CURSO DE BIOLOGÍA

NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LA MATERIA Y BIOMOLÉCULAS.NIVELES ABIÓTICOS

La unidad del universo está en su materialidad, y la materia se presenta en dos variedades fundamentales: la sustancia y el campo.

La materia para su estudio se organiza en niveles de complejidad creciente conocidos como niveles de organización de la materia. Los niveles de organización de la materia constituyen unidades de diferentes grados de complejidad estructural y funcional de la materia, en relación con sus características físicas, químicas y biológicas.

Estos niveles se clasifican en abióticos (los que no manifiestan la vida) a los que pertenecen el nivel atómico y el nivel molecular, y bióticos (los que manifiestan la vida) que incluye a los niveles: celular, organismo, población, comunidad y biosfera.

Los niveles de organización de la materia se ordenan de acuerdo a su complejidad, tamaño y requerimientos energéticos.

Todos los niveles de organización de la materia mantienen una estrecha relación, ya que cada nivel incluye a los niveles inferiores y al mismo tiempo está incluido en los niveles de mayor complejidad.

El nivel atómico: Está formado por átomos y estos a su vez presentan una estructura compleja. Los átomos están formados por partículas sub-atómicas como los neutrones, los protones y los electrones. Los átomos poseen propiedades como la masa atómica, la valencia, la electronegatividad, entre otras.

El núcleo atómico está constituido principalmente por los protones, cargados positivamente y los neutrones, que no tienen carga. Alrededor del núcleo se encuentran los electrones, cargados negativamente en zonas de máxima probabilidad llamadas orbitales.

Los átomos son eléctricamente neutros, ya que los electrones con carga negativa son iguales en número a los protones de carga positiva. 
Los átomos pueden transformarse en iones por radiación de ondas electromagnéticas con la suficiente energía. Este tipo de radiación recibe el nombre de radiación de ionización.

Cuando un átomo neutro o un grupo de átomos ganan o pierden uno o más electrones, se forman los iones. Un átomo que pierde un electrón forma un Ion de carga positiva, llamado catión; un átomo que gana un electrón forma un Ion de carga negativa, llamado anión.
La membrana citoplasmática de las células permite la entrada de sustancias como el agua y algunos iones que intervienen en los procesos metabólicos.

El nivel molecular: Incluye a las moléculas que están formadas por la asociación de átomos que interactúan entre sí mediante enlaces e interacciones químicas. A partir de la diversidad de átomos que existen, se pueden formar distintos tipos de moléculas con diversas funciones en la naturaleza.

Las moléculas se clasifican en inorgánicas como: el agua, el dioxígeno y el dióxido de carbono, y en moléculas orgánicas como las proteínas y la glucosa que son de gran importancia en el metabolismo y están presentes en muchos de los alimentos que ingerimos.

Los componentes químicos orgánicos que forman parte de las estructuras y las funciones celulares reciben el nombre de biomoléculas, entre los que se encuentran: los carbohidratos, los lípidos o grasas, las proteínas, los ácidos nucleicos y las vitaminas.

Los carbohidratos constituyen una fuente y al mismo tiempo una forma de almacenar energía como por ejemplo: los gránulos de almidón en las células vegetales y los gránulos de glucógeno en las células hepáticas, y forman parte de estructuras celulares como la pared celular de las células vegetales, los hongos y de las bacterias.

Los lípidos son componentes de las membranas celulares, almacenan energía y forman parte de la estructura química de algunas hormonas como la testosterona y de muchas vitaminas como la vitamina E, que participan en la regulación de las funciones biológicas.

Las proteínas tienen variadas y diversas funciones. Algunas como las inmunoglobulinas participan en la defensa del organismo, muchas de las hormonas que regulan las funciones, como por ejemplo: la insulina, tienen una estructura química proteica. Las proteínas también participan en el transporte de sustancia como por ejemplo la hemoglobina, forman estructuras como las membranas celulares y las enzimas son proteínas que catalizan las reacciones que ocurren en el metabolismo celular.

Las vitaminas participan en la regulación del metabolismo y actúan como coenzimas, activando numerosas enzimas que regulan el funcionamiento de la célula.

Los ácidos nucleicos: son el ADN y el ARN. El ADN se localiza fundamentalmente en el núcleo, formando parte de los cromosomas y las moléculas de ARN se sintetiza en el núcleo a partir del ADN y emigra al citoplasma donde participan en la biosíntesis de proteínas. 
Las moléculas de ADN están constituidas por dos cadenas complementarias de polinucleótidos, enlazadas entre sí, en forma de doble hélice, a diferencia de las moléculas de ARN que están constituidas por una sola cadena de polinucleótidos.
Los nucleótidos están formados por una base nitrogenada (A - T- C- G en el ADN y A- U- C- G en el ARN), enlazada a un azúcar de tipo pentosa (desoxirribosa en los nucleótidos de ADN y ribosa en los nucleótidos de ARN), que se enlaza a un grupo o radical fosfato.

En la molécula de ADN, los nucleótidos se enlazan entre sí en una misma cadena mediante el grupo fosfato y ambas cadenas se enlazan formando la molécula mediante las bases nitrogenadas complementarias (A–T y C–G), enlazadas por puentes de hidrógeno.
Las moléculas de ADN se sintetizan por replicación y las de ARN por transcripción a partir de la información genética contenida en el ADN, procesos metabólicos de síntesis que ocurren en el núcleo de la célula durante la interface del ciclo celular.

El ADN dirige todas las funciones celulares al contener la información genética o hereditaria en su secuencia de nucleótidos o de bases nitrogenadas, la que se trasmite de una generación a la siguiente y se transcribe a moléculas de ARN (ARNm – ARNt – ARNr) que participan en la Biosíntesis de proteínas, proceso metabólico regulado enzimáticamente, en el que se traduce la información contenida en la molécula de ADN que se transcribe, en secuencias de aminoácidos que conforman las proteínas resultantes de este proceso, mediante las cuales se expresa la información genética en los caracteres hereditarios, en interacción con los factores del medio interno y externo.

Durante el origen de la vida en la Tierra en el proceso de polimerización se formaron moléculas orgánicas complejas de gran importancia en el posterior origen y evolución de las primeras formas vivientes o células primitivas, por ejemplo:

• Se sintetizaron proteínas que sirvieron como material estructural en la formación de las células primitivas y algunas pudieron actuar como enzimas, acelerando la velocidad de las reacciones y con ello el ritmo de la evolución química.
• Moléculas de ácidos nucleicos que al contener la información genética, pudieron determinar la estructura de las proteínas. La posible ocurrencia de mutaciones pudo permitir la síntesis de nuevos tipos de ácidos nucleicos con propiedades nuevas.
• La síntesis de carbohidratos y lípidos que pudieron actuar como material estructural y fuente de energía en la formación de las células primitivas.
• La síntesis de nucleótidos como el ATP, que constituyó una fuente de energía estable.

 Las biomoléculas.

Las biomoléculas son los constituyentes macroscópicos principales de los seres vivos.Estas a su vez están formadas por bioelementos. Estos se clasifican en :

• Principales: oxígeno (O), carbono (C), hidrógeno (H) y nitrógeno (N). Constituyen el 95% de la masa de los seres vivos. Tienen capas electrónicas externas incompletas,de modo que pueden formar fácilmente enlaces covalentes y dar lugar a las biomoléculas. Poseen un número atómico bajo, por lo que los electrones compartidos en la formación de los enlaces se hallan próximos al núcleo y las moléculas originadas son estables. Dado que el oxígeno y el nitrógeno son elementos electronegativos, muchas biomoléculas son polares, y , por ello, solubles en agua, requisito importante para que tengan lugar las reacciones biológicas fundamentales de la actividad vital. Son fácilmente incorporables a los seres vivos desde el medio externo, debido al intercambio de materia entre ambos. El carbono desempeña un papel fundamental gracias a su estructura tetraédrica y la existencia de electrones desapareados.
• Secundarios: calcio (Ca), fósforo (P), cloro (Cl), potasio (Na), azufre (S), sodio(K) y magnesio (Mg). Componen alrededor del 4%de la masa de los organismos vivos, se localizan en diversos lugares y cumplen funciones muy variadas. Por ejemplo, el calcio forma parte de los huesos y el magnesio de la clorofila de las plantas que permite llevar a cabo la fotosíntesis.
• Oligoelementos: los principales son el hierro (Fe), cobre (Cu), cinc (Zn), silicio (Si), manganeso (Mn) ,yodo (I) y flúor (F).

Mediante diferentes técnicas de análisis basadas en métodos físicos, como la filtración, la destilación, la centrifugación y la decantación, es posible separar las biomoléculas de un ser vivo sin que sufran alteraciones. A pesar de la enorme variedad de biomoléculas, las podemos dividir en dos grandes grupos: inorgánicas y orgánicas.

1.1 Biomoléculas inorgánicas

El agua y las sales son moléculas inorgánicas. Estas son comunes a toda la materia, tanto la viva como la inerte.

1.1.1. Agua

Sin agua no hay vida. Es la molécula que se encuentra en mayor proporción en los organismos, por término medio constituye el 70% del peso de los seres vivos. La cantidad de agua presente en los seres vivos depende de tres factores: la especie (por ejemplo, en el cuerpo de una medusa puede alcanzar el 95% de su masa mientras que en una semilla se limita al 10%), la edad del individuo (las estructuras biológicas de los organismos jóvenes presentan una mayor proporción de agua) y del tipo de tejido u órgano (los tejidos con una gran actividad bioquímica contienen una proporción de agua mayor que los más pasivos).

• Estructura química del agua: la unión entre el oxígeno y el hidrógeno se realiza mediante enlaces covalentes, en los que se comparten 2 electrones por enlace. Los pares de electrones compartidos se ven atraídos con más fuerza por el núcleo del átomo de oxígeno, ya que la electronegatividad de este es mayor. Por otro lado, el oxígeno posee 4 electrones más sin compartir, por lo que presenta una carga negativa débil en la zona de los electrones no compartidos y forma la geometría triangular de manera que los forman al oxígeno un ángulo de 104,5 º. Esto y la menor electronegatividad del hidrógeno, crea una asimetría eléctrica en la molécula de agua, que la aparición de cargas parciales opuestas: la zona de los electrones no compartidos del oxígeno es negativa y la zona donde se sitúan los hidrógenos es positiva. Por eso, a pesar de ser eléctricamente neutra pues no presenta carga eléctrica neta, la molécula de agua tiene un carácter dipolar. Esta polaridad favorece la interacción entre las moléculas de agua, de forma que la zona con carga eléctrica parcial negativa de una de ellas es atraída por la zona con carga parcial positiva de otra, estableciéndose entre ambas puentes de hidrógeno. Los enlaces de hidrógeno son mucho más débiles que los enlaces covalentes por lo que se rompen y se renuevan de manera constante, lo que mantiene las interacciones y permite que las moléculas de agua se unan con una fuerza considerable confiriendo una gran cohesión interna al agua líquida.

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• Propiedades y funciones:

PROPIEDADES	FUNCIONES
Poder disolvente del agua: medido por la constante dieléctrica que indica la fuerza de las moléculas de un disolvente mantienen separados a los iones de carga opuesta y que permite que el compuesto iónico permanece disuelto. El agua es un buen disolvente (es polar) y su constante es 80 a 20º C.	El agua actúa de medio donde tienen lugar las reacciones bioquímicascaracterísticas de la actividad vital.
Elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas: permite que el agua se mantenga líquida a temperatura ambiente( entre 0º y 100º).	Vehículo de transporte en el interior de un organismo vivo y como medio lubricante en las estructuras de movimiento.
Líquido prácticamente incompresible: el elevado grado de cohesión entre sus moléculas, el volumen del agua líquida no disminuye apreciablemente.	Determina las deformaciones citoplasmáticas y permite que el agua actúe como esqueleto hidrostático en las células vegetales.
Capilaridad: elevado grado de cohesión muy alto más cohesión que combinado con la adhesión a la superficie de otras estructuras (debida a su polaridad)	Permite que el agua pueda ascender a lo largo de conductor estrechos, por ejemplo el ascenso de la savia bruta por los tubos del xilema en los vegetales.
Elevada tensión superficial: los puentes de hidrógeno se cohesionan entre sí en el interior en todas direcciones del espacio. Sin embargo las moléculas de agua situadas en la superficie únicamente están sometidas a la acción de las moléculas de agua del interior del líquido al no existir fuerzas de cohesión con las moléculas de aire.Se origina la tensión superficial y permite que la superficie libre del agua se comporte como una membrana elástica tensa.	Causa la mayoría de las deformaciones celulares y de movimiento citoplasmáticos o que algunos insectos puedan andar sobre el agua.
Elevado calor específico: cuando se aplica calor al agua, parte de la energía se emplea en romper los enlaces de hidrógeno y no en elevar la temperatura, por lo que la temperatura del agua asciende y desciende más lentamente.	Actúa como buen regulador térmico interno (sangre, mar...)
Elevado calor de vaporización: Para pasar del estado líquido al gaseoso es necesario que los enlaces de hidrógeno se rompan, requiere un aporte considerable de energía.	Por ejemplo la capacidad refrigerante del sudor.
Menor densidad del hielo que del agua líquida: sus moléculas se acercan tanto que cada una de ellas puede formar enlaces de hidrógeno con otras 4 moléculas, se forma un retículo espacial estable que ocupa más volumen que el agua líquida, por lo que el hielo es menos denso y flota en ella.	Permite la supervivencia de los organismos acuáticos durante el invierno.
Ionización del agua: Algunas moléculas de agua sufren un proceso de ionización cuando un átomo de hidrógeno de una de ellas se une, mediante enlace covalente, al átomo de oxígeno de otra molécula a la que estaba unida por un puente de hidrógeno. Se obtienen dos iones, con carga opuesta y en igual concentración.