Portada » Biología » Biología Fundamental: Estructura, Composición y Funciones de los Seres Vivos
La Biología es la ciencia que estudia la vida. Ante la dificultad de definir el concepto de “vida”, los científicos optan por definir las características que debe poseer un ser para que sea considerado vivo:
Los niveles de organización de la materia viva son los grados de complejidad en la estructura. Consideramos los siguientes niveles de organización:
Independientemente de su complejidad, todos los seres vivos poseen unas características comunes:
Todos los seres vivos están formados por los mismos elementos químicos y las mismas moléculas.
Todos los seres vivos están formados por una o por millones de células. Una célula es la mínima unidad de los seres vivos capaz de realizar las funciones vitales. En los seres vivos encontramos dos tipos de células:
El material genético que forma su núcleo no está rodeado por una membrana que lo separa del citoplasma, por lo que se dice que no tienen núcleo definido.
Su material genético es muy complejo y queda rodeado de una membrana que lo separa del resto del citoplasma, conformando un verdadero núcleo. Además, en el citoplasma aparece una gran cantidad de orgánulos complejos, como las mitocondrias, que no aparecen en las células procariotas. Existen dos modalidades de células eucariotas: las células animales y las células vegetales.
Todos los seres vivos tienen la capacidad de llevar a cabo las funciones vitales: nutrición, relación y reproducción.
Tiene como función incorporar del exterior materia y energía y transformarla mediante una serie de reacciones químicas que constituyen el metabolismo celular. Parte de la materia incorporada se emplea en sintetizar estructuras propias del organismo, mediante una serie de reacciones que se denomina anabolismo. Otra parte de la materia se utiliza para obtener energía mediante reacciones que reciben el nombre de catabolismo.
Atendiendo al tipo de materia que se incorpora y a la fuente de energía que se utiliza, se pueden considerar dos tipos de nutrición:
El organismo capta información de su entorno y responde en consecuencia. Los mecanismos son variados, de tipo químico (hormonas) o de tipo eléctrico (sistema nervioso).
Permite a los seres vivos perpetuarse generación tras generación, de modo que un organismo da lugar a otros idénticos o semejantes a él. En los seres vivos existen dos tipos de reproducción:
Todos los seres vivos están formados por los mismos elementos químicos. Estos elementos reciben el nombre de bioelementos y pueden clasificarse en tres grupos:
Aparecen en un 96,2%. Son carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre, si bien los cuatro primeros suponen un 95% en abundancia. Los bioelementos primarios son la base estructural de todas las biomoléculas. Estos elementos son muy abundantes por 3 razones:
Aparecen en menores proporciones. Algunos forman parte de las sales minerales, otros solo forman parte de ciertas moléculas como la clorofila o la hemoglobina: Sodio, potasio, cloro, magnesio y calcio.
Aparecen en pequeñísimas cantidades, pero son indispensables porque su carencia acarrea trastornos que pueden llevar a la muerte del organismo, porque catalizan reacciones. Tenemos: hierro, cobre, manganeso, cinc, cobalto, yodo, flúor, etc.
Los bioelementos se unen para formar biomoléculas. Podemos distinguir dos grupos:
Aparecen tanto en la materia viva como en la inerte. Son el agua y las sales minerales y algunos gases como O2 y CO2.
Están formadas por cadenas de carbonos a las que se unen hidrógeno y oxígeno y en otros casos nitrógeno, fósforo y azufre. Son glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.
La importancia del agua reside en la estructura de su molécula. La molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno unido a dos átomos de hidrógeno mediante enlaces covalentes. Ambas moléculas se atraen por la diferencia en la densidad de carga, lo que genera la formación de un enlace denominado enlace por puente de hidrógeno. Este tipo de enlace es bastante débil, y se forma y se rompe, lo que permite que las moléculas de agua se muevan unas con respecto a otras y el agua se comporte como un fluido. Cada molécula puede formar enlaces con 4 moléculas vecinas, aunque en estado líquido solo forma enlace con 3 de ellas. Cuando pasa a estado sólido sí que forma los 4 enlaces.
Se deben a la existencia del enlace por puente de hidrógeno.
Las sales minerales son biomoléculas inorgánicas que resultan de la combinación de un catión y un anión. Desempeñan dos tipos de funciones:
En forma sólida, las sales minerales forman estructuras, como los esqueletos de vertebrados o las conchas de moluscos.
Estas funciones son desempeñadas por las sales en forma de iones. Podemos encontrar las siguientes:
Las membranas celulares son membranas semipermeables, de manera que permiten que el agua las atraviese pero no las sustancias disueltas en ella, por ese motivo la concentración de sales minerales a ambos lados de una membrana celular debe ser la misma, pues de lo contrario, entrará o saldrá agua para tratar de igualar las concentraciones, con el consiguiente perjuicio para la célula. Ósmosis: proceso por el cual las sales minerales disueltas en una disolución tienden a igualar sus concentraciones a ambos lados de una membrana semipermeable.
En el interior de la célula se deben mantener unos índices de acidez y alcalinidad adecuados, de modo que no puede haber exceso de iones H+ (ácido) ni de iones OH– (básico). Existen determinados tipos de sales, como los bicarbonatos, que se encargan de mantener la concentración de estos iones en valores constantes. Bicarbonatos: Contrarrestan para mantener constantes los niveles de pH.
También intervienen en la transmisión del impulso nervioso, en la contracción muscular, en la coagulación de la sangre o forman parte de determinadas enzimas.
Las biomoléculas orgánicas se caracterizan por la presencia de átomos de carbono unidos entre sí formando largas cadenas y unidos a hidrógeno, oxígeno o nitrógeno.
Cada una de las valencias puede estar ocupada por un átomo, unido al carbono por un enlace covalente sencillo. Si dos o tres valencias se ocupan con la unión de un átomo, se forman enlaces dobles o triples. Los carbonos se unen lateralmente unos a otros formando largas cadenas, lineales, ramificadas o cerradas en forma de anillos. Los más frecuentes son las cadenas lineales en las que los carbonos se unen entre sí por enlaces sencillos y el resto de los enlaces están ocupados por hidrógenos u otros átomos. Dependiendo del tipo de átomos que se unan al carbono, encontraremos los diferentes grupos funcionales:
Función Química |
Grupo Funcional |
Ejemplos |
R – OH |
Alcohol |
Sustitución de uno de los hidrógenos por un grupo OH. Metano (CH4) da metanol (CH3-OH) |
R – CHO |
Aldehído |
Sustitución de 2 hidrógenos por un oxígeno en un carbono terminal |
R – CO – R´ |
Cetona |
Sustitución de dos hidrógenos por un oxígeno en un carbono intermedio |
R – COOH |
Ácido |
Sustitución de un H terminal por un OH y los otros dos por un grupo OH |
R – NH2 |
Amina |
Se sustituye un hidrógeno por el grupo amino. |
Son polialcoholes con función aldehído o cetona. Tienen dos funciones y se clasifican según su complejidad:
Son los glúcidos más simples, a partir de los cuales se obtienen los demás. Son sólidos blancos, cristalinos, tienen sabor dulce y son solubles en agua. Según el número de átomos de carbono que los forman pueden ser triosas, tetrosas, pentosas o hexosas. Entre las pentosas destacamos la ribosa y su derivado, la desoxirribosa, que forman parte de los ácidos nucleicos.
Entre las hexosas la más importante es la glucosa, que es el combustible fundamental de las células y es el azúcar más abundante. Se encuentra en los frutos. Otras hexosas son la galactosa (azúcar de la leche) y la fructosa (azúcar de fruta).
Están formados por la unión de dos monosacáridos unidos por un enlace llamado O–glucosídico. Este enlace se forma mediante uno de los oxígenos de un grupo alcohol, con la eliminación de una molécula de agua. Son también sólidos cristalinos de color blanco, tienen sabor dulce y son solubles en agua. Junto con los monosacáridos forman los azúcares con función energética.
Los más importantes son la maltosa o azúcar de malta, formada por dos unidades de glucosa; la lactosa, formada por una unidad de glucosa y otra de galactosa; y la sacarosa, formada por una glucosa y una fructosa.
Están formados por centenares de monosacáridos, unidos por enlaces O–glucosídicos. Poseen un gran tamaño molecular, no son solubles y no poseen sabor dulce, aunque son sólidos blancos de aspecto harinoso. Los de mayor interés son:
Formado por unidades de glucosa, sirve como almacén de la glucosa fabricada durante la fotosíntesis, en el interior de los plastos, donde aparece formando gránulos.
Formado por unidades de glucosa, tiene mayor tamaño que el almidón y presenta muchas ramificaciones. Es la molécula de reserva de los animales; se acumula en forma de gránulos en el citoplasma de las células musculares y las hepáticas.
Está formada por unidades de glucosa, unidas por un enlace diferente. Aparece formando parte de las paredes de las células vegetales.
Forma el exoesqueleto de muchos invertebrados.
Forma parte de la pared vegetal.
Son biomoléculas orgánicas formadas por C, H y O, aunque en algunos aparece N y P. Químicamente forman un grupo muy diverso, con las siguientes propiedades físicas:
Las funciones de los lípidos son: energética, estructural, vitamínica y hormonal.
Dependiendo de si reaccionan con sustancias alcalinas podemos clasificarlos en dos grandes grupos:
Al mezclarlos con álcalis, a elevada temperatura, forman jabones. Dentro de este grupo tenemos los siguientes:
Son cadenas hidrocarbonadas en cuyo extremo aparece un grupo ácido carboxílico (COOH). Las cadenas pueden tener todos los átomos de carbono unidos a los hidrógenos (saturadas) o tener dobles enlaces entre átomos de carbono (insaturadas). La presencia de la cadena hidrocarbonada les hace ser muy insolubles en agua, aunque el grupo ácido les confiere una cierta polaridad que va a ser importante para los organismos.
Es la unión de glicerina con una, dos o tres moléculas de ácido graso, mediante la formación de un enlace éster, a través de una reacción de esterificación, con la formación de una molécula de agua con cada enlace. Mediante la esterificación, las células fabrican grasas para acumularlas como sustancias de reserva. Cuando son necesarias, las grasas pueden ser hidrolizadas para obtener los ácidos grasos y conseguir energía.
Las funciones fundamentales de las grasas son:
Las grasas vegetales son conocidas como aceites; en ellas abundan los ácidos grasos insaturados y por eso son líquidas a temperatura ambiente. Las grasas animales, saturadas, son sólidas a temperatura ambiente y se conocen como sebos.
Están formadas por un ácido graso de cadena muy larga, esterificado por un alcohol, también de cadena muy larga. Su función es protectora e impermeabilizante. Aparecen en hojas y frutos de algunos vegetales y forman también el cerumen del oído o la que fabrican las abejas.
Su estructura es semejante a la de las grasas, pero uno de los alcoholes de la glicerina está unido a algún compuesto no lipídico, como ácido fosfórico, azúcares o aminoácidos.
Los más importantes son los fosfolípidos. Estas moléculas están formadas por una molécula de glicerina esterificada en sus carbonos 2 y 3 por dos moléculas de ácidos grasos, una saturada y otra insaturada, y en su carbono 1 aparece unida una molécula de ácido fosfórico. Este ácido fosfórico confiere a la molécula un carácter bipolar, pues es hidrófilo, mientras que la zona de los ácidos grasos será hidrófoba. En presencia de agua, las moléculas de ácido fosfórico se sitúan enfrentadas unas a otras, con el lado hidrófilo hacia el agua y las colas de ácidos grasos en dirección opuesta, constituyendo una bicapa. Esta característica condiciona su función biológica, ya que los fosfolípidos forman la estructura de las membranas celulares.
En su molécula no aparecen ácidos grasos y no forman jabones. Todos derivan del 2–metilbutadieno, también llamado isopreno, que al unirse entre sí, da lugar a los dos grandes grupos de lípidos no saponificables.
Son cadenas lineales de isopreno. En este grupo destacamos los carotenos, pigmentos vegetales de color rojo anaranjado, que intervienen en la fotosíntesis junto con la clorofila y son precursores de la vitamina A. En este grupo también se encuentran las xantofilas.
Las cadenas de isoprenos se ciclan para formar anillos de estructura compleja. Las más importantes son el colesterol, que forma parte de las membranas celulares, las hormonas sexuales y los corticoides.
Son biomoléculas complejas, formadas por otras más sencillas denominadas aminoácidos, que están formados por un átomo de carbono cuyas valencias se encuentran ocupadas por un grupo amino, un grupo ácido, un hidrógeno y un radical variable que caracteriza a cada tipo de aminoácido. Los aminoácidos se unen formando enlaces peptídicos. El enlace peptídico se establece entre el grupo amino de un aminoácido con el grupo ácido del otro, liberando una molécula de agua. Así se forma un dipéptido, tripéptido, etc. Cuando el número de aminoácidos supera el centenar, hablamos de proteínas.
Se corresponde con la secuencia en orden de los aminoácidos. Esta secuencia es característica de cada individuo. La información que almacenan las proteínas se debe a este orden lineal de los aminoácidos: Gly – Ala – His – Pro – Asp – Ala – Ser – Pro.
Entre los aminoácidos de la cadena pueden formarse puentes de hidrógeno, lo que origina plegamientos que pueden ser de dos tipos, según la función de la proteína:
Adoptan estructuras globulares que se estabilizan mediante diferentes tipos de enlace, como puentes disulfuro, interacciones hidrofóbicas, interacciones iónicas o fuerzas de Van der Waals. Esta estructura terciaria es la que hace que la proteína sea funcional.
Aparece en proteínas formadas por varias subunidades, que se unen entre sí para originar un conjunto funcional. Un ejemplo lo tenemos en la hemoglobina.
Las proteínas son específicas de cada especie y de cada individuo. Existen millones de proteínas distintas, que se diferencian entre sí por el número y el tipo de aminoácidos que las forman y, sobre todo, por el orden o secuencia de estos que condiciona su estructura tridimensional. Cuanto más parecidas sean las proteínas de dos especies, mayor probabilidad hay de que tengan un antepasado común. Las proteínas son las responsables de los caracteres morfológicos y fisiológicos característicos de cada individuo.
Esto quiere decir que las proteínas pueden perder su estructura tridimensional y con ello su actividad biológica. Esto ocurre por diferentes factores como son el calor, la acidez o alcalinidad del medio o la presencia de ciertos iones. Por este motivo, los seres vivos deben encontrarse siempre dentro de unos límites constantes de temperatura, acidez y concentraciones salinas.
Las funciones que encontramos son las siguientes:
Las enzimas son las proteínas que hacen posibles todas las reacciones químicas que tienen lugar en la célula. Todas las enzimas son proteínas.
Muchas proteínas, como la hemoglobina, transportan sustancias.
Actina y miosina son proteínas que intervienen en la contracción muscular.
Las fibras y otros elementos están formados por proteínas, como el colágeno, la queratina o la elastina de la piel.
Ciertas proteínas de membrana son receptores de hormonas y de otras moléculas y sirven de mensajeros entre las células.
Algunas hormonas, como la del crecimiento o la insulina, son proteínas.
Los anticuerpos (inmunoglobulinas) son proteínas.
Las reacciones químicas que se llevan a cabo en el interior de la célula tienen que realizarse bajo unas condiciones muy suaves de temperatura y presión. En esas condiciones, las reacciones serían muy lentas o no se llevarían a cabo, por lo que son necesarias unas moléculas que las aceleran. Estas moléculas se denominan biocatalizadores. Existen tres tipos de biocatalizadores: enzimas, vitaminas y hormonas.
Son la clase de proteínas más numerosa y especializada. Son las responsables del metabolismo celular. Ejercen su acción uniéndose selectivamente a determinadas moléculas (sustratos); las enzimas van a producir modificaciones químicas en los sustratos a los que se unen, bien mediante rotura, formación o redistribución de sus enlaces covalentes, bien mediante introducción o pérdida de algún grupo funcional.
Las enzimas son proteínas globulares. La parte de la enzima que se une a la molécula del sustrato se denomina centro activo, y contiene los grupos funcionales que efectúan la acción catalítica. Los aminoácidos que forman el centro activo pueden estar alejados unos de otros en la cadena polipeptídica, pero cuando la enzima se une al sustrato, hace que esos aminoácidos se aproximen. Algunas enzimas necesitan unirse a otras moléculas no proteicas para realizar su acción. Esas moléculas reciben el nombre de cofactores, si son de naturaleza inorgánica, o coenzimas, si son de naturaleza orgánica (muchas vitaminas son coenzimas).
Una enzima se va a unir a la molécula que debe sufrir la reacción (sustrato) y forma un complejo llamado enzima – sustrato. Este complejo es transitorio y durante la unión, la enzima va a modificar el sustrato para dar lugar a los productos. Entonces la enzima se separa y se recupera de nuevo para intervenir en una nueva reacción.
Son biomoléculas formadas por C, H, O, N y P, que están formados por la repetición de subunidades denominadas nucleótidos. Un nucleótido está formado por tres componentes:
La ribosa o la desoxirribosa.
Es una molécula cíclica, formada por un solo anillo (base pirimidínica) o por dos (base púrica). Existen tres bases pirimidínicas: timina, citosina y uracilo; y dos bases púricas: adenina y guanina.
Existen dos tipos de ácidos nucleicos:
Está formado por dos cadenas enfrentadas entre sí y unidas por enlaces de puente de hidrógeno entre las bases nitrogenadas de cada una de ellas. Las bases nitrogenadas que aparecen son adenina, guanina, citosina y timina y siempre se van a enfrentar, adenina con timina (unidas por dos puentes de hidrógeno) y guanina con citosina (unidas por tres puentes de hidrógeno). Las dos cadenas unidas adoptan forma de hélice, lo que se conoce con el nombre de doble hélice. El ADN se encuentra en el núcleo de las células (de ahí el nombre de nucleico) donde se asocia a proteínas, formando los filamentos de cromatina que darán lugar a los cromosomas durante la división celular.
La función que desempeña el ADN es la de almacenar la información genética de las células, la cual determina los caracteres hereditarios. Dicha información se encuentra almacenada en la secuencia de bases nitrogenadas, de modo que cada individuo va a poseer una secuencia específica. Esta secuencia determina la secuencia de aminoácidos de las proteínas. Al fragmento de ADN que dirige la síntesis de una proteína es a lo que denominamos gen. El ADN es capaz de realizar copias de sí mismo y transmitirlas a las células hijas.
Está formado por una sola cadena de ribonucleótidos. Aquí no aparece timina como base nitrogenada y sí aparece uracilo. La cadena es más corta y tiene forma lineal, aunque puede plegarse sobre sí misma.
Existen tres tipos de ARN: