tengan un ordenamiento como éste?

Respuesta: ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. Dibuja la forma en que se disponen las moléculas de agua cuando interactúan con los siguientes iones.

2.1.2 Propiedades del agua.

Los organismos vivos están constituidos por cerca de un 70% de agua. Ésta participa en muchas reacciones químicas que se llevan a cabo al interior de sus células, ya sea como reactante o como producto. Gracias a su polaridad y a los puentes de hidrógeno, el agua presenta propiedades que son fundamentales para la vida de los seres vivos.

a) El agua es un excelente disolvente. Debido a su polaridad, el agua es capaz de disolver muchos compuestos polares e iónicos, pues las cargas de estos compuestos atraen a las moléculas de agua, lo que promueve su separación.

Sin ir más lejos, el agua provoca la separación de los iones cloro (Cl-) y sodio (Na+) que forman parte de un cristal de sal, debido a que el extremo con carga negativa de la molécula de agua es atraído por los iones sodio, y al extremo con carga positiva lo atraen los iones cloro. Esto impide la interacción entre los iones que forman el cristal de sal y ésta se disuelve (sus partículas constituyentes se separan) (Figura 8)

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Las sustancias polares, como la sal o el azúcar, que interactúan fácilmente con el agua, se denominan hidrofílicas. En cambio, aquellas sustancias que carecen de polos, vale decir que son apolares, como las grasas, no se disuelven en agua y reciben el nombre de hidrofóbicas.

Dada su elevada capacidad disolvente el agua es un excelente medio que el cual pueden ser transportadas sustancias químicas, tales como nutrientes y desechos. Por otra parte, el agua es el medio en donde ocurren todas las reacciones químicas de una célula.

Actividad 6. Comprendiendo las ideas principales.

1. Con respecto a la figura número 8 responde las siguientes preguntas.

a) ¿Cuántas moléculas de agua rodean al ión Na+? ¿Y al ión Cl-?_______________________________________________________________________________

b) ¿Qué parte de la molécula de agua (el oxígeno o el hidrógeno) interactúa con el ión Na+? ¿Y con el ión Cl-? Explica tu respuesta.________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Define los siguientes conceptos: sustancia hidrofílica y sustancia hidrofóbica. Da un ejemplo de cada uno de ellos.

a) Sustancia hidrofílica: __________________________________________________________ ___________________________________________________________b) Sustancia hidrofóbica: _________________________________________________________ ___________________________________________________________

3. ¿Qué significa que el agua tenga un elevado poder disolvente?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. ¿Por qué es importante para los seres vivos que el agua tenga una elevada capacidad disolvente?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Figura 8. El esquema muestra la forma en que las moléculas de agua logran separar los iones que forman parte de un cristal de sal, es decir, logran disolverlo. A este fenómeno en el que las moléculas de agua “secuestran” a los cationes y aniones que forman una sal, recibe el nombre de solvatación.

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b) Elevado calor específico y calor de vaporización. El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor que debe recibir para aumentar 1°C la temperatura de 1 gramo de dicha sustancia.

Debido a los numerosos puentes de hidrógeno que existen entre las moléculas de agua, se requiere de mucha energía para elevar su temperatura, es decir, para aumentar la energía cinética de sus moléculas. Esto ocurre porque gran parte de la energía aportada se consume en romper los puentes de hidrógeno, quedando disponible sólo una fracción de esa energía para aumentar el movimiento de las moléculas de agua. Es por ello que se dice que el agua presenta un elevado calor específico.

Gracias al elevado calor específico del agua y a su gran proporción en la composición de los organismos, éstos logran mantener su temperatura relativamente constante, pese a las fluctuaciones de temperatura en el ambiente. Además, debido a su elevado calor específico, el agua de los océanos tiende a mantener constante su temperatura, incidiendo en el clima del planeta y brindando condiciones para el desarrollo de la vida.

El agua también tiene un elevado calor de vaporización, que es la cantidad de energía que debe suministrase para que 1 gramo de agua pase del estado líquido al gaseoso. Esto implica que el agua debe absorber una gran cantidad de energía para que se evapore.

Gracias al elevado calor de vaporización del agua, ésta es empleada para disminuir la temperatura corporal a través de la evaporización del sudor.

En consecuencia, el agua en los organismos tiene un rol termorregulador, debido a las dos propiedades mencionadas anteriormente.

Actividad 7. Comprendiendo las ideas principales y aplicando el método científico.

1. El calor específico puede entenderse como la resistencia que una sustancia pone al cambio de temperatura. A continuación se presenta una tabla de calores específicos para 3 líquidos.

SUSTANCIA CALOR ESPECÍFICO (Cal /g ºC)AGUA 1,00ACEITE 0,45ALCOHOL 0,67

Un estudiante desea saber si distintas sustancias tardan lo mismo en alcanzar una temperatura dada. Para ello, toma la misma cantidad de agua, aceite y alcohol a temperatura ambiente, y las introduce en distintos vasos precipitados, en cuyo interior se encuentra un termómetro. Los calienta en un mechero y mide el tiempo que tardan en alcanzar 45ºC.

a) Identifica las variables de esta investigación científica.X: ____________________________________ Y: _____________________________________

b) ¿Qué pregunta trata de responder esta investigación científica?_______________________________________________________________________________

c) Elabora una hipótesis que solucione el problema que planteaste._______________________________________________________________________________

d) ¿Cuál de las siguientes alternativas predice correctamente el orden en que las sustancias alcanzan dicha temperatura (desde la que menos tarda hasta la que más tiempo demora)?

i) aceite-alcohol-agua ii) agua-aceite-alcohol iii) alcohol-aceite-agua iv) agua-alcohol-aceite

e) ¿Qué puedes concluir al respecto?____________________________________________________________________________________________________

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_________________________________________________________

2. ¿Por qué cuando realizamos actividad física intensa el organismo comienza a sudar?_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

c) El agua al congelarse disminuye su densidad debido al aumento de su volumen. El agua es una de las pocas sustancias que son menos densas como sólido que como líquido. En otras palabras, el hielo flota en el agua líquida. Mientras que otras sustancias se contraen cuando se solidifican, el agua se expande. La causa de este comportamiento anormal se debe a los puentes de hidrógeno.

A temperaturas superiores a los 4°C, el agua se comporta como otros líquidos: se expande a medida que se caliente y se contrae a medida que se enfría. El agua comienza a congelarse cuando sus moléculas ya no se mueven con suficiente fuerza como para romper sus puentes de hidrógeno. A medida que la temperatura cae hasta 0°C, el agua adopta la forma de red cristalina, y cada molécula de agua está unida a cuatro compañeros. Los puentes de hidrógeno mantienen a las moléculas suficientemente separadas para que el hielo sea alrededor de un 10% menos denso que el agua líquida que el agua líquida a 4°C.

La capacidad del hielo para flotar debido a la expansión del agua a medida que se solidifica es un factor importante en la adaptabilidad al medio. Si el hielo se hundiera, todos los estanques, lagos e incluso los océanos se solidificarían, lo que volvería imposible la vida en la Tierra. Afortunadamente, esto no ocurre, porque cuando una gran masa de agua se enfría, el hielo flotante aísla el agua líquida por debajo y evita que se congele, permitiendo la vida acuática (Figura 9)

Actividad 8. Comprendiendo las ideas principales.

1. ¿Por qué el congelamiento del agua puede partir las rocas?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Un estudiante llena una botella de vidrio con agua y luego la introduce en el congelador. ¿Qué le ocurrirá a la botella? Justifica tu respuesta.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Figura 9. En el hielo, cada molécula de agua está unida mediante puentes de hidrógeno a cuatro vecinas en un cristal tridimensional. Debido a que el cristal es espacioso, el hielo tiene menos moléculas que un volumen igual de agua líquida. El hielo flotante se convierte en una barrera que protege al agua líquida por debajo, del aire más frío. Esto permite la vida acuática en los océanos y lagos, expuestos temperaturas por debajo de los 0°C.

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Actividad 9. Sintetizando las ideas principales.

1. ¿Cuál es la biomolécula más abundante de la materia viva?_______________________________________________________________________________

2. Relaciona las propiedades del agua con las funciones que cumple en nuestro organismo. Para ello indica el o los números de la propiedad del agua que permiten dicha función y anótalo en el espacio correspondiente.

PROPIEDAD IMPORTANCIA BIOLÓGICA1. Aumento de volumen al congelarse

_______ Termorreguladora.

2. Elevado calor específico _______ Permitir la vida acuática.3. Elevada capacidad disolvente

_______ Transportar nutrientes y desechos.

4. Elevado calor de vaporización

_______ Ser el medio en el que ocurren las reacciones químicas de una célula

3. ¿A qué se deben las propiedades que presenta la molécula de agua?______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.2 BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS

2.1. CARBOHIDRATOS, GLÚCIDOS O HIDRATOS DE CARBONO.

2.1.1 Composición.

Los carbohidratos están compuestos por átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno (C, H, O), en una proporción cercana a 1:2:1, es decir, por cada átomo de carbono existen dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.

2.1.2 Clasificación y funciones.

El monómero de los carbohidratos recibe el nombre de monosacárido. De acuerdo al número de monosacáridos presentes, los carbohidratos se clasifican en monosacáridos, disacáridos y polisacáridos. Es importante señalar que los carbohidratos cuando se encuentran disueltos en agua, forman moléculas cíclicas (cerradas) no lineales.

a) Monosacáridos o azúcares: son aquellos formados por un monómero. Estos monómeros pueden contener de 3 a 7 átomos de carbono. Sin embargo, sólo nos interesan los monosacáridos que presentan 5 y 6 átomos de carbono. Si contienen 5 átomos de carbono se llaman pentosas y si contienen 6, se llaman hexosas.

Existen varios tipos de pentosas, pero las más importantes son la ribosa y desoxirribosa (Figura 10). Estos monosacáridos son componentes estructurales de los ácidos nucleicos; la ribosa del ARN y la desoxirribosa del ADN.

Por su parte, existen muchas hexosas, pero las principales son la glucosa, la fructosa y la galactosa (Figura 11). Las hexosas presentan la misma fórmula molecular: C6H12O6, no obstante, la manera en cómo se conectan los átomos difiere en cada una de ellas.

Figura 10. La figura muestra dos pentosas; a la izquierda la desoxirribosa que forma parte del ADN y a la derecha la ribosa que forma parte del ARN. Note que tal como se indicó los carbohidratos tienden a ser moléculas cíclicas y que estos monosacáridos mostrados contienen 5 átomos de carbono en su estructura.

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Las hexosas tienen por función aportar energía de forma inmediata a la célula. Esta función la lleva a cabo, particularmente, la glucosa. Además, las hexosas forman parte de otra clase de carbohidratos llamados disacáridos.

b) Disacáridos: son aquellos carbohidratos formados por dos monómeros. Para que se unan dos monómeros y se dé origen a un disacárido, debe producirse un enlace entre ellos, el cual recibe el nombre de enlace glucosídico.

Dentro de los disacáridos se destacan la sacarosa, la lactosa y la maltosa (Figura 12). La sacarosa está formada por la unión de una glucosa y una fructosa. Este disacárido

corresponde al azúcar de mesa que consumimos diariamente. La lactosa está formada por la unión de una glucosa con una galactosa. Este disacárido es

el azúcar de la leche. La maltosa está formada por la unión de 2 glucosas. Este disacárido se emplea como

materia prima para la producción de bebidas alcohólicas.

Cuando los disacáridos son consumidos, son degradados en el tubo digestivo (sustancias especiales llamadas enzimas rompen los enlaces glucosídicos), liberándose los monómeros por los cuales están constituidos. En consecuencia, a los disacáridos se les atribuye la misma función que a las hexosas que los forman: fuente rápida de energía.

c) Polisacáridos: son aquellos carbohidratos que están formado por miles de monómeros, por lo que corresponden a los polímeros de los carbohidratos. En esta guía estudiaremos 3 polisacáridos: el glucógeno, el almidón y la celulosa.

Todos ellos, están formados por el mismo monómero que corresponde a la glucosa. Miles de glucosas se unen entre sí mediante enlaces glucosídicos para formar a estas macromoléculas. Sin embargo, existen diferencias entre ellos.

El almidón y la celulosa sólo se encuentran en las plantas, en tanto el glucógeno sólo se encuentra en los animales (Figura 13).

Tanto el almidón como el glucógeno son polímeros helicoidales (tienen forma en espiral) ramificados, sin embargo, el glucógeno presenta más ramificaciones que el almidón. No obstante, ambos cumplen la misma función: almacenamiento de energía: el almidón almacena energía en las plantas, mientas que el glucógeno lo hace en los animales. El glucógeno se almacena en el tejido muscular y en el hígado, mientras que el almidón se almacena, fundamentalmente, en las raíces en las plantas (por ejemplo, la zanahoria y la papa son raíces, por lo que contienen una gran cantidad de almidón).

Cuando en estos organismos se acaba el aporte suministrado por las hexosas, particularmente, por la glucosa, entonces las células que almacenan estos polisacáridos, los degradan (unas sustancias especiales llamadas enzimas cortan los enlaces glucosídicos), por lo que se libera el monómero que

Figura 12. Forma esquemática de representar la composición de los disacáridos sacarosa, lactosa y maltosa. Los enlaces que unen a los monómeros para formar los distintos disacáridos se conocen con el nombre de enlaces glucosídicos.

Figura 11. La figura muestra la estructura química de la glucosa, la fructosa y la galactosa. Note que todos estos monosacáridos son hexosas, es decir, contienen 6 átomos de carbono en su estructura.

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los forma, es decir, la glucosa. En consecuencia, la glucosa se emplea como combustible destinado a producir energía en las células del organismo.

Por su parte, la celulosa es un polímero lineal no ramificado, que es el principal componente estructural de la pared celular presente en las células vegetales.

En síntesis, los carbohidratos presentan tres funciones esenciales: función estructural (ejemplo: la celulosa forma la estructura de la pared celular de las

células vegetales), reservorio de energía (almidón en las plantas, glucógeno en los animales) y energética de uso inmediato (la glucosa disponible es empleada por las células como

fuente rápida de energía).

2.1.3 Comportamiento respecto al agua.

Todos los carbohidratos son hidrofílicos (“amigos del agua”) y solubles en agua, salvo los polisacáridos que si bien son hidrofílicos, son insolubles en agua.

ACTIVIDAD 10. Comprensión de las ideas principales e investigación de temas relacionados con los contenidos

1. Completa las siguientes oraciones.

a) Los carbohidratos están formados por átomos de _____________, en una proporción igual o cercana a _______________.b) El nombre de los monómeros de los carbohidratos recibe el nombre de _________________.c) El nombre del polímero de los carbohidratos recibe el nombre de ______________________.d) Los monómeros de los carbohidratos se unen mediante un enlace denominado ___________.e) La función de las pentosas es __________________________________________________.

f) La función de las hexosas es _____________________________________________________.g) La función del almidón es servir como _______________________ en las ________________.h) La función del glucógeno es servir como _______________________ en los _______________.i) La función de la celulosa es servir como ____________________________ de la _________________ de las células _____________.j) Todos los carbohidratos son _______________ y solubles en agua, salvo los polisacáridos que son insolubles en ___________.k) Los carbohidratos tienen función _______________ y __________________.

2. Contesta si las siguientes aseveraciones son verdaderas o falsas. Justifica las falsas.

a. ___ Los azúcares o monosacáridos que presentan 5 átomos de carbono en su estructura se llaman hexosas

b. ___ La sacarosa resulta de la unión de una glucosa con una ribosac. ___ La maltosa resulta de la unión de una glucosa con una fructosa

Figura 13. Representación esquemática del glucógeno, la celulosa y el almidón, cada uno de los cuales están formados por la unión de miles de moléculas de glucosa. En la figura cada hexágono representa a una molécula de glucosa, en tanto las líneas que unen a los hexágonos corresponden a los enlaces glucosídicos. Note que el esquema indica la procedencia de cada uno de estos polímeros: el glucógeno sólo se encuentra en animales, mientras que la celulosa y el almidón se encuentran en vegetales.

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d. ___ La lactosa es un disacárido formado por una glucosa y una galactosae. ___ El almidón y la celulosa se encuentran en organismos animales

3. Responde las siguientes preguntas.

a. ¿Qué alimentos son ricos en carbohidratos? (indica al menos 3)._______________________________________________________________________________

b. ¿Cuál es el criterio de clasificación de los carbohidratos?_______________________________________________________________________________

c. Si el almidón, el glucógeno y la celulosa son todos polímeros de glucosa, entonces ¿en qué se diferencian?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. El gráfico que figura a continuación, muestra el consumo de azúcar y la cantidad de caries en diversos países. Cada país está representado un punto en el gráfico.

Del gráfico se desprende que los países cuyos habitantes consumen mayor cantidad de azúcar, su población tiende a tener, en promedio, mayor número de caries.

a) Averigua por qué el azúcar es capaz de generar caries en los individuos._______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________b) ¿Qué medidas adoptarías tú para evitar la aparición de caries en tu dentadura?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.2 LÍPIDOS.

2.2.1 Composición.

Al igual que los carbohidratos, los lípidos están formados por átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno (C, H, O), sin embargo, a diferencia de éstos, los lípidos se caracterizan por tener una alta proporción de átomos de carbono e hidrógeno, y una baja proporción de átomos de oxígeno.

2.2.1 Clasificación y funciones.

Los lípidos NO presentan monómeros, por lo que tampoco forman polímeros. Existen muchas formas de clasificar a los lípidos, pero de manera conveniente los clasificaremos de acuerdo si presentan o no ácidos grasos en su estructura. A los que presentan ácidos grasos se les denomina

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saponificables, mientras que a los que no, se les conoce como insaponificables. Sólo se estudiarán 3 lípidos de interés.

Lípidos saponificables.

a) Los triglicéridos o triacilgliceroles. Son lípidos formados por una molécula de glicerol y 3 moléculas de ácidos grasos. El glicerol (Figura 14) es una molécula formada por 3 átomos de carbono, en tanto los ácidos grasos (Figura 14) son largas cadenas de átomos de carbono (de 12 a 20 átomos de carbono) unidos a átomos de hidrógeno, en cuyo extremo uno de los átomos de carbono se une a dos oxígenos (a uno de ellos a través de un enlace simple y al otro a través de un enlace doble).

Los ácidos grasos se clasifican en saturados e insaturados. Los ácidos grasos saturados (ver figura 14) son aquellos cuyos átomos de carbono se unen exclusivamente mediante enlaces simples (C-C), mientras que los ácidos grasos insaturados (Figura 15) son aquellos en donde al menos existe un enlace doble carbono/carbono (C=C). Si existe sólo un enlace doble carbono/carbono entonces se dice que es un ácido graso monoinsaturado, en tanto si existen 2 o más enlaces dobles carbono/carbono se está en presencia de un ácido graso poliinsaturado. Los ácidos grasos saturados consumidos en alta cantidad, se consideran que son dañinos para la salud, pues provocan enfermedades cardiovasculares. Estos ácidos grasos se encuentran en una alta proporción en carnes rojas. Por el contrario, los ácidos grasos insaturados son beneficiosos para la salud y se encuentran en aceites, pescados y frutos secos.

Los ácidos grasos se unen a la molécula de glicerol mediante enlaces llamados éster, formando un triglicérido (Figura 16). Los ácidos grasos contenidos en los triglicéridos pueden ser saturados o insaturados. Cuando los triglicéridos presentan un alto contenido de ácidos grasos saturados, son sólidos a temperatura ambiente y se llaman grasas, como la mantequilla o la manteca. Ahora bien, cuando los triglicéridos tienen un alto contenido de ácidos grasos insaturados, son líquidos a temperatura ambiente y se llaman aceites, como por ejemplo el aceite de cocina (Figura 17).

Figura 14. Estructura química del glicerol y un ácido graso saturado.

Figura 15. Ejemplos de ácidos grasos insaturados. Cuan existe un enlace doble carbono/carbono (C=C) se dice que el ácido graso es monoinsaturado, mientras que cuando presenta dos o más enlaces doble carbono/carbono (C=C) se llama poliinsaturado. El lugar en donde se encuentran los enlaces dobles en las figuras se indica con una flecha.

↑ Ácidos grasos saturados↓ Ácidos grasos insaturados

↓ Ácidos grasos saturados↑ Ácidos grasos insaturados

Figura 16. Representación simplificada de un triglicérido

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Figura 17. Los triglicéridos pueden ser sólidos o líquidos a temperatura ambiente. Si son sólidos como la mantequilla se laman grasas, las que se caracterizan por contener un elevado porcentaje de ácidos grasos saturados y un bajo porcentaje de ácidos grasos insaturados. Por el contrario, si los triglicéridos son líquidos a temperatura ambiente se llaman aceites, los que contienen una alta proporción de ácidos grasos insaturados y una baja proporción de ácidos grasos saturados.

Los triglicéridos tienen dos funciones básicas. Por un lado, son aislantes térmicos, razón por la cual los animales que viven en temperaturas muy bajas, como las focas, presentan una gran cantidad de grasa bajo su piel. Y por otro lado, son fuente de almacenamiento de energía a largo plazo. Es por ello que para que los triglicéridos se utilicen como fuente de energía, se deben emplear primero, los monosacáridos y los polisacáridos que almacenan energía como el glucógeno.

b) Los fosfolípidos. Son lípidos que además de contener C, H y O, también presentan fósforo (P) en su estructura. Están formados por una molécula de glicerol, a la cual se unen dos moléculas de ácidos grasos y un grupo fosfato. Un grupo fosfato es una molécula con carga negativa formada por un átomo de fósforo unido a 4 átomos de oxígeno. El grupo fosfato, a su vez, está unido a una molécula hidrofílica (Figura 18). Los fosfolípidos son moléculas anfipáticas, es decir, presentan una parte hidrofílica (“amiga” del agua) y otra hidrofóbica (“enemiga” del agua), simultáneamente. Estas moléculas se representan mediante una estructura que contiene una cabeza hidrofílica y dos colas hidrofóbicas (Figura 19).

Los fosfolípidos tienen por función la formación de membranas biológicas (Figura 20), tales como la membrana celular o las membranas que delimitan a los organelos membranosos.

Figura 20. Las membranas biológicas están formadas por dos capas de fosfolípidos. Las capas se disponen de tal forma que las cabezas hidrofílicas se disponen al exterior de la membrana, tomando contacto con el agua, en tanto las colas hidrofóbicas tienden a permanecer en el centro de la membrana para evitar el contacto con el agua.

Lípidos insaponificables.

c) Colesterol. Es un lípido que presenta una estructura compleja, compuesta por 4 anillos de carbono fusionados y por una cadena lineal de átomos de carbono que se proyecta a partir de uno de sus anillos (no presenta ácidos grasos).

Figura 19. Representación de un fosfolípido

Figura 18. Representación simplificada de un fosfolípido.

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Las funciones que lleva a cabo el colesterol son múltiples, pero dos de ellas son de nuestro interés. Primero, el colesterol es un componente estructural de todas las membranas de las células animales. Y en segundo lugar, forma algunas hormonas como las hormonas sexuales masculinas y femeninas, que masculinizan y feminizan a los individuos, respectivamente.

2.3 Comportamiento respecto al agua.

Los lípidos son una familia heterogénea de compuestos, cuyo denominador común es su insolubilidad en agua. La mayoría de ellos son hidrofóbicos, aunque algunos, como los fosfolípidos, son anfipáticos.

ACTIVIDAD 11.

1. Completa las siguientes oraciones.

a) Los lípidos están formados por átomos de _____________, con altas proporciones de átomos de ______ e ________ y baja proporción de átomos de _____.b) El glicerol se une con los ácidos grasos mediante un enlace denominado ___________.c) Las funciones de los triglicéridos son ___________________________ y _________________.d) La función de los fosfolípidos es __________________________________________________.e) Las funciones del colesterol son ____________________ y ____________________________.f) Todos los lípidos se caracterizan por ser ______________ en agua.

2. Contesta si las siguientes aseveraciones son verdaderas o falsas. Justifica las falsas.

a. ___ Los lípidos a diferencia de los carbohidratos, están formado por C,H,O en una proporción 1:2:1

b. ___ Los ácidos grasos son los monómeros de los lípidosc. ___ Los ácidos grasos insaturados son aquellos que presentan sólo enlaces simples

carbono/carbonod. ___ Si un alimento está formado por triglicéridos con un alto contenido de ácidos grasos

saturados, entonces será líquido a temperatura ambiente.e. ___ El aceite de oliva está formado por triglicéridos. De acuerdo con esto, se puede

deducir que presenta una alta cantidad de ácidos grasos insaturados.f. ___ La capacidad que tienen los fosfolípidos para generar membranas biológicas se debe

a su naturaleza anfipática.d. ___ Todos los lípidos son hidrofóbicos.

3. Responde las siguientes preguntas.

a. ¿Qué alimentos son ricos en lípidos? (indica al menos 3)._______________________________________________________________________________

b. ¿En qué se diferencian los ácidos grasos saturados de los insaturados?_______________________________________________________________________________

c. Desde un punto de vista estructural, en qué se diferencia un triglicérido de un fosfolípido.______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

d. ¿Cómo se llaman las células que almacenan grasas en los tejidos animales?_______________________________________________________________________________

e. Desde un punto de vista físico, ¿en qué se diferencia una grasa de un aceite?______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Figura 21. Estructura química del colesterol

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f. Desde un punto de vista estructural, ¿en qué se diferencia una grasa de un aceite?______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

g. ¿Qué significa que los fosfolípidos sean anfipáticos?_______________________________________________________________________________

h. Tanto los carbohidratos como los lípidos tienen la misma composición atómica C, H y O. Entonces, ¿en qué se diferencian?______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. Analiza el siguiente gráfico.

a) ¿Qué puedes interpretar a partir de los resultados del gráfico?___________________________________________________________________________________________

b) Averigua qué es la aterosclerosis.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

c) ¿Qué relación existe entre la aterosclerosis y los niveles sanguíneos de colesterol?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________