Ciencias Plan Común

LIBCES001BL-A10V1

Biología

Han colaborado en esta edición: Subdirectora Académica Paulina Núñez Lagos Directora PSU y Programas Consolidados Patricia Valdés Arroyo Equipo Editorial Lídice Barría Núñez María Paz Ramírez Calderón Diseño Gráfico y Diagramación Pamela Martínez Fuentes Diseño de Portada

CPECH

Preuniversitarios

Vania Muñoz Díaz

2

Autor

:

Preuniversitarios Cpech.

N° de Inscripción

:

238.242 del 31 de Enero de 2014.

Derechos exclusivos

:

Cpech S.A.

PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Año Impresión 2014 Impreso en QUADGRAPHICS CHILE S.A.

ÍNDICE

11 PRESENTACIÓN Capítulo Estructura y Actividad Celular 1: Organización, 15 1.

La vida y sus propiedades ........................................................................................ 16

2. Composición de la materia viva ............................................................................... 19 2.1 Átomos y moléculas............................................................................................. 19 2.1.1 Enlaces químicos...................................................................................... 19 2.1.2 Reacciones químicas................................................................................. 20 2.2 Biomoléculas........................................................................................................ 21 2.2.1 Biomoléculas inorgánicas......................................................................... 21 2.2.2 Biomoléculas orgánicas............................................................................ 24

CPECH Preuniversitarios

3. Morfología celular..................................................................................................... 34 3.1 Teoría celular........................................................................................................ 35 3.2 Diversidad celular................................................................................................. 35 3.2.1 Procariontes.............................................................................................. 36 3.2.2 Eucariontes............................................................................................... 36 3.3 Organización estructural y funcional de la célula animal..................................... 37 3.3.1 Membrana plasmática.............................................................................. 37 3.3.2 Citoplasma............................................................................................... 44 3.3.3 Organelos................................................................................................. 46 3.4 Organización estructural y funcional de la célula vegetal.................................... 51 3.4.1 Pared celular............................................................................................. 52 3.4.2 Citoplasma............................................................................................... 52 3.4.3 Organelos característicos.......................................................................... 52 3.5 Núcleo celular...................................................................................................... 54 3.5.1 Envoltura nuclear...................................................................................... 54 3.5.2 Cromatina................................................................................................. 55 3.5.3 Cromosomas............................................................................................ 56 3.5.4 Nucléolo................................................................................................... 58 3.6 Ciclo celular......................................................................................................... 59 3.6.1 Interfase................................................................................................... 60 3.6.2 División celular o mitosis.......................................................................... 61 3.6.3 Control del crecimiento y la reproducción celular..................................... 63 3.6.4 Diferenciación celular............................................................................... 63 3.6.5 Regulación del ciclo celular....................................................................... 64

3

Capítulo 2: Reproducción y Desarrollo 1. 2. 3.

71

Reproducción asexuada............................................................................................ 72 1.1 Fisión o bipartición.............................................................................................. 72 1.2 Yemación............................................................................................................. 73 1.3 Esporulación o escisión múltiple.......................................................................... 73 1.4 Fragmentación..................................................................................................... 73 Reproducción sexuada.............................................................................................. 74 2.1 Diferenciación sexual........................................................................................... 74 2.2 Sexo fenotípico.................................................................................................... 75 Meiosis...................................................................................................................... 76 3.1 Etapas de la meiosis............................................................................................. 76 3.2 Consecuencias genéticas de la meiosis................................................................ 79

4. Gametogénesis.......................................................................................................... 80 5. Ovogénesis................................................................................................................ 80 5.1 Características generales...................................................................................... 80 5.2 Ovocito II recién ovulado..................................................................................... 81 6. Espermatogénesis..................................................................................................... 82 6.1 Espermiohistogénesis.......................................................................................... 83 7. Hormona................................................................................................................... 84 7.1 Definición............................................................................................................ 85 7.2 Mecanismo de regulación hormonal. Retroalimentación .................................... 86

CPECH

Preuniversitarios

8. Aparato reproductor: generalidades........................................................................ 87 8.1 Aparato reproductor masculino........................................................................... 87 8.1.1 Testículos.................................................................................................. 88 8.1.2 Vías espermáticas..................................................................................... 89 8.1.3 Órgano copulador o pene........................................................................ 89 8.1.4 Glándulas anexas...................................................................................... 89 8.1.5 Fisiología del aparato reproductor masculino........................................... 91 8.1.6 Testosterona............................................................................................. 92 8.2 Aparato reproductor femenino............................................................................ 94 8.2.1 Genitales externos.................................................................................... 94 8.2.2 Genitales internos..................................................................................... 95 8.2.3 Fisiología del aparato reproductor femenino............................................ 96 8.2.4 Ciclo sexual femenino............................................................................... 96 8.2.5 Hormonas femeninas................................................................................ 100

4

9. Desarrollo prenatal y nacimiento............................................................................. 102 9.1 Fecundación......................................................................................................... 103 9.1.1 Fecundación interna................................................................................. 103 9.1.2 Fases de la fecundación............................................................................ 104 9.1.3 Consecuencia de la fecundación............................................................... 106 9.2 Desarrollo embrionario........................................................................................ 107 9.3 Anexos embrionarios........................................................................................... 111 9.4 Desarrollo o crecimiento fetal.............................................................................. 113 9.4.1 Hormonas del embarazo............................................................................. 115

10. Parto ........................................................................................................................ 115 11. Lactancia................................................................................................................... 117 11.1 Comienzo de la lactancia: función de la prolactina.............................................. 117 11.2 Eyección de la leche: función de la hormona oxitocina........................................ 117 11.3 Composición de la leche...................................................................................... 118 12.

Hormonas, crecimiento y desarrollo......................................................................... 119 12.1 Control del crecimiento y desarrollo de los animales........................................... 120 12.2 Control del crecimiento y desarrollo de las plantas.............................................. 121

13. Uso médico de hormonas en el control y promoción de la fertilidad...................... 125 13.1 Métodos de control de la fertilidad..................................................................... 125 13.2 Esterilidad y fertilidad.......................................................................................... 128 13.2.1 Esterilidad................................................................................................. 128 13.2.2 Promoción de la fertilidad......................................................................... 129 13.2.3 Sexualidad humana.................................................................................. 131 13.2.4 Paternidad-maternidad responsable......................................................... 131

Capítulo 3: Nutrición 139 1. Nutrición................................................................................................................... 140 2. Nutrientes................................................................................................................. 142 2.1 Lípidos................................................................................................................. 142 2.2 Hidratos de carbono............................................................................................ 143 2.3 Proteínas.............................................................................................................. 143 2.4 Vitaminas............................................................................................................. 144 2.5 Sales minerales.................................................................................................... 146 2.6 Antioxidantes....................................................................................................... 147 3. 4.



Consumo de energía y actividad física..................................................................... 148 Cálculo de peso ideal................................................................................................ 149

5. Dieta balanceada...................................................................................................... 154 Capítulo 4: Sistema Digestivo

163

1. Introducción.............................................................................................................. 164

3.

Cavidad bucal ........................................................................................................... 166 3.1 Composición y funciones de la saliva................................................................... 167 3.2 Control nervioso.................................................................................................. 167 3.3 Digestión mecánica y química en la boca............................................................ 167

4. Faringe...................................................................................................................... 168

Preuniversitarios

Histología del tubo digestivo.................................................................................... 165

CPECH

2.

5

5.

Esófago..................................................................................................................... 169

6. Estómago.................................................................................................................. 170 6.1 Histología............................................................................................................ 170 6.2 Jugo gástrico....................................................................................................... 171 6.3 Digestión mecánica y química.............................................................................. 171 6.4 Control de la secreción gástrica........................................................................... 172 6.5 Hormonas digestivas............................................................................................ 173 6.6 Vaciamiento gástrico........................................................................................... 173

CPECH

Preuniversitarios

7. Intestino delgado...................................................................................................... 174 7.1 Histología............................................................................................................ 174 7.2 Jugo intestinal..................................................................................................... 175 7.3 Glándulas anexas................................................................................................. 176 7.3.1 Hígado y vesícula biliar............................................................................. 176 7.3.2 Páncreas................................................................................................... 179 7.4 Digestión química (formación del quilo).............................................................. 180 7.5 Digestión mecánica.............................................................................................. 182 7.6. Absorción............................................................................................................ 183

6

8.

Intestino grueso........................................................................................................ 186 8.1 Histología............................................................................................................ 186 8.2 Digestión mecánica ............................................................................................. 186 8.3 Digestión química................................................................................................ 187 8.4 Absorción en el colon.......................................................................................... 187 8.5 Reflejo de defecación........................................................................................... 187

9.

Rol de la insulina en la regulación de la glicemia..................................................... 187 9.1 Origen y estructura.............................................................................................. 187 9.2 Biosíntesis, secreción y regulación....................................................................... 188 9.3 Regulación de la insulina..................................................................................... 188 9.4 Efecto de la insulina en el músculo...................................................................... 189 9.5 Efectos de la insulina en el hígado....................................................................... 189 9.6 Otros efectos de la insulina.................................................................................. 189

10.

Rol del glucagón en la regulación de la glicemia..................................................... 190 10.1 Síntesis, secreción y regulación............................................................................ 190 10.2 Efectos del glucagón sobre el metabolismo de los hidratos de carbono ............. 190 10.3 Otros efectos del glucagón.................................................................................. 190

11.

Enfermedades del aparato digestivo........................................................................ 190

Capítulo 5: Sistema Circulatorio

199

1. Sangre....................................................................................................................... 201 1.1 Plasma sanguíneo................................................................................................ 201 1.1.1 Proteínas plasmáticas............................................................................... 201 1.2 Elementos figurados............................................................................................ 202 1.3 Hemostasia.......................................................................................................... 206

2. Morfología y función del aparato cardiovascular.................................................... 209 2.1 Corazón............................................................................................................... 209 2.1.1 Anatomía e histología.............................................................................. 209 2.1.2 Recorrido de la sangre a través del corazón.............................................. 211 2.1.3 Actividad eléctrica del corazón................................................................. 212 2.1.4 Automatismo cardíaco............................................................................. 213 2.1.5 Ciclo cardíaco........................................................................................... 213 2.2 Vasos sanguíneos................................................................................................. 217 2.2.1 Arterias..................................................................................................... 217 2.2.2 Venas........................................................................................................ 217 2.2.3 Capilares................................................................................................... 218 3.

Presión sanguínea..................................................................................................... 219

4.

Circuitos cardiovasculares......................................................................................... 220 4.1 Circulación mayor o sistémica.............................................................................. 220 4.2 Circulación menor o pulmonar............................................................................ 220

5. Sistema linfático....................................................................................................... 221 5.1 Funciones............................................................................................................. 221 5.2 Organización....................................................................................................... 221 5.2.1 Órganos linfoides..................................................................................... 222 5.2.2 Linfa......................................................................................................... 224 5.2.3 Vasos linfáticos......................................................................................... 224

Capítulo 6: Sistema Respiratorio

231

1. Intercambio gaseoso en animales............................................................................ 232 1.1 El sistema respiratorio humano........................................................................... 232 1.1.1 Porción conductora.................................................................................. 233 1.1.2 Porción respiratoria.................................................................................. 234 1.2 Fisiología de la respiración................................................................................... 235 1.2.1 Ventilación pulmonar............................................................................... 235 1.2.2 Respiración externa o hematosis.............................................................. 236 1.2.3 Respiración interna................................................................................... 237 1.2.4 Transporte de gases.................................................................................. 238

Intercambio de gases en vegetales........................................................................... 247

4.

Adaptación del organismo al esfuerzo: ejercicio y su relación con el sistema cardiovascular y el sistema respiratorio...................................................... 250

Preuniversitarios

3.

CPECH

2. Metabolismo celular................................................................................................. 240 2.1 Fases del metabolismo......................................................................................... 240 2.2 Leyes de termodinámica...................................................................................... 242 2.3 Catabolismo y respiración celular ....................................................................... 243 2.3.1 Ausencia de oxígeno................................................................................. 243 2.3.2 Presencia de oxígeno................................................................................ 244 2.4 Anabolismo celular y fotosíntesis......................................................................... 245

7

Excretor Capítulo 7: Sistema

257

1.

Órganos y sistemas que cumplen la función excretora............................................ 259

2.

Sistema nefrourinario............................................................................................... 260 2.1 Anatomía del riñón.............................................................................................. 260 2.2 Formación de orina.............................................................................................. 262 2.3 Vías urinarias....................................................................................................... 266

3.

Enfermedades del sistema nefrourinario................................................................. 267

275 Capítulo 8: Biología Humana y Salud: ENFERMEDADES 1. Conceptos básicos.................................................................................................... 276 1.1 Salud................................................................................................................... 276 1.2 Enfermedad......................................................................................................... 276 2.

Clasificación de las enfermedades............................................................................ 277

3. Impacto de la enfermedad en el individuo y su entorno......................................... 279 3.1 Enfermedades asociadas al material genético ..................................................... 279 3.2 Cáncer ................................................................................................................ 280 3.3 Enfermedades nutricionales................................................................................. 283 3.4 Consumo de alcohol y salud................................................................................ 284 3.5 Consumo de tabaco (cigarrillo) y salud ............................................................... 285 3.6 Consumo de drogas, solventes y otras sustancias químicas sobre la salud ......... 286 3.6.1 Prevención................................................................................................ 291 3.7 Sistema cardiovascular y salud............................................................................. 291 3.7.1 Enfermedades cardíacas........................................................................... 292 3.7.2 Enfermedades de los vasos sanguíneos.................................................... 294 3.8 Enfermedades de transmisión sexual .................................................................. 295 4.

Atención integral de la salud.................................................................................... 297

CPECH

Preuniversitarios

Capítulo 9: Herencia y Variabilidad

8

305

1.

Herencia mendeliana................................................................................................ 306 1.1 Los experimentos de Mendel............................................................................... 306 1.2 Genotipo y fenotipo............................................................................................ 310 1.3 Cruce de prueba y retrocruce............................................................................... 310 1.4 Probabilidad y genética....................................................................................... 310

2.

Teoría cromosómica de la herencia........................................................................... 313 2.1 Factores, genes y cromosomas homólogos.......................................................... 313 2.2 Variabilidad génica.............................................................................................. 314 2.3 Determinación cromosómica del sexo.................................................................. 318 2.4 Herencia ligada la sexo........................................................................................ 319

3.

Sexo como expresión de variabilidad fenotípica...................................................... 320 3.1 Variabilidad intraespecie: formas heredables y no heredables............................. 320 3.2 Herencia ligada al sexo en el hombre................................................................... 321 3.3 Herencia influida por el sexo y herencia limitada al sexo..................................... 322

4.

Extensiones de la genética mendeliana.................................................................... 323 4.1 Herencia sin dominancia ..................................................................................... 323 4.2 Alelos múltiples................................................................................................... 324 4.3 Estudios sobre los antígenos Rh........................................................................... 325

5.

Concepto de raza...................................................................................................... 326

6.

Clonación y generación de clones............................................................................ 327 6.1 Clonación de genes.............................................................................................. 327 6.2 Clonación natural................................................................................................ 328 6.3 Clonación artificial en plantas.............................................................................. 329 6.4 Clonación artificial en animales........................................................................... 329

7. Determinación y representación gráfica de los caracteres variables de la población.......................................................................................... 332 8. Genealogías............................................................................................................... 334 8.1 Representación de una genealogía...................................................................... 334 8.2 Herencia autosómica........................................................................................... 335 8.2.1 Herencia dominante autosómica.............................................................. 335 8.2.2 Herencia recesiva autosómica................................................................... 335 8.3 Herencia ligada al sexo........................................................................................ 336 8.3.1 Herencia dominante ligada al sexo........................................................... 336 8.3.2 Herencia recesiva ligada al cromosoma X................................................. 336 9. Mutaciones................................................................................................................ 338 9.1 Mutación puntiforme o génicas........................................................................... 338 9.2 Mutaciones cromosómicas.................................................................................. 339 9.3 Mutaciones genotípicas....................................................................................... 340 9.4 Agentes mutagénicos.......................................................................................... 340 Capítulo 10: Organismo y Ambiente

347

2.

Niveles de organización de los seres vivos............................................................... 349 2.1 Poblaciones.......................................................................................................... 349 2.2 Comunidades....................................................................................................... 349

Preuniversitarios

Bases físicas de la vida.............................................................................................. 348 1.1 Temperatura......................................................................................................... 348 1.2 Presión atmosférica............................................................................................. 349 1.3 Radiación............................................................................................................. 349

CPECH

1.

9

3. Incorporación de materia y energía a las plantas: fotosíntesis.......................... 349 3.1 Fases de la fotosíntesis...................................................................................351 3.1.1 Fase dependiente de la luz.................................................................351 3.1.2 Fase independiente de la luz...............................................................352 3.2 Factores que afectan la fotosíntesis...............................................................353 4. Ecosistema.......................................................................................................... 356 4.1 Niveles tróficos..............................................................................................357 4.2 Flujo de energía.............................................................................................358 4.3 Transferencia de la energía............................................................................359 4.4 Ciclos biogeoquímicos...................................................................................362 4.4.1 Ciclo del agua.....................................................................................363 4.4.2 Ciclo del nitrógeno.............................................................................363 4.4.3 Ciclo del fósforo.................................................................................365 4.4.4 Ciclo del carbono................................................................................366 5.

Equilibrio ecológico............................................................................................ 366

6.

Influencia del hombre en el ecosistema............................................................. 367 6.1 Recursos naturales ........................................................................................367 6.2 Impacto del ser humano sobre el ecosistema................................................368 6.3 Conservación de recursos..............................................................................371

7. Biodiversidad....................................................................................................... 372 7.1 Biodiversidad en Chile....................................................................................372 7.2 Peligros y amenazas de la biodiversidad........................................................373 7.3 Protección de los ecosistemas naturales........................................................375 7.4 Estrategias de protección de la biodiversidad................................................376

CPECH

Preuniversitarios

8. Principios básicos de conservación y manejo sustentable de recursos renovables....................................................................................... 377 8.1 Conservación.................................................................................................377 8.2 Sistema de Evaluación de Impacto Ambiental (SEIA). Partes constituyentes del SEIA.......................................................................381

10

PRESENTACIÓN Con el propósito de ayudarte en la adecuada preparación de la PSU de Ciencias Básicas – Biología, te invitamos a iniciar un recorrido por las páginas de este libro. En sus capítulos, encontrarás el desarrollo de los contenidos establecidos por el DEMRE – Departamento de Evaluación, Medición y Registro Estudiantil – para el currículo de esta área. Con el fin de complementar tu proceso de aprendizaje, este libro contiene una serie de iconos didácticos que te indicarán distintas estrategias para optimizar tu modelo de lectura y análisis de los temas que se incluyen. Finalmente encontrarás resolución detallada de algunos problemas, actividades adicionales para resolver y ejercitación PSU en cada capítulo. Es importante que recuerdes que la Prueba de Selección Universitaria (PSU) mide, además, la integración de los contenidos dentro de la transversalidad del conocimiento, es decir, evalúa ciertas destrezas cognitivas (habilidades), necesarias para resolver cada problema. Con el propósito de orientarte en los procesos cognitivos que se evalúan, en la página siguiente te presentamos las habilidades consideradas en la PSU, de modo que durante la ejercitación de cada capítulo identifiques qué habilidad se desarrolla y potencies así tu capacidad de resolución.

CPECH Preuniversitarios

11

Biología Plan Común CPECH

Preuniversitarios

Habilidades evaluadas

12

Reconocimiento: Reconocer información explícita que no implica un mayor manejo de contenidos, solo recordar información específica, definiciones, hechos.

Comprensión: Además del conocimiento explícito de la información, esta debe ser relacionada para manejar el contenido evaluado, interpretando información en un contexto distinto al que se aprendió.

Aplicación: Es el desarrollo práctico tangible de la información que permite aplicar los contenidos asimilados a la resolución de problemas. En ciencias permite llevar el conocimiento científico a la vida diaria.

ASE (Análisis, Síntesis y Evaluación): Es la más compleja de las habilidades evaluadas. Implica reconocer, comprender, interpretar e inferir información a partir de datos que no necesariamente son de conocimiento directo, y que exige reconocer las partes que forman un todo y las relaciones de causalidad entre ellas.

Íconos didácticos Conceptos fundamentales

Indica aquellos conceptos importantes referidos al capítulo, que no debes olvidar ni confundir.

Actividades

Indica recursos didácticos que con una estructura distinta a un ejercicio PSU te ayudarán a aplicar los conceptos.

Sabías que...

Indica relaciones importantes respecto a la aplicación real de contenidos, con la finalidad de que los asocies de manera didáctica.

Ojo con

Indica datos relevantes que debes manejar respecto a un contenido.

Ejercicios PSU

Indica, aquellos ejercicios que reproducen la misma estructura de una pregunta PSU. Encontrarás la habilidad evaluada en cada ejercicio.

Síntesis de contenidos

Indica el desarrollo de un esquema de contenido a través del cual se sintetizan los contenidos más relevantes de uno o más temas y/o de un capítulo.

CPECH Preuniversitarios

13

Capítulo 1

organización, estructura y actividad celular Aprendizajes Esperados

Identificar las características y funciones de los componentes de la materia. Reconocer la relación entre las propiedades de cada componente de la materia y las propiedades emergentes que nacen de cada nivel de asociación. Reconocer la relación entre la composición y estructura molecular del agua, y sus propiedades y funciones. Identificar las características y funciones de las sales minerales. Reconocer la importancia del carbono como componente fundamental de las biomoléculas. Identificar las estructuras de las células procariontes y eucariontes. Conocer el metabolismo celular. Describir los procesos de respiración celular y fotosíntesis.

Las características de los seres vivos no emergen gradualmente, sino que aparecen súbita y específicamente en forma de una célula viva, algo que es más que sus átomos y moléculas constituyentes, y es diferente.

capítulo

1

Organización, estructura y actividad celular

1. La vida y sus propiedades La biología es una ciencia que se ha propuesto una meta bastante ambiciosa: comprender qué es la vida y cuáles son las leyes que la rigen. Por esto estudia la morfología, la fisiología, la genética, la taxonomía, la paleontología, la anatomía, la citología, la histología, la botánica y la zoología de cada ser vivo. Con este fin, se une con otras ciencias como la bioquímica, que estudia las transformaciones y aprovechamiento de las materias orgánicas e inorgánicas, y la biofísica, que aplica los métodos y principios fundamentales de la física al análisis de la estructura y funciones de los seres vivos. Estas asociaciones entre las diferentes ciencias se deben a uno de los principios fundamentales de la biología: los seres vivos obedecen a las leyes de la física y la química. La organización biológica es jerárquica. Los organismos y el medio en que se desenvuelven están formados por los mismos componentes químicos, átomos y moléculas que la materia inanimada. Sin embargo, los organismos no son solo el conjunto de átomos y moléculas que los forman. La materia viva y la materia inanimada presentan diferencias reconocibles en los niveles de organización de la materia, desde los niveles inferiores más sencillos hasta los niveles superiores más complejos. Característicamente, cada nivel de organización superior envuelve cada uno de los niveles de organización inferior. No obstante, cada nivel presenta algo más que las propiedades de cada una de sus partes: posee propiedades emergentes que se forman en ese nivel y que no existen en el anterior por las interacciones entre sus partes. Por ejemplo, un organismo vivo está constituido a partir de la interacción de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno; pero tiene propiedades diferentes a las de sus átomos constitutivos. Es decir, si dentro de un recipiente colocamos las proporciones de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno que tiene un ser humano y le damos una temperatura adecuada, no conseguiremos formar las interrelaciones que estructuran la materia viva y, por tanto, a un humano como nosotros. Solo tendremos carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno mezclados en un recipiente, cada uno dueño solo de las propiedades emergentes que le corresponden a su nivel de organización.

CPECH

Preuniversitarios

De todas las propiedades emergentes de la materia, la vida, que surge en el nivel de organización llamado célula, es sin duda la más importante y la causal de que hoy estemos aquí. Ella se produce a partir de la interacción entre los componentes de cada uno de los niveles de organización, es decir, desde el nivel atómico hasta el de la biosfera. Estas interacciones permanentes, que a lo largo del tiempo han dado lugar al cambio evolutivo, en una primera instancia determinaron lo que a continuación estudiaremos: la organización de la materia viva.

16

• Átomo: Es la partícula más pequeña de un elemento, una sustancia que no puede ser desintegrada en otra sustancia por medios químicos ordinarios. Los átomos están constituidos por partículas subatómicas (protones, neutrones y electrones). • Moléculas: Son los componentes fundamentales de las células. Existen moléculas orgánicas e inorgánicas. En los seres vivos se encuentra una gran variedad de moléculas de estructura y función diversas. • Macromoléculas: Son asociaciones de moléculas, lo que las hace más complejas. Cumplen funciones esenciales en la célula. Algunas son componentes estructurales, otras cumplen funciones reguladoras y otras actúan como directoras de toda la actividad celular. Entre las macromoléculas biológicas destacan las proteínas, lípidos, ácidos nucléicos y carbohidratos.

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

• Célula: Es la unidad estructural y funcional de los seres vivos, así como la primera unidad operacional de la materia viva. Las propiedades características de los sistemas vivos emergen súbita y específicamente en forma de una célula viva, algo que es más que sus átomos y moléculas constituyentes y que es diferente de ellos. De manera general podemos clasificarlas en células procariontes y eucariontes.

Átomos

Hidrógeno

Oxígeno

• Tejidos: Es una asociación de células que presentan una morfología similar con funciones específicas que se encuentran unidas estructuralmente y funcionan de manera coordinada. • Órganos y sistemas de órganos: Los órganos son una asociación de tejidos especializados, que permiten realizar diversas funciones en forma integrada y que contribuyen al funcionamiento del organismo completo. Los sistemas de órganos, en conjunto, forman un organismo, que interactúa con el ambiente externo. Sin embargo, no todos los organismos multicelulares alcanzan el nivel de organización de sistemas de órganos. • Individuos y poblaciones: Los individuos multicelulares pueden alcanzar el nivel de organización de tejidos, de órganos o de sistemas de órganos. Además es la segunda unidad operacional de la materia viva. En cada caso están formados por grupos de estructuras que trabajan en forma coordinada. Las poblaciones son grupos de individuos de la misma especie cuya descendencia es fértil y que conviven en el espacio y en el tiempo. • Especie: Conjunto de poblaciones naturales cuyos individuos pueden cruzarse entre sí y pueden generar descendencia fértil, y que están reproductivamente aisladas de todas las demás poblaciones. • Comunidad: Está constituida por los componentes bióticos de un ecosistema. En términos ecológicos, las comunidades incluyen a todas las poblaciones que habitan un ambiente común y que interactúan entre sí. • Ecosistema: Está formado por componentes bióticos y abióticos que interactúan entre sí. Es la tercera unidad operacional de la materia viva. A través de esos componentes, fluye la energía proveniente del Sol y circula la materia. Dentro de un ecosistema hay niveles tróficos.

• Metabolismo: Los seres vivos necesitan un aporte constante de energía, la cual es brindada por el metabolismo que es la suma de todas las transformaciones físicas y químicas que ocurren dentro de una célula o un organismo.

Macromolécula Mitocondria

Organelo

Célula

Células

Tejido

Entre los niveles de ecosistema y biosfera, se encuentra Bioma. Bioma: Área geográfica de gran tamaño, que posee flora y fauna característicos, capaces de adaptarse a ese tipo de entorno. Con clima y distribución geográfica que los diferencian.

Preuniversitarios

Además de organización, los organismos vivos presentan otras características que le son propias:

Agua

CPECH

• Biosfera: Es la parte de la Tierra en la que existe vida. Es solo una delgada película de la superficie de nuestro planeta.

Molécula

17

capítulo

1



Las reacciones metabólicas se pueden dividir en dos grandes categorías: - Anabolismo: Dentro de una célula o de un organismo, es la suma de todas las reacciones químicas en las cuales se sintetizan moléculas complejas a partir de moléculas simples, como la fotosíntesis. Estas reacciones son del tipo endergónicas, o sea, que necesitan de energía para que puedan ocurrir. - Catabolismo: Dentro de una célula o de un organismo, es la suma de todas las reacciones químicas en las cuales las moléculas grandes se desintegran en partes más pequeñas, como la respiración celular. Estas reacciones liberan energía, por lo que también son reacciones exergónicas.

• Irritabilidad: Es la capacidad de los organismos de responder frente a un estímulo, externo o interno. Algunas de estas respuestas pueden ser: - Tactismo: Son respuestas propias de animales frente a estímulos del medio ambiente. Estas respuestas pueden ser de aproximación al estímulo, llamadas tactismo positivo, o de alejamiento del estímulo, llamadas tactismo negativo. El nombre del tipo de tactismo deriva del estímulo que lo provoca, por ejemplo, fototactismo es la respuesta provocada por un estímulo luminoso. - Tropismo: Son respuestas propias de los vegetales frente a estímulos del medio ambiente, las cuales pueden ser de aproximación al estímulo, llamadas tropismo positivo, o de alejamiento del estímulo, llamadas tropismo negativo. El nombre del tipo de tropismo deriva del estímulo que lo provoca; por ejemplo, fototropismo es la respuesta provocada por un estímulo luminoso. • Reproducción: Producción de seres iguales o semejantes a los organismos que les dieron origen, lo que asegura la mantención de la especie. • Adaptación: Estado de encontrarse ajustado al ambiente como resultado de la selección natural u otro proceso evolutivo. La adaptación puede ser fisiológica. Este proceso puede ocurrir ya sea en el curso de la vida de un organismo individual, (tal como la producción de más glóbulos rojos en respuesta a la exposición a grandes altitudes) o de en una población, durante el curso de muchas generaciones.

Actividades 1. Explica brevemente qué son las propiedades emergentes de la materia viva.

CPECH

Preuniversitarios

2. Términos pareados.

18

a. Macromoléculas b. Metabolismo c. Célula d. Ecosistema e. Irritabilidad f. Átomo g. Biosfera

Anabolismo y catabolismo Primera unidad operacional Respuesta frente a estímulos Partícula más pequeña e indivisible Asociación de moléculas Tercera unidad operacional Es la parte de la Tierra en la que existe vida

3. Investiga: • ¿Qué es taxonomía? • ¿En qué consiste la clasificación en reinos de los organismos vivos? • ¿Cuántos reinos hay? Menciona las características de cada reino.

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

2. Composición de la materia viva La estructura de la célula, visible con el microscopio óptico y electrónico, es consecuencia de las moléculas organizadas en un orden muy preciso. La biología de la célula es inseparable de las moléculas, porque de la misma manera que las células son los bloques con que se edifican los tejidos y los organismos, las moléculas son los bloques de edificación de las células. Las principales macromoléculas de la célula, tales como hidratos de carbono, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos , son sintetizadas a partir de pequeñas moléculas. Sus estructuras, complejas y exactamente definidas, les confieren unas propiedades características que les permiten desempeñar todas las funciones más importantes de la célula. Las macromoléculas son responsables del ensamblaje de los componentes celulares, de la catálisis, de las transformaciones químicas, de la producción del movimiento y, sobre todo, de la herencia. A continuación, revisarás los principales aspectos relacionados con las biomoléculas que forman a los seres vivos.

2.1 Átomos y moléculas Toda la materia está constituida por átomos. Existen un poco más de 100 tipos diferentes, que son denominados elementos químicos. Cada átomo está formado por un núcleo compacto y pequeño, formado por los protones (que poseen carga positiva) y los neutrones (que no poseen carga). Alrededor del núcleo gira una nube de partículas de ínfima masa, llamadas electrones. Los átomos son neutros porque el Nivel exterior (tercero) número de electrones es igual al de protones. de energía con un electrón

Los electrones se disponen en distintas capas alrededor del núcleo. Cuando un electrón absorbe energía pasa a capas más alejadas del núcleo y, por tanto, queda excitado (fenómeno que es importante en la fotosíntesis). Al regresar a su nivel de energía original, libera energía. El comportamiento químico de un átomo está determinado por el número y distribución de sus electrones. Un átomo es más estable cuando todos sus electrones están en sus niveles de energía más bajos posibles y esos niveles de energía están completos. Las reacciones químicas entre los átomos resultan de su tendencia a alcanzar la distribución electrónica más estable posible. Las partículas formadas por dos o más átomos se conocen como moléculas y se mantienen juntas por enlaces químicos.

e

e e e

11 p+ 12 n0

e

e e

e

e e

e

Átomo de sodio (Na) (11p+, 11 e =carga 0)

2.1.1 Enlaces químicos

Preuniversitarios

• Enlace covalente: Se forma cuando dos átomos comparten uno o más pares de electrones. Este tipo de enlace es importante en los seres vivos porque da estabilidad a las moléculas biológicas. Cuando comparten un par de electrones se denomina enlace simple; si comparten dos, enlace doble, y si se comparten tres, enlace triple. Cuando los enlaces covalentes se forman entre átomos distintos, los electrones se comparten en forma desigual, provocando diferencias de cargas en la molécula.

CPECH

• Enlace iónico: Se forman por la atracción mutua de partículas de carga eléctrica opuestas. Dichas partículas se forman cuando un electrón salta de un átomo a otro, de manera que los átomos quedan cargados, denominándose iones. Los iones de carga positiva se conocen como cationes y los de carga negativa como aniones.

19

• Enlaces químicos débiles: Las moléculas orgánicas pueden interactuar con otras moléculas a través de fuerzas no covalentes de alcance reducido. Típicamente, los enlaces químicos débiles tienen una fuerza 20 veces inferior a la de un enlace covalente. Sólo son suficientemente fuertes para fijar dos moléculas cuando se forma de manera simultánea un número elevado de ellos.

capítulo

1

Átomos de hidrógeno (2H) e

1p

1 p+

+

e

Molécula de hidrógeno (H2) H-H

- Enlaces de hidrógeno (puentes de hidrógeno): Un átomo de hidrógeno es compartido por dos átomos, ambos electronegativos, como el O2 y el N2. Los enlaces de hidrógeno son más fuertes cuando los átomos se encuentran en línea recta. Este tipo de enlace se encuentra en diversas moléculas, como, por ejemplo, el agua.

e 1 p+

1 p+

e

- Interacciones hidrofóbicas: Dan lugar a la asociación de grupos no polares entre sí, excluyendo el contacto con el agua. Esta situación se encuentra en las proteínas globulares, donde las cadenas laterales repelen las moléculas de agua que rodean la proteína y determinan que la estructura globular se vuelva más compacta. - Fuerzas de Van der Waals: Se presenta cuando los átomos que componen una molécula se encuentran muy cerca. Esta proximidad induce fluctuaciones en sus cargas, que dan lugar a las mutuas atracciones entre los átomos. Aunque individualmente son muy débiles, pueden resultar importantes cuando dos superficies moleculares se adaptan estrechamente una con otra.

2.1.2 Reacciones químicas Son intercambios de electrones entre átomos o moléculas para formar nuevos productos. Dos ejemplos importantes desde el punto de vista biológico son: • Oxidaciones y reducciones: Un átomo o molécula se oxida al perder electrones y se reduce al ganar electrones. Para que un átomo o molécula se oxide, otra debe quitarle los electrones, es decir, debe reducirse. Por ejemplo: oxidación Fe2+

Fe3+

+

electrón

reducción

CPECH

Preuniversitarios



20

En biología las reacciones de óxido-reducción son importantes en el metabolismo celular, porque liberan la energía necesaria para formar ATP (molécula que utilizan las células para los procesos energéticos).

• Hidrólisis y condensación: La hidrólisis es la ruptura de un enlace covalente por acción de una molécula de agua donde se incorporan sus partes (iones H+ y OH-). La condensación es la reacción contraria, en la cual se forma un compuesto más complejo con liberación de una molécula de agua. O

O OH + HO

glucosa

O

O sacarosa

fructosa

O

+ H20

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

Las hidrólisis son importantes en los seres vivos porque son la forma en que las enzimas digestivas y lisosomales actúan al degradar una sustancia. Las condensaciones están representadas en muchas reacciones de biosíntesis, como la formación de carbohidratos, proteínas y ácidos nucleicos.

2.2 Biomoléculas El análisis de la composición de los seres vivos nos muestra que los compuestos químicos que los constituyen son los mismos que componen el resto de la materia de nuestro planeta y de todo el universo. Sin embargo, la proporción en la que se encuentran los diferentes elementos (átomos) es distinta en los seres vivos que en los no vivos. Los átomos que componen a los seres vivos se caracterizan por establecer entre ellos complejas y múltiples combinaciones, que dan origen a las biomoléculas. Las biomoléculas se clasifican en inorgánicas (agua y sales minerales) y orgánicas (hidratos de carbono, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos, vitaminas, etc.).

2.2.1 Biomoléculas inorgánicas a. El agua y sus propiedades

El agua constituye entre el 50% y el 90% de la masa de los seres vivos y ocupa el 75% de la superficie del globo terrestre. La molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno, unido covalentemente a dos átomos de hidrógeno. La zona de los hidrógenos es levemente positiva y la del oxígeno es levemente negativa. Esta situación determina que el agua sea bipolar, lo que permite explicar muchas de sus propiedades. Agua (H20)

Oxígeno e

e

e

e

e 8 p+ 8 n0

e e

e

1 p+

H Hidrógeno

e

e

O

1 p+

H Hidrógeno

Preuniversitarios

Esto produce un reparto desigual de las cargas, por lo que la molécula de agua se comporta como un dipolo eléctrico, en el cual el polo negativo corresponde al oxígeno y el positivo, a los hidrógenos.

CPECH

Polaridad de las moléculas de agua: El oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno, es decir, su núcleo atrae con más fuerza a los electrones.

21

capítulo

1

La composición y estructura de las moléculas de agua se manifiesta en las siguientes propiedades:

Sabías que... • Cohesión: Es la atracción existente entre las moléculas de agua y da por resultado la formación de puentes de hidrógeno. • Adhesión: Es la atracción y unión de las moléculas de agua con otras moléculas polares diferentes. • Capilaridad: Es la capacidad que presenta el agua para ascender por el interior de un conducto estrecho o penetrar a través de diferentes estructuras tales como el suelo, el papel, entre otros. • Calor específico: Es la cantidad de calor necesario para aumentar en un °C la temperatura de un gramo o kilogramo de una sustancia.

CPECH

Preuniversitarios

• Soluciones ácidas: Una solución es ácida cuando la concentración de H+ es superior a la de OH- y, por tanto, el valor del pH es inferior a 7. El aumento de la concentración de iones de H+ se debe a la disociación de una sustancia ácida (sustancia donadora de protones), como el ácido clorhídrico.

22

• Soluciones básicas: Una solución es básica o alcalina cuando la concentración de OH- es superior a la de H+ y, por tanto, el valor del pH es superior a 7. El aumento de la concentración de iones de OH- se debe a la disociación de una sustancia básica (sustancia aceptora de protones), como NaOH .

• Alta tensión superficial: Se presenta debido a la gran cohesión que existe entre las moléculas de agua en una superficie. Se nota al observar la superficie de contacto del agua con otro medio, como, por ejemplo, el aire. La superficie del agua se encuentra más tensionada (cohesionada) debido a que presenta una cantidad levemente mayor de puentes de hidrógeno, lo que explica que sea la primera zona en congelarse al colocar un vaso con agua al refrigerador. En esta situación, las moléculas de agua se cohesionan fuertemente y la superficie del líquido se comporta como una superficie elástica, capaz de sostener el peso de pequeñas partículas. • Alto calor específico: Es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura del agua. Esto ocurre debido a que los numerosos puentes de hidrógeno que se establecen entre sus moléculas limitan el movimiento de estas y retardan el incremento de la agitación térmica.

De esta manera, cuando el agua se calienta, la temperatura asciende lentamente, debido a que no todo el calor se utiliza para aumentar el movimiento de las moléculas.



Una parte se invierte para romper los puentes de hidrógeno. De este modo, los seres vivos mantienen su temperatura relativamente constante.



El descenso de la temperatura del agua también se produce lentamente, ya que corresponde a una pérdida de calor importante, la misma que se utilizó para producir su incremento.

• Alto calor de vaporización: Cantidad de calor requerido para que un líquido pase a un estado gaseoso, gracias al cual los seres vivos pueden disipar grandes cantidades de calor mediante la evaporación de pequeñas cantidades de agua. Esta propiedad, en conjunto con la anterior, convierten el agua en un eficiente regulador de la temperatura interna. • Solvente universal: Debido a que el agua es una molécula polar, es capaz de separar un gran número de moléculas cargadas, haciendo que se disuelvan en ella. Na+ CI

-

-

+

+

Sal

-

+

+

-

-

-

+ +

- + + -

Agua

-

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

• Tendencia a ionizarse: El agua tiene una leve tendencia a ionizarse, es decir, uno de los átomos de hidrógeno se separa de su molécula para combinarse con otra molécula de agua. De esta manera se obtiene el anión OH- denominado hidroxilo, y el catión H3O+ denominado hidronio que se representa como H+ (protón). Como sus concentraciones en el agua pura son iguales, se dice que el agua es neutra (ni ácida ni básica). Agua 2(H20)



Ion hidroxilo (0H)-

+

Ion hidronio (H30)+

Sabías que... Ácidos y bases Los ácidos son sustancias que en solución liberan protones (H+), mientras las bases los aceptan. Para cuantificar la acidez se usa una escala denominada pH, que es una medida de la concentración de protones en solución. Las soluciones con pH inferior a 7,0 son ácidas. Las que tienen pH superior a 7,0 son básicas. El agua tiene pH 7,0. El pH puede ser diferente entre un ser vivo y otro e, incluso, entre distintas regiones del cuerpo del mismo individuo. Como sea el caso, lo que siempre resulta fundamental es mantener el pH dentro de márgenes de normalidad, que es generalmente entre 6 y 8. En los organismos existen tampones o buffers o sustancias amortiguadoras del pH que se encargan de mantenerlo. Un ejemplo importante de estas sustancias son el bicarbonato y el ácido carbónico. Según la siguiente reacción: HCO3- + H+

H2 CO3

Cuando aumenta la acidez, el bicarbonato (HCO3-) capta H+. Si la acidez es baja, el ácido carbónico (H2CO3) libera protones.

b. Sales minerales A pesar de constituir una pequeña fracción de la masa de los seres vivos, cumplen funciones fundamentales. Por ejemplo:

Sodio (Na+ ) y Potasio (K+)

Participan en la conducción del impulso nervioso. Además el sodio tiene un gran potencial osmótico, es decir, capacidad para arrastrar agua. El K+ es importante en la mantención del volumen de agua intracelular.

Calcio (Ca2+)

Forma parte de la estructura de huesos y dientes. Además participa en la contracción muscular, en la coagulación sanguínea, en la sinapsis.

Hierro (Fe2+, 3+)

Es constituyente de la hemoglobina, por lo tanto, fundamental en el transporte de oxígeno.

Magnesio (Mg2+)

Forma parte de la clorofila e interviene en la fase clara de la fotosíntesis.

Preuniversitarios

Función

CPECH

Tipo

23

2.2.2 Biomoléculas orgánicas

capítulo

1

Las biomoléculas orgánicas se caracterizan por poseer un esqueleto molecular de átomos de carbono unidos a átomos de hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y otros elementos. a. Glúcidos, carbohidratos o hidratos de carbono

Glucosa

Corresponden a moléculas formadas principalmente por átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno. Se clasifican según el número de azúcares (monómeros) que contienen. De acuerdo con esto, tenemos: monosacáridos, disacáridos y polisacáridos.

H 1

n

Clasificación

C3 H6O3

3

Triosa



Preuniversitarios

4

C

OH

H 5 C

OH

6

C4H8O4

4

C5H10O5

5

Pentosa

C6H12O6

6

Hexosa

C7H14O7

7

Heptosa

5

CH2OH

O

H

4

Tetrosa

C H2OH

1

OH

HO 3

H OH

2

H

OH



Por ejemplo, si n = 5 la fórmula sería C5H10O5 y corresponde a un monosacárido de 5 átomos de carbono, denominado Pentosa. Por ejemplo, ribosa y desoxirribosa (presentes en los ácidos nucleicos). La glucosa, fructosa y galactosa son hexosas, debido a que poseen 6 átomos de carbono.



Los monosacáridos formados por cadenas de 5 o más átomos de carbono suelen presentar estructuras cíclicas cuando se hallan en solución.



La función más importante de los monosacáridos es energética. Son las sustancias que las células oxidan para obtener energía, como la glucosa. Al unirse varios monosacáridos forman moléculas más grandes: disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos.

Triosas (3 carbonos)

CPECH

H

6

Número de átomos de carbono

24

C

H

H

OH

3

HO

Los monosacáridos los podemos clasificar según el número de átomos de carbono que presentan, de esta manera nos queda: Fórmula monosacárido

C

H 2 C

• Monosacáridos: Son azúcares simples cuya fórmula general es (CH2O)n donde n representa el número de átomos de carbono que posee la molécula. Su valor varía desde 3 hasta 7, tienen color blanco y son solubles en agua.

O



H C O H C OH H C OH H

Gliceraldehído (C3H6O3)

Pentosas (5 carbonos)

H C O H C OH H C OH H C OH H C OH H Ribosa (C5H10O5)

Hexosas (6 carbonos)

H HO H H H

H C C C C C C H

O OH H OH OH OH

Glucosa (C6H12O6)

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

• Disacáridos: Están constituidos por dos monosacáridos unidos a través de un enlace covalente, denominado enlace glucosídico. Este se forma a través del proceso de condensación. Los disacáridos más importantes son: - Sacarosa: Formada de glucosa y fructosa. Es el azúcar de caña o común. - Maltosa: Formada por la unión de dos glucosas. También se conoce como azúcar de malta.

Los azúcares glucosa, fructosa y galactosa son isómeros, es decir, tienen la misma fórmula química; pero sus átomos se ordenan de forma diferente, debido a lo cual presentan propiedades diferentes.

- Lactosa: Formada por glucosa y galactosa. Es el azúcar de la leche.

Los disacáridos tienen función energética, debido a que como producto de su hidrólisis se obtienen monosacáridos que pueden utilizarse para obtener energía. Además son una importante forma de transporte de azúcares.

• Oligosacáridos: Al parecer, la mayoría de los oligosacáridos de tres o más monosacáridos intervienen en los procesos de reconocimiento celular, puesto que se encuentran ubicados en la membrana plasmática en forma de glucolípidos y glucoproteínas. • Polisacáridos simples: Están constituidos por muchas unidades de monosacáridos simples. No presentan sabor dulce, son insolubles en agua y no forman cristales.

Existen tres polisacáridos de importancia biológica, constituidos por largas cadenas de glucosa: Glucógeno, Almidón y Celulosa. - Glucógeno: Es un polímero de glucosas muy ramificado y constituye el polisacárido de reserva energética en animales. Se almacena principalmente en el hígado y en los músculos estriados. - Almidón: Es una mezcla de dos polisacáridos: uno lineal (amilosa) y uno ramificado (amilopectina). Es la molécula de reserva energética vegetal. Es muy abundante en las semillas y los tubérculos, como la papa.

- Quitina: Polisacárido compuesto de glucosas modificadas, el cual está presente en el exoesqueleto de artrópodos y en la pared celular de los hongos.

•Grupo hidroxilo (OH): Se caracteriza por ser muy polar y está presente en los alcoholes principalmente. •Grupo carboxilo (COOH): Se caracteriza por estar presente en los ácidos y es un grupo ácido. •Grupo amino (NH2): Es un grupo básico.

Preuniversitarios



Los grupos funcionales son sectores de las moléculas que les otorgan ciertas propiedades iónicas y/o polares. Las moléculas reciben diferentes nombres según el grupo funcional que poseen:

CPECH

- Celulosa: Es un polímero lineal, presente en la pared de las células vegetales. Su función es estructural. La celulosa posee enlaces glucosídicos tipo beta. Como no tenemos enzimas que los puedan romper, no podemos utilizar su glucosa en nuestras reacciones metabólicas.

Sabías que...

25

capítulo

1

Ácidos grasos Saturados

HO C=O

b. Lípidos o grasas

Grupo heterogéneo de moléculas que comparten la característica de ser hidrofóbicas (es decir, no se disuelven en agua en forma parcial o total). Sin embargo, son capaces de disolverse en solventes orgánicos apolares, como éter, benceno y cloroformo.



Al igual que los carbohidratos, están formados por C, H y O, pero con una menor proporción de oxígeno. En ocasiones contienen otros elementos, como fósforo y nitrógeno.



La gran variedad estructural de los lípidos nos da como resultado una gran diversidad de funciones:

• Lípidos de reserva energética - Ácidos grasos: Están formados por una cadena hidrocarbonada, con un grupo carboxilo en uno de sus extremos (COOH). En general, la cadena es lineal y presenta un número par de electrones. Ácidos grasos Insaturados

HO C=O

En ocasiones, presenta ramificaciones. Existen alrededor de 30 tipos distintos de ácidos grasos, los cuales se pueden clasificar en ácidos grasos saturados y ácidos grasos insaturados. * Ácidos grasos saturados: Son moléculas lineales, que presentan enlaces simples en su molécula, lo que significa que las posibilidades de enlace están completas para todos los átomos de carbono de la cadena. Además se caracterizan por ser sólidos a temperatura ambiente. Ejemplo de grasas formadas por ácidos grasos saturados son la manteca de cerdo y el tocino.

CPECH

Preuniversitarios

* Ácidos grasos insaturados: Son aquellos que presentan enlaces dobles, es decir, sus átomos de carbono tienen el potencial para formar enlaces adicionales con otros átomos. Justo en el lugar donde tienen un doble enlace, presentan un punto bisagra, es decir, justo en ese lugar la molécula esta doblada. Además se caracterizan por formar agrupaciones menos compactas, ya que los pliegues de sus cadenas impiden la proximidad entre las moléculas. El enlace doble de los insaturados los hace líquidos a temperaturas ambiente. Por ejemplo, el aceite de oliva y el aceite de maíz.

26

Sabías que... La Esterificación es una reacción mediante la cual se une el carbono de un grupo carboxilo con el carbono de un grupo carboxilo de otra molécula.

Existen algunos ácidos grasos indispensables para nuestros procesos vitales y, por ello, se denominan ácidos grasos esenciales, como por ejemplo el ácido linoleico y el ácido araquidónico. La función de los ácidos grasos anteriores, es obtener energía a partir de la oxidación de estos.

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

- Grasas neutras: Son moléculas formadas por un glicerol (alcohol) y uno, dos o tres ácidos grasos, unidos mediante enlaces éster. Según esto, se denominan monoglicéridos, diglicéridos y triglicéridos, respectivamente , según la cantidad de ácidos grasos que se encuentran unidos a una molécula de glicerol (alcohol de 3 carbonos). La función de las grasas neutras es constituir reservas energéticas en animales (grasas) y vegetales (aceites). Liberan casi el doble de energía por gramo, comparado con un carbohidrato. Son aislantes térmicos.

• Lípidos estructurales - Ceras: Son lípidos formados por ácidos grasos de alto número de átomos de carbono, aproximadamente 40. Son insolubles en agua. Las ceras son protectoras como lubricantes o impermeabilizantes. Se encuentran en piel, plumas, pelo, exoesqueleto de insectos, etc. Estructural, como es el caso de la cera de abeja permite la fabricación de las celdas que dan forma al panal. - Fosfolípidos (fosfoglicéridos): Son lípidos formados por una molécula de glicerol, dos ácidos grasos y una molécula de ácido fosfórico a la que se une un grupo sustituyente polar, como un alcohol. De esta manera, los fosfolípidos son considerados moléculas anfipáticas (hace alusión a que los fosfolípidos tienen un doble comportamiento frente al agua, hidrofílico e hidrofóbico al mismo tiempo). La región polar de un fosfolípido corresponde al ácido fosfórico y al grupo sustituyente, mientras que la parte apolar corresponde a las cadenas de ácidos grasos. Cuando se mezclan con el agua, estas sustancias se agrupan formando pequeñas estructuras esféricas denominadas micelas. El comportamiento anfipático de los fosfolípidos les permite formar membranas biológicas. En estas, las colas hidrofóbicas quedan orientadas hacia el interior y las cabezas hidrofílicas se orientan hacia el medio. - Esteroides: Tienen una estructura diferente a la de los otros lípidos. Están formados por cuatro anillos de átomos de carbono unidos entre sí y una cadena lateral hidrocarbonada unida a uno de los anillos (son derivados del ciclopentano-perhidrofenantreno). Dentro de este grupo de esteroides encontramos las sales biliares, el colesterol, las hormonas sexuales, las hormonas de la corteza suprarrenal y la vitamina D.

Esteroides O HO

Colesterol

HO

Corticosterona

OH

O

O

O

Testosterona O

Progesterona

HO

Preuniversitarios

O

CH2OH

Cortisol

CPECH

O HO

O

CH2OH OH

27 Estrógeno

capítulo

1

Sabías que... • Una molécula anfipática es aquella que presenta una región hidrofóbica (o apolar) y la otra hidrofílica (o polar) en su estructura.

CPECH

Preuniversitarios

• El colesterol se sintetiza principalmente en el hígado y se transporta por el plasma sanguíneo a través de proteínas específicas, formando complejos denominados lipoproteínas. Para esto existen dos tipos denominados lipoproteínas de baja densidad (lowdensity lipoproteins, LDL) y lipoproteínas de alta densidad (high-density lipoproteins, HDL). El colesterol que tiene efectos perjudiciales para la salud es el que forma parte de las LDL, ya que estas lipoproteínas penetran fácilmente en la pared de las arterias liberando colesterol. En cambio, el colesterol de las HDL no resulta perjudicial, porque se transporta hasta el hígado, donde es metabolizado y eliminado. La aterosclerosis es un transtorno que consiste en la acumulación de lípidos, principalmente colesterol, en las paredes de las arterias.

28

• Durante la hidrólisis alcalina de un triglicérido en presencia de bases como KOH y el NaOH, los ácidos grasos liberados se unen a iones de K+ o Na+ y dan lugar a sales denominadas jabones. Esta reacción de hidrólisis recibe el nombre de saponificación.

El colesterol es el más abundante de los esteroides, siendo muy importante en los animales debido a su función estructural. Se encuentra en las membranas celulares. Además, es el precursor de diferentes hormonas sexuales, por ejemplo estrógenos y hormonas suprarrenales (cortisol) y Vitamina D. Fosfolípido OH Colesterol Cabeza Polar (grupo fosfato)

CH3 CH3

Colas Apolares (ácidos grasos)

CH3 CH CH2 CH2 CH2 CH CH3 CH3

- Terpenos: Derivan del isopreno y se pueden encontrar en vegetales, como el Fitol (integrante de la clorofila) o de aceites esenciales como el mentol, entre otros. Además son precursores de diversas moléculas como las vitaminas A, E y K y pigmentos vegetales como los carotenos y las xantófilas. c. Proteínas Las proteínas revisten importancia central en la química de la vida. Constituyen más del 50% del peso seco de la célula. Desde el punto de vista funcional, las proteínas tienen roles cruciales en prácticamente todos los procesos biológicos. Algunas funciones en las que participan son: • Transporte: Como es el caso de la hemoglobina que transporta O2 y la bomba Na+ y K+ que transporta iones. • Movimiento: La interacción de proteínas como la actina y la miosina, que son parte del citoesqueleto, produce movimiento y contracción muscular. • Estructural: Como las proteínas colágeno y elastina que dan soporte mecánico a las células que forman los tejidos. • Inmunológica: Los anticuerpos o inmunoglobulinas son proteínas específicas producidas por los linfocitos B y que reconocen partículas extrañas, como virus y bacterias. • Generación y transmisión de señales: La irritabilidad de células musculares y nerviosas depende de proteínas. También hay señales como las hormonas proteicas que modifican la actividad de un órgano.

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

Acerca de las proteínas: • Aminoácidos: Las unidades básicas que constituyen las proteínas son los aminoácidos. Cada aminoácido está formado de un grupo amino (NH2) que es básico y un grupo carboxilo (COOH) de naturaleza ácida. Ambos grupos se unen a un átomo de C central, al cual también se une un grupo radical (R) o cadena lateral. También el carbono central se une a un hidrógeno, para completar sus 4 enlaces covalentes.

grupo amino

H H

+

H

N

H

O

C

C O- grupo ácido

R Radical o cadena lateral



En la naturaleza existe un gran número de aminoácidos. Pero solo veinte forman parte de las proteínas. Estos son diferentes entre sí a nivel de la cadena lateral o grupo R.



Existen un grupo de aminoácidos llamados no escenciales, se denominan así porque nuestro organismo es capaz de sintetizarlos (fabricarlos). Salvo bacterias y vegetales, el resto de los organismos no son capaces de sintetizar todos los aminoácidos, los cuales se denominan aminoácidos esenciales (corresponden a 10).









En solución acuosa los aminoácidos suelen ionizarse dando lugar a un ion dipolar, o sea, a un ion con una zona cargada en forma negativa y otra cargada en forma positiva. De esta manera se pueden comportar como ácidos y como bases. Estas sustancias se conocen, como anfóteras. La unión de dos aminoácidos se realiza entre el grupo amino de un aminoácido con el grupo carboxilo de otro aminoácido, con pérdida de una molécula de agua (condensación). Este enlace se denomina peptídico y es de tipo covalente. La unión de dos aminoácidos forma un dipéptido, y de tres un tripéptido. Cuando se unen entre sí unos pocos aminoácidos, se denomina oligopéptido. Un polipéptido está formado por muchos aminoácidos, a veces 1.000 o más.

H

CH

Asparragina (Asn)

COOH

C

H2N

CH3 CH

Alanina (Ala)

COOH

Glutamina (Gln)

H2N

Valina (Val)

H3C H3C H3C

Leucina (Leu)

H3C CH3

Isoleucina (Ile)

CH

CH

Tirosina (Tyr)

COOH

CH2

COOH

CH2 CH

Serina (Ser)

COOH

CH

CH

COOH

CH NH2

NH2

CH3

COOH

NH2 CH2

Cisteina (Cys)

CH2

C CH2 CH

HO

NH2 CH

NH2

O

NH2

COOH

CH2 CH

O

NH2

NH2

CH2

CH

OH

NH2

CH3 CH

Treonina (Thr)

NH2

COOH

CH

SH

COOH

COOH

CH

OH NH2

CH2 CH COOH

Triptófano (Trp)

N

NH2

H2 NH

Prolina (Pro)

H2C

CH2

CH3

COOH

NH2

CH2 CH2 S

COOH

NH2 Ácido glutámico (Glu) HOOC CH CH CH 2

CH2 Metionina (Met)

Ácido aspártico (Asp) HOOC CH2 CH

COOH

CH

CH

COOH

Arginina (Arg) H

NH2

N

CH2 CH2 CH2

CH

C

NH

NH2

COOH

CH2 CH NH2

COOH

Lisina (Lys) CH2 CH2 CH2 CH2 CH

COOH

NH2

NH2 Histidina (His)

CH2 HN

N

CH NH2

COOH

Preuniversitarios

NH2 Fenilalanina (Fen)

CPECH



Glicina (Gly)

29

capítulo

1



La estructura tridimensional de cada proteína (organización que presenta en el espacio) depende de su composición en aminoácidos y de la disposición de éstos en la cadena. Grupo R

Grupo carboxilo

Grupo amino

O

H

H

H N H

C H

CH3 N

C OH

Enlace peptídico

Grupo R

H

Glicina

C

O

H

C

OH H Alanina

N H

H

O

C

C

H

CH3 N

C

O C

+ H2O

OH H H Glicilalanina (un dipéptido)

• Niveles de organización de las proteínas: Pueden distinguirse cuatro niveles de organización en las proteínas: primario, secundario, terciario y cuaternario. - Estructura primaria: Corresponde a la secuencia de aminoácidos de una cadena polipeptídica, la cual está determinada por la información contenida en el ADN. La estructura primaria es mantenida por enlaces peptídicos. La estructura primaria de la proteína determina la función que esta vaya a cumplir, dependiendo del número, tipo y orden de los aminoácidos que la componen. Un ejemplo de proteína con estructura primaria es la Insulina, que fue la primera proteína de la cual se identificó la secuencia precisa de aminoácidos en sus dos cadenas polipeptídicas. - Estructura secundaria: Se obtiene como resultado del plegamiento de la cadena sobre sí misma, de modo que la cadena adquiere una estructura tridimensional. Esto está dado gracias a la formación de puentes de hidrógeno entre los aminoácidos. Tipos de estructura secundaria * Estructura hélice alfa: Implica la formación de enrollamientos en espiral de la cadena polipeptídica. La estructura helicoidal depende de la formación de puentes de hidrógeno entre los aminoácidos en las vueltas sucesivas de la espiral. Ejemplo: queratina del pelo.

CPECH

Preuniversitarios

* Estructura hoja plegada beta: Es una estructura en zig-zag casi completamente extendida. Los puentes de hidrógeno le otorgan rigidez al conjunto. Ejemplo: la fibrina de la seda.

30

- Estructura terciaria: En algunas proteínas la estructura secundaria se pliega de nuevo sobre sí misma, debido a las interacciones entre los grupos R de los aminoácidos, dando lugar a la estructura terciaria. Esta disposición plegada y compacta de la cadena polipeptídica determina una forma aproximadamente esférica o globular.

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

Las interacciones pueden ser: * Enlaces de hidrógeno (H2) entre cadenas laterales. * Atracción iónica entre cadenas laterales. * Interacciones hidrofóbicas que resultan de la tendencia de los grupos R no polares a enlazarse en el interior de una estructura globular, lejos del agua circundante. * Enlaces covalentes, como los enlaces disulfuro (—S- S—) que se presentan entre los átomos de azufre de dos aminoácidos cisteína. - Estructura cuaternaria: Este nivel de organización depende del ordenamiento o unión de dos o más cadenas polipeptídicas, para formar una gran proteína. Cada cadena tiene su propia estructura primaria, secundaria y terciaria para formar la proteína biológicamente activa. Por ejemplo: la hemoglobina es una proteína constituida por cuatro subunidades. La estructura de las proteínas determina su función o actividad biológica. La conformación está determinada principalmente por la estructura primaria. La actividad biológica de una proteína puede modificarse por el cambio de un aminoácido de la secuencia. Es el caso de la anemia falciforme en la que se sustituye en la posición 6 la valina por el ácido glutámico y se modifica la forma de los glóbulos rojos, que puede llevar a la muerte por anemia. Estructura primaria

ala

Estructura secundaria

gly

lys

lys

lys

lys

El calor, los valores extremos de pH o la presencia de ciertos solventes orgánicos, como el alcohol o la acetona, producen la ruptura de enlaces no covalentes o alteran la carga electroquímica de la proteína. Como consecuencia de estas alteraciones, las proteínas se desnaturalizan, es decir, se pliegan parcial o totalmente y no pueden llevar a cabo su función. Debido a la desnaturalización, las proteínas pierden su estructura tridimensional, pero mantienen su estructura primaria. Por este motivo, en algunos casos la desnaturalización, es reversible; así, cuando el factor que causa la desnaturalización se elimina, la proteína se vuelve a plegar y recupera su función (Renaturalización).

leu gly

leu val

Sabías que...

gly ala lys

val his

ala

gly Estructura cuaternaria

lys

Cadena polipeptídica

Estructura terciaria

Grupo Hem

Cadena polipeptídica

Hemo

Cadena polipeptídica

Cadena polipeptídica

Los ácidos nucleicos son el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN).

Preuniversitarios

Son moléculas que permiten el almacenamiento y la expresión de la información genética, y que gobiernan la vida de todos los organismos vivos.

CPECH

d. Ácidos nucleicos

31

capítulo

1

Uno de los tipos de ARN contiene la información para la síntesis de proteínas y el ADN la de un organismo. Las unidades constituyentes de los ácidos nucleicos son los nucleótidos, los cuales se unen entre sí por enlaces fosfodiéster formando una hebra. Cada nucleótido se compone de: • Bases nitrogenadas: Son compuestos heterocíclicos formados por carbono, nitrógeno e hidrógeno. Clasificación de las bases - Bases pirimídicas: Están formadas por un anillo y son citosina (C), timina (T) y uracilo (U). - Bases púricas: Están formadas por 2 anillos y son adenina (A) y guanina (G).

En el ADN las bases nitrogenadas presentes son adenina, timina, citosina y guanina. En el ARN son adenina, citosina, guanina y uracilo (la timina está substituida por uracilo).



El término nucleósido se refiere a la unión de una pentosa y una base nitrogenada.

• Pentosa: Es un azúcar cíclico que en el caso del ADN es la desoxirribosa, y en el ARN es la ribosa. El enlace fosfodiéster es un enlace covalente realizado entre el carbono 3’ del azúcar y el carbono 5’ del azúcar del nucleótido siguiente. El enlace fosfodiéster permite unir los nucleótidos.

• Grupo fosfato (Ácido fosfórico): A través de este grupo se establece un enlace conocido como fosfodiéster. Los nucleótidos se pueden encontrar unidos entre sí para dar lugar a los ácidos nucleicos o libres en las células participando en numerosos procesos metabólicos, como, por ejemplo, el ATP (Adenosin trifosfato) y CTP (citosin trifosfato), entre otros.

CPECH

Preuniversitarios

• ATP (Adenosin trifosfato): Es un nucleótido constituido por adenina, ribosa y tres grupos fosfato. Es de gran importancia pues es la fuente energética de todas las células. Los dos grupos fosfato terminales se unen al nucleótido por medio de enlaces inestables, por lo que el desprendimiento sucesivo de estos grupos fosfatos proporciona energía a los diferentes procesos metabólicos de la célula.

32



AMP cíclico se forma a partir del ATP por acción de la enzima adenilato ciclasa. Se encarga de servir como intermediario de los efectos de algunas hormonas.

• ADN (Ácido desoxirribonucleico): El ADN está formado por la unión de desoxirribonucleótidos mediante enlaces fosfodiéster. Este enlace se establece entre el grupo fosfórico del C-5 de una desoxirribosa y el grupo hidroxilo del C-3 de la desoxirribosa del

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

nucleótido siguiente. De este modo, los extremos de la cadena son un grupo fosfato en C-5, denominado extremo 5’, y un grupo OH en C-3, denominado extremo 3’.

El ADN se puede encontrar en forma de cadena sencilla (algunos virus) o doble, como en el resto de los seres vivos.



La estructura de la molécula de ADN fue dilucidada en 1953 por Watson y Crick y establece que: 1. La molécula de ADN está formada por 2 hebras que se enrollan en torno a un eje hacia la derecha (dextrógira) formando una hélice. Ambas hebras son antiparalelas, es decir tienen ADN Doble Hélice direcciones de crecimiento opuestas: una va en sentido 5’ a 3’ y la otra 3’ a 5’. 2. Las bases nitrogenadas Citosina, Guanina, Timina) hacia el interior de la desoxirribosa y los grupos disponen hacia el exterior.

(Adenina, se ubican hélice. La fosfatos se

3. Las 2 hebras se mantienen unidas por puentes de hidrógeno que se establecen específicamente entre la adenina y la timina y entre la citosina y la guanina. Siempre una base púrica con otra pirimídica. La unión adenina con timina es a través de 2 puentes de hidrógeno y entre citosina con guanina por 3 puentes de hidrógeno. Desnaturalización: El calor o los valores de pH extremos producen la ruptura de los puentes de hidrógeno que unen las cadenas, por lo que estas se disocian rápidamente. La renaturalización se producirá fácilmente si existe algún fragmento que no se ha separado y mantiene la estructura de doble hélice.

Enlace fosfodiéster, enlace covalente que une una cadena de ADN

Puente de hidrógeno que une ambas cadenas de ADN

Enlace fosfodiéster, enlace covalente que une una cadena de ADN

• ARN (Ácido ribonucleico): El ARN es una molécula formada por una sola hebra de ribonucleótidos unidos mediante enlaces fosfodiéster.

Existen tres tipos de ARN tanto en las células eucariontes como en las células procariontes, todos ellos sintetizados a partir del ADN. Cada uno desarrolla una función relacionada con la síntesis proteica.

Preuniversitarios

- ARN transferencia (ARNt): Está formado por una hebra de ARN la cual puede plegarse sobre sí misma formando una estructura con forma de hoja de trébol. Su función es el transporte de aminoácidos específicos.

CPECH

- ARN mensajero (ARNm): Transporta la información genética copiada desde el ADN hasta el sitio de síntesis proteica, por lo tanto, es el encargado de indicar la secuencia de aminoácidos que integrará la proteína que se está sintetizando (estructura primaria).

33

capítulo

1

- ARN ribosomal (ARNr): Junto a proteínas especiales denominadas ribosomales, constituye a los ribosomas, sitio de la síntesis proteica.

Las funciones de los ácidos nucleicos son: - El ADN se encuentra en todos los seres vivos y constituye el material genético de todos los individuos. - El ADN participa en dos procesos imprescindibles para la vida de la célula: la replicación y la síntesis de proteínas. En este último caso, además, intervienen los diferentes tipos de ARN. La replicación consiste en la duplicación de los cromosomas (ADN) en el momento en que la célula se divide, para poder transmitir la información genética a las células hijas. A partir de una de las cadenas de ADN se sintetiza una cadena de ARNm. Esta molécula, una vez que se forma, se desplaza desde el núcleo hasta los ribosomas situados en el citoplasma. Cada grupo de tres nucleótidos del ARNm se une a un ARNt, que contiene una secuencia complementaria y transporta un aminoácido. Los diversos aminoácidos transportados por los ARNt se unen mediante enlaces peptídicos y dan lugar a la síntesis de proteínas.

Actividades Prueba tus conocimientos 1. ¿Qué tipo de moléculas sufren reacciones de condensación para formar disacáridos, grasas y proteínas? 2. ¿Por qué los carbohidratos son usados como reserva energética? 3.

Investiga por qué los animales no pueden degradar la celulosa.

3. Morfología celular

CPECH

Preuniversitarios

El concepto de célula, como se entiende en nuestros días, surgió entre 1830 y 1880. El perfeccionamiento de la microscopía óptica permitió rápidos e importantes progresos en la Biología Celular.

34

El término “célula” fue introducido por Robert Hooke en 1665, al observar un trozo de corcho en un rudimentario microscopio construido por él. Más tarde, Marcelo Malpighi (1670) y Anton van Leeuwenhoek (1674) describieron las células vegetales y los protozoos, respectivamente.

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

3.1 Teoría celular En 1831, en su “Ensayo sobre Fitogénesis”, Matthias Jakob Schleiden postuló que “Todas las plantas son aglomeraciones de células”. Por otra parte, Theodor Schwann, estudiando al microscopio diversos tejidos animales, concluyó en 1839 que “Todos los seres vivos, plantas o animales, consisten en células o sustancias segregadas por las células”. Con estos postulados cambia el concepto estático de célula, derivado de las observaciones hechas por Hooke, por el concepto de que la célula es “La Base Física de la Vida”, lo que queda comprendido en la llamada “Teoría Celular” de Schleiden y Schwann (1839). Esta fue completada por Rudolf Virchow en 1855, el cual agrega que “toda célula se origina de otra célula preexistente”. En 1880 el botánico alemán Eduard Strasburger describe la división celular en células vegetales; sin embargo, se señala al zoólogo alemán Walther Fleming y al belga Edouard Van Beneden como los grandes protagonistas del estudio de los fenómenos nucleares. Postulados de la teoría celular a. La célula es la unidad estructural de todos los seres vivos, es decir, todos los organismos vivos están constituidos por células y productos celulares. b. La célula es la unidad funcional de todos los seres vivos, pudiendo desarrollar su actividad en forma individual (organismos unicelulares) o asociarse a otras células interactuando y complementándose para constituir organismos complejos (multicelulares). c. Toda célula proviene de una célula preexistente, a través de la reproducción celular. Por lo tanto, la mínima unidad capaz de expresar la vida es la célula. La construcción del microscopio electrónico de transmisión, por Ernst Ruska y colaboradores en 1931, ha permitido el estudio ultraestructural de la célula que ha posibilitado la comprensión de muchas de sus funciones.

3.2 Diversidad celular Dado que las células deben desempeñar diferentes funciones en lo seres vivos, existe también una gran diversidad de formas celulares, que pueden modificarse a lo largo de la vida de la misma célula. En cada caso, la forma particular o la presencia de estructuras especiales es generalmente consecuencia del proceso de diferenciación celular, que permite a una célula o a un grupo de células cumplir con una función específica. Las variables que controlan la forma y la función de una célula son, en primer lugar, de origen genético. Por ejemplo, un glóbulo rojo humano tiene forma bicóncava, ausencia de núcleo y mitocondrias, para que el citoplasma quede disponible para el transporte de oxígeno.

Preuniversitarios

El tamaño celular está determinado por la relación entre el tamaño del núcleo y el citoplasma. A pesar del variado espectro de formas y tamaños, la organización fundamental de las células es relativamente uniforme. Esta generalización puede establecerse en la actualidad gracias al desarrollo del microscopio electrónico. De este modo, se observó que solo se presentan dos modelos básicos de organización celular:

CPECH

Otra variable que afecta la forma celular, aunque menos importante, es la interacción con otras células. Las células organizadas en tejidos presentan patrones morfológicos más constantes que las de vida independiente. Por otro lado, existe una amplísima variedad de tamaños celulares, encontrándose células solo visibles al microscopio electrónico, como los micoplasmas (bacterias de 0,1 micrón de diámetro), hasta células observables a simple vista, como la yema del huevo de avestruz (75 milímetros de diámetro).

35

capítulo

1

3.2.1 Procariontes Células rodeadas por una membrana plasmática, que no poseen un núcleo organizado dentro de una membrana nuclear o carioteca, ni organelos citoplasmáticos a excepción de los ribosomas. Como no poseen mitocondrias sus procesos de obtención de energía los realizan en unas invaginaciones de su membrana plasmática llamadas mesosomas. Su ADN se encuentra libre en el citoplasma, en forma circular y no está asociado a proteínas. Todos los procariontes presentan una gruesa pared celular, localizada por fuera de la membrana plasmática. Ejemplos: bacterias, algas verde-azules, actualmente denominadas cianobacterias.

Bacteria

ADN

Flagelo

Pili Cápsula

Ribosoma Pared celular

Membrana Plasmática

Citoplasma

3.2.2 Eucariontes Son células delimitadas por una membrana plasmática con un núcleo verdadero. Existe una membrana nuclear o carioteca que encierra al ADN asociado a proteínas constituyendo la cromatina. Poseen un sistema interno de membranas que divide a la célula en compartimientos específicos llamados organelos. A este grupo pertenecen los protozoos, las células animales y vegetales. Una de las grandes diferencias entre células eucariontes y procariontes está en que las primeras poseen una red de compartimiento o sistema de endomembranas continuas, que permiten que las funciones celulares se lleven a cabo en lugares específicos de la célula, es decir, existe un concepto de compartimentalización. El proceso de división celular entre células procariontes y eucariontes también es diferente.

CPECH

Preuniversitarios

En las células eucariontes el proceso de división se conoce como mitosis y da como resultado dos células hijas. En células procariontes, a pesar de que también se producen dos células hijas, no se puede hablar de mitosis. No hay fibras del microtúbulo y no hay centríolo, por tanto, se habla solo de fisión binaria (proceso amitótico).

36

El metabolismo eucarionte es exclusivamente aeróbico (dependiente de oxígeno). El metabolismo procarionte es aeróbico, anaeróbico o facultativo (significa que según las condiciones del ambiente puede ser aeróbico o anaeróbico).

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

3.3. Organización estructural y funcional de la célula animal Envoltura nuclear Nucleoplasma+ADN Nucléolo Microtúbulos

Microfilamentos

Núcleo

Vesícula

Lisosoma

Retículo endoplasmático rugoso

Retículo endoplasmático liso Membrana Plasmática

Aparato de Golgi Vesícula

Mitocondria

Par de centríolos

3.3.1 Membrana plasmática o celular a. Composición química



Los científicos trabajaron arduamente para esclarecer la organización de la membrana plasmática. El análisis con el microscopio electrónico de transmisión evidenció una estructura trilaminar, pero no entregó información sobre la disposición de los componentes lipídicos y proteicos. Jonathan Singer y Garth L. Nicholson en 1972, acuñan la expresión de mosaico fluido, que establece que el componente lipídico de la membrana actúa como un medio en el cual se encuentran inmersas las proteínas que pueden estar total o parcialmente incluidas en la membrana.



Los lípidos que intervienen en mayor proporción en la composición de las membranas biológicas son los fosfolípidos y el colesterol.

Preuniversitarios

• Lípidos: La membrana es un complejo formado fundamentalmente por lípidos, que se disponen en una doble capa o bicapa lipídica, en la que se insertan distintos tipos de proteínas.

CPECH



37

capítulo

1

- Fosfolípidos: Son moléculas anfipáticas. Debido a esto los fosfolípidos se disponen a través de sus cabezas polares o hidrofílicas en contacto con el medio acuoso, mientras que las colas hidrofóbicas forman su estructura interna. Las colas apolares están formadas, a menudo, por una cadena de ácidos grasos saturados y por otra insaturada.

Sabías que... Las proteínas desempeñan la mayor parte de las funciones biológicas que realizan las membranas: participan en reacciones energéticas, en el transporte a través de membranas, en la recepción de señales, etc. Muchas proteínas de membrana son enzimas, como la acetil colinesterasa. Las proteínas de membrana tienen cierta capacidad de movimiento, como, por ejemplo:

Los fosfolípidos forman una estructura fluida y, por tanto, permiten el desplazamiento o movimiento dentro de ella. Estos movimientos son importantes en los procesos de transporte a través de la membrana. Los lípidos los podemos encontrar unidos a carbohidratos, formando los glucolípidos. Estos solo se encuentran en la parte exterior de las membranas y pueden representar hasta un 5% del total de lípidos de las membranas de las células animales. - Colesterol: Se encuentra en proporción elevada en las membranas de células eucariontes. Su disposición es intercalada entre los fosfolípidos, lo que limita la movilidad de los fosfolípidos, proporciona estabilidad mecánica a la membrana (otorga mayor rigidez) y reduce su permeabilidad.

• Difusión lateral, a lo largo de la membrana. • Rotación, alrededor de un eje perpendicular a la membrana.

Bicapa lipídica

Sin embargo, las proteínas tienen la capacidad de fijarse a ciertas regiones de la membrana a través de las cadenas de ácidos grasos de los fosfolípidos o establecer uniones no covalentes con otras proteínas de membrana. Poseen menor capacidad de desplazamiento que los fosfolípidos.

Vesícula fosfolipídica

agua

agua

CPECH

Preuniversitarios



38



• Proteínas: Se encuentran insertadas en la bicapa lipídica. Muchas se unen a carbohidratos formando glucoproteínas. Existen dos tipos de proteínas de membrana: - Proteínas transmembrana o integrales: Son aquellas que atraviesan completamente la membrana y sobresalen por ambas caras de esta. Las proteínas transmembrana tienen aminoácidos hidrofílicos en las zonas que asoman al exterior y al interior de la célula. En la parte intermedia de la molécula se sitúan mayoritariamente aminoácidos hidrofóbicos (rodeados por las colas apolares).

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

- Proteínas periféricas: No atraviesan la estructura de la membrana y sobresalen solo por una cara de la membrana. La membrana tiene una organización asimétrica. Esto quiere decir que la cara citoplasmática y la cara externa de la bicapa lipídica no son iguales, sino que presentan algunas diferencias como: * Los ácidos grasos de los fosfolípidos de la cara citoplasmática presentan más dobles enlaces que los de la cara externa y por ello están más curvados. Por tanto, esta cara de la membrana es más fluida que la externa. * Solo se encuentran glicolípidos en la cara externa de la membrana. Membrana celular Medio extracelular Carbohidrato

Glicoproteína

Colesterol

Proteína

Citoesqueleto Citoplasma

Es frecuente encontrar en la cara externa de la membrana una capa denominada glucocáliz, que está compuesta por cadenas de carbohidratos unidas a las proteínas de membrana. Desarrolla una función de protección y participa en los fenómenos de reconocimiento y adherencia celular.

Actividades

3. Qué significa que la membrana tenga una organización de mosaico fluido?

Preuniversitarios

2. ¿Qué significado tiene el hecho de que la organización de la membrana sea asimétrica?

CPECH

1. ¿Qué significa que la membrana tenga una estructura asimétrica?

39

capítulo

1

b. Transporte por la membrana Para poder llevar a cabo todas las funciones metabólicas que tienen lugar en las células éstas deben intercambiar sustancias con su medio exterior. Los mecanismos de transporte son bastante variados, pero en forma general se pueden dividir en pasivos y activos. • Transporte pasivo: Es un proceso que no requiere de energía (ATP) debido a que se realiza a favor del gradiente de concentración, es decir, desde una región de mayor concentración de la sustancia hacia otra de menor concentración de la misma. Existen diferentes tipos de transporte pasivo: - Difusión simple. Ciertas moléculas pequeñas y sin carga eléctrica como el oxígeno (O2), el nitrógeno (N2), el dióxido de carbono (CO2), el alcohol y el agua difunden rápidamente a través de la bicapa lipídica, a favor de su gradiente de concentración. - Difusión facilitada. Las moléculas que no pueden cruzar la membrana, como los iones y aminoácidos, entre otros, lo hacen gracias a las proteínas transmembrana, el hecho que no pueden atravesar la membrana se debe a que o son muy grandes, o tienen carga, o ambas situaciones. Estas partículas pueden ser moléculas o iones con carga eléctrica o bien de mayor tamaño molecular e hidrofílicas. Las proteínas transmembrana pueden ser de dos tipos: * Proteínas canal, que forman poros por los cuales se transportan iones (conocido como canal iónico). * Proteínas transportadoras, también denominadas carrier o permeasas. Estas proteínas están encargadas del transporte de sustancias de mayor tamaño molecular, para lo cual deben experimentar un cambio conformacional (cambio alostérico). Ejemplo: Carrier de glucosa.

+ +

Difusión simple

+ +

+

Canal iónico

Carrier

CPECH

Preuniversitarios

Difusión facilitada

40

- Osmosis: Es un caso especial de difusión simple, que consiste en un movimiento de moléculas de agua desde una zona de mayor concentración de agua a otra de menor concentración. En otras palabras, es un movimiento que ocasiona transferencia neta de agua desde una zona de mayor potencial hídrico (energía potencial de las moléculas de agua) hacia otra de menor potencial hídrico. La osmosis tiene una enorme importancia para todas las células. Una célula animal, como es el caso de un glóbulo rojo, es isotónico respecto al plasma; pero si lo exponemos a una solución hipertónica perderá

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

agua y se arrugará, fenómeno conocido como crenación. Si lo exponemos a una solución hipotónica, en cambio, ingresará agua a la célula, diluyendo su contenido y rompiendo la membrana celular, fenómeno conocido como citólisis. La célula vegetal presenta una pared celular rígida, por lo que en una solución hipertónica el protoplasma se retraerá, despegándose la membrana celular de la pared, fenómeno conocido como plasmólisis. En una solución hipotónica el ingreso de agua al interior de la célula no provoca el rompimiento de la célula, sino que se genera una presión, desde dentro de la célula sobre la pared, denominada presión de turgencia, la cual es responsable de la posición erecta de las hojas y tallos verdes de las plantas.

• Transporte activo: Transporte que ocurre en contra de un gradiente de concentración o gradiente electroquímico y por ello requiere de energía. En este mecanismo de transporte también participan proteínas transmembrana, pero que tienen la capacidad de hidrolizar ATP para obtener energía y simultáneamente cambian su conformación espacial para efectuar el transporte de las sustancias (también se denominan bombas).

El ejemplo clásico de este tipo de transporte es la bomba sodiopotasio, que extrae sodio de la célula e ingresa potasio a la misma. La acción de la bomba Na+-K+ es fundamental para fenómenos como la contracción muscular, el potencial de acción en el impulso nervioso, la mantención de un balance hídrico normal tanto dentro como fuera de la célula.

Sabías que... Tipos de soluciones • Soluciones isotónicas: Son soluciones que presentan la misma concentración de agua y de soluto a ambos lados de una membrana. • Soluciones hipotónicas: Son soluciones en las que se presenta una menor concentración de solutos y una mayor concentración de agua. • Soluciones hipertónicas: Son soluciones en las que la concentración de soluto es mayor y, por lo tanto, menor es la concentración de agua.

Bomba Na+ y K+. Na+

Na+

Na+

Na+ Na+

ATP

Na+

P

P Na+

Na+

ADP

Na

+

+

K

CPECH

+

K

K+

P K+

P

K+

Preuniversitarios

K+

41

capítulo

1

• Transporte de macromolécula: Los mecanismos antes mencionados no permiten el paso de moléculas grandes como polisacáridos y proteínas. En estas situaciones se utilizan los sistemas de transporte de exocitosis y endocitosis.

Ambos mecanismos utilizan vesículas rodeadas de membrana plasmática, en cuyo interior viajan las sustancias que deben entrar o salir de la célula. - Endocitosis: Se trata de un proceso de incorporación de sustancias a la célula. En él las sustancias se concentran en pequeñas depresiones de la membrana plasmática, que llevan a la formación de una vesícula, la cual contiene en su interior una gran cantidad de sustancias. Tipos de endocitosis: * Cuando las vesículas alcanzan un tamaño mayor de 150 nm y contiene en su interior restos celulares, microorganismos o partículas grandes, se habla de fagocitosis. * Si las vesículas son de diámetro menor a 150 nm y contienen fluidos, el proceso se denomina pinocitosis. * Existe además otro tipo de endocitosis específica, denominada endocitosis mediada por receptor: que se lleva a cabo cuando el soluto se une a una proteína específica de la membrana celular. Esta proteína, llamada receptor, tiene la capacidad de unirse al soluto en forma selectiva, para luego incorporarlo a la célula. La fagocitosis se da en células con cierto grado de especialización, como protozoos, glóbulos blancos, etc. La pinocitosis es relativamente común en todo tipo de células, como en los ovocitos durante su proceso de maduración. Una vez que las vesículas han penetrado en el interior celular, los lisosomas se unen con ellos, para luego procesarlos. - Exocitosis: La macromolécula o partícula es transportada hacia el exterior de la célula. Las vesículas de secreción viajan hacia la membrana celular, se fusionan con ella y vierten su contenido hacia el espacio extracelular. El proceso de exocitosis se puede desencadenar bajo dos situaciones: * Las vesículas se producen permanentemente y se liberan sin necesidad de mediación de algún estímulo, como es el caso de la formación de la matriz extracelular.



Durante los procesos de endocitosis y exocitosis, las bicapas lipídicas se aproximan y se fusionan, para lo cual se requiere el aporte de energía (ATP).



Mientras tienen lugar estos transportes, se suelen generar fragmentos de membrana que son recuperados por la célula y reciclados en otros puntos de la membrana. Membrana plasmática

CPECH

Preuniversitarios

* Las vesículas se producen, pero solo son liberadas frente a un estímulo adecuado, como es el caso de los neurotransmisores o las enzimas digestivas.

42

Citoplasma Citoplasma

Exocitosis

Endocitosis

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

Actividades 1. Completa el siguiente cuadro comparativo entre transporte pasivo y transporte activo Criterio de comparación

Transporte pasivo

Transporte activo

Dirección respecto del gradiente de concentración Uso de energía Participación de la bicapa de fosfolípidos Participación de proteínas de membrana Ejemplos

2. Explica el funcionamiento de la bomba Na+-K+ considerando participación de proteínas de membrana, uso de energía, dirección del movimiento de iones y significado de su funcionamiento. 3. ¿Qué condiciones debe cumplir una sustancia para atravesar directamente la bicapa fosfolípidos? 4. Términos pareados



1. Transporte activo 2. ATP 3. Endocitosis 4. Gradiente de concentración 5. Permeabilidad selectiva 6. Carrier 7. Carga eléctrica. 8. Canal iónico 9. Cambio alostérico. 10. Fagocitosis

A. Sodio, potasio, cloro. B. Diferencia de concentración C. Incorporación de partículas sólidas D. Transportador de membrana E. Incorporación de sustancias. F. A favor de la gradiente. G. Difusión facilitada. H. Moléculas polares I. Energía del transporte activo. J. Capacidad para modificar comportamiento.

CPECH Preuniversitarios

43

c. Diferenciaciones de la membrana plasmática: Cilio Dineína

Par de microtúbulos

• Microvellosidades: Son proyecciones en forma de dedos (evaginaciones digitiformes) que aumentan la superficie de absorción de la membrana. Por ejemplo, se encuentran en las células epiteliales del intestino delgado, especialista en la absorción de nutrientes, y en las células renales. • Uniones celulares: La integridad estructural de los distintos tejidos del organismo se mantiene gracias a la adhesión existente entre las células que lo componen. Esta adhesión es mediada por proteínas de la membrana celular. Algunas de estas uniones son:

Brazos (dineína)

Corte transversal

capítulo

1

Membrana plasmática

Citosol

Radio

Microtúbulos central individual

Enlace (nexina)

Par de microtúbulos

Brazos (dineína)

- Uniones estrechas u oclusivas: Son regiones especialmente diferenciadas para sellar el espacio intercelular, formando una barrera impermeable para la difusión de moléculas entre células adyacentes. - Uniones intermedias: Son uniones que forman una banda que circunda la superficie interna de la membrana celular. Conectan filamentos de actina de células vecinas. - Desmosomas: Corresponden a uniones puntuales entre dos células vecinas a las cuales se unen los tonofilamentos que es un armazón estructural para el citoplasma. Actúan como broches para mantener unidas las células. - Uniones en hendidura o comunicaciones intercelulares o nexus: Corresponden a proteínas que conectan dos células y que permiten el intercambio de pequeños iones y metabolitos entre ellas en forma selectiva.

3.3.2 Citoplasma Está constituido por la matriz citoplasmática o citosol, el citoesqueleto y los organelos celulares.

CPECH

Preuniversitarios

a. Citosol

44

Es principalmente agua en la que se disuelven sustancias orgánicas (aminoácidos, glucosa, etc.) e inorgánicas (iones, sales minerales, etc.). Desde el punto de vista físico-químico, el protoplasma presenta características y propiedades coloidales. Un coloide es un tipo de solución en que las partículas disueltas miden entre 0,1 a 0,0001 micrones. Son sistemas altamente estables, que presentan cambios físicos reversibles, pudiendo hallarse en estado sol o estado gel. En el estado gel las partículas disueltas o dispersas se encuentran muy juntas, constituyendo una verdadera red que deja una cantidad de agua retenida y la solución se hace más espesa y viscosa. Por el contrario, en el estado sol las partículas disueltas se encuentran muy

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

separadas, permitiendo que el solvente se disponga en forma continua como la cantidad de agua retenida es pequeña, queda agua libre, lo que hace la solución más fluida. Mitocondria Lisosoma

Peroxisoma Citosol

Envoltura nuclear

Aparato de Golgi

Vacuola

Retículo endoplasmático

Membrana plasmática

b. Citoesqueleto Las células eucariontes presentan un alto grado de organización; sin embargo, son capaces de modificar su forma, reubicar sus organelos según sus necesidades metabólicas e incluso, en ciertos casos, desplazarse de un lugar a otro. Estas características dependen de una intrincada red de proteínas filamentosas conocida como citoesqueleto, el cual está formado por microfilamentos, filamentos intermedios y microtúbulos. • Microfilamentos: Presentan, el aspecto de hebras, de unos 6-7 nm de diámetro y de longitud variable. Su unidad básica es una proteína globular, llamada Actina. Estas moléculas son capaces de asociarse, en presencia de ATP y de iones de calcio.

Participan, junto con los filamentos gruesos de miosina, en ciertos movimientos celulares, tales como la división del citoplasma durante la división celular y la contracción celular entre otras.

• Filamentos intermedios: Están constituidos por proteínas fibrosas, que se asocian de manera irreversible sin gasto de energía, dando origen a estructuras de 8-11 nm de diámetro. Son los componentes más estables del citoesqueleto, y constituyen una trama permanente dentro de las células.

En el tejido epitelial forman parte de los desmosomas y las uniones intermedias. En la piel cumplen funciones impermeabilizantes. En las neuronas se denominan neurofilamentos, los cuales están relacionados con el transporte de sustancias por el axón.

• Microtúbulos: Están formados por una proteína llamada tubulina. En presencia de GTP y de iones de magnesio, las moléculas de tubulina se unen constituyendo las paredes de un tubo hueco de unos 25 nm de diámetro.

CPECH



Microtúbulos

Microfilamentos de Actina

Participan en los movimientos celulares durante la división del núcleo (mitosis y meiosis) y en la estructura de cilios, flagelos, centríolos y cuerpos basales.

Preuniversitarios

Filamentos Intermedios

45

capítulo

1

• Centríolos: Están formados por 9 tripletes de microtúbulos que delimitan un túbulo hueco. En general se encuentran dos centríolos (diplosoma) por célula. Se disponen en ángulo recto entre sí y cercanos a la envoltura celular en una zona especial del citoplasma, denominada centro celular o centrosoma. El centrosoma está constituido por un par de centríolos y una zona que contiene el material pericentriolar de naturaleza desconocida. Las células vegetales superiores poseen un centro organizador de microtúbulos (COMT) que carece de centríolos, el cual organiza el aparato mitótico durante la división celular. Parece, entonces, que el material pericentriolar del centrosoma y no los centríolos organizaría el huso mitótico en células animales. Microtúbulos Centríolos



Estructura de un centríolo

Tripletes de microtúbulos

• Cilios y flagelos: Están constituidos por nueve pares de microtúbulos periféricos que delimitan un túbulo hueco, y por dos microtúbulos centrales. Esta estructura se denomina “9+2”. Cada uno de los 9 pares está conectado con el vecino mediante puentes de proteína, y se relacionan con el par central a través de fibras radiales, los cuales garantizan la cohesión del cilio o flagelo. El movimiento es generado por el desplazamiento de los pares periféricos unos contra otros en un proceso que consume ATP. Los cilios y flagelos están envueltos por la membrana plasmática. Los cilios se diferencian de los flagelos en que los primeros son pequeños y numerosos, en cambio, los segundos son más largos y, en general, no hay más de uno por célula.

Los cilios participan en la locomoción activa de organismos unicelulares, como protozoos. En tejidos ciliados, impulsan el barrido de las partículas de la superficie del tejido o provocan corrientes de agua, como, por ejemplo, en los conductos respiratorios de mamíferos. Los flagelos participan en la locomoción activa de unicelulares, por ejemplo, euglenas y en células de mamíferos como los espermatozoides. Núcleo

3.3.3 Organelos

CPECH

Preuniversitarios

a. Ribosomas

46

Organelos citoplasmáticos presentes en todo tipo celular, procarionte y eucarionte (animal y vegetal). Los ribosomas pueden estar libres en el citoplasma —solos o en grupo formando polirribosomas— o asociados al retículo endoplasmático rugoso (que no es el caso de célula procarionte). No poseen membrana. Están constituidos por ARN ribosomal y 55 proteínas diferentes, que forman dos subunidades, las cuales se acoplan durante la síntesis proteica. La función de los ribosomas es la síntesis de proteína.

Ribosoma Subunidad menor

Subunidad mayor

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

b. Retículo endoplasmático Se encuentra en todas las células eucariotas y ocupa hasta el 10% del espacio interior de éstas. Es un conjunto de cavidades, túbulos y vesículas conectadas entre sí y con la envoltura nuclear. El espacio que queda limitado en el interior se denomina lumen. Junto al aparato de Golgi y la envoltura nuclear, forman el sistema de endomembrana de la célula, el cual separa los diferentes sectores del citoplasma celular. Existen dos tipos de retículo:

Envoltura Núcleo nuclear

Cisternas Lumen

Ribosomas

Retículo endoplasmático rugoso

Retículo endoplasmático liso • Retículo Endoplasmático Liso (REL): La denominación liso proviene del hecho de que no tienen ribosomas incrustados en su superficie externa. Se presenta como una intrincada red de túbulos y sistemas membranosos, cuya extensión y localización dependen de la actividad metabólica de la célula. Realiza las siguientes funciones:

- Síntesis de lípidos, como esteroides (por ejemplo, colesterol), triglicéridos, fosfolípidos, entre otros, excepto ácidos grasos. - Detoxificación de sustancias provenientes del medio externo, como drogas, medicamentos, aditivos alimenticios y pesticidas. La detoxificación consiste en la anulación de la actividad de dichas sustancias por modificación de su estructura química, contribuyendo a su excreción. En los vertebrados tiene lugar en el hígado, los pulmones, el intestino, los riñones y la piel. - Regulación del calcio presente en el citoplasma de las células musculares. En estas, recibe el nombre de retículo sarcoplásmico (almacena calcio). • Retículo Endoplasmático Rugoso (RER): Está formado principalmente por cisternas (sacos membranosos aplanados) interconectadas, las cuales presentan ribosomas adosados a su superficie externa, lo que le confiere el aspecto rugoso. Los ribosomas están adheridos a la membrana por su subunidad mayor. La extensión y distribución del RER es variable y depende de la actividad metabólica de la célula. Sus funciones son: - Circulación intracelular de sustancias que no se liberan al citoplasma.

- Proteínas de membrana que permiten el crecimiento del retículo, del aparato de Golgi y de la membrana plasmática.

Preuniversitarios

Las glucoproteínas que produce el RER son de 3 tipos:

CPECH

- Síntesis de proteínas de exportación. Esta función es llevada a cabo en los ribosomas adheridos a sus membranas. A medida que las proteínas son sintetizadas, experimentan la adición de un hidrato de carbono de pequeño tamaño, dando como resultado una glucoproteína. Todo esto se realiza en el interior de las cisternas. Desde este lugar son transportadas a través de vesículas al aparato de Golgi, donde terminan de procesarse. El RER es muy desarrollado y abundante en células que secretan proteínas. Por ejemplo, las células del páncreas.

47

capítulo

1

- Proteínas de secreción. - Enzimas hidrolíticas que van a formar parte de los lisosomas. El retículo endoplasmático está íntimamente relacionado, mediante vesículas de transporte, con el aparato de Golgi.

c. Membrana nuclear o carioteca Es la envoltura del núcleo y se continúa con el REL y el RER. Está constituida por 2 membranas, una externa y otra interna. Presenta poros que le permiten dejar entrar y salir macromoléculas entre el núcleo y el citoplasma.

d. Aparato de Golgi Está formado por una serie de vesículas en forma de saco denominadas cisternas, las cuales se apilan en grupos de cuatro a seis formando un dictiosoma. En las proximidades de los dictiosomas, se halla una gran cantidad de pequeñas vesículas que se forman y se desprenden de las cisternas. Está presente en casi todas las células, pero es más abundante en las secretoras. El origen del aparato de Golgi está en las vesículas de secreción del retículo endoplasmático rugoso (retículo de transición).

cara citosólica

Preuniversitarios

RER

CPECH

cara e xtrace lular cara c itosóli ca

cara luminal

Aparato de Golgi

48

a

smátic

ana pla

Membr

Componente de membrana

Participa en la maduración y acondicionamiento de las sustancias provenientes del retículo endoplasmático. Este acondicionamiento consiste principalmente en la unión de proteínas y lípidos sintetizados en el retículo, con pequeñas cadenas de glúcidos para obtener glucoproteínas y glucolípidos; en la formación del acrosoma en los espermatozoides; en la concentración y empaquetamiento de las enzimas hidrolíticas dentro de una vesícula. De esta manera, el aparato de Golgi da origen a los lisosomas primarios; a la formación de la placa divisoria al finalizar la división celular en células vegetales; y sintetiza algunos hidratos de carbono de la pared celular vegetal (excepto la celulosa).

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

Aminoácidos

Formación de cadenas de carbohidratos

op

ro

teín Pro

Glucoproteínas, gl

uco lí

pid os y

lip

Ribosomas

Membrana plasmática antigua

Lisosoma

nas t eí

as y Lípidos

Núcleo

Membrana plasmática nueva

Vesícula de secreción

Retículo endoplasmático rugoso (síntesis de proteínas)

Retículo endoplasmático de transición (transporte de proteínas y lípidos sintetizados)

Complejo de Golgi (preparación química y empaquetamiento; formación de glucoproteínas, glucolípidos y lipoproteínas).

e. Lisosomas Son vesículas o vacuolas que se originan del aparato de Golgi. Contienen enzimas hidrolíticas (hidrolítica significa que requieren la presencia de agua para poder activarse) capaces de degradar diversas sustancias. Son 4 tipos de enzimas hidrolíticas: proteasas, nucleasas, glucosilasas y lipasas. Las hidrolasas lisosomales solo actúan en presencia de las sustancias a digerir y a un pH ácido. Son responsables de la digestión celular. Las sustancias que se digerirán pueden provenir de la misma célula o pueden ser incorporadas desde el exterior por endocitosis. En el primer caso, el proceso se denomina autofagia, y gracias a él la célula puede eliminar organelos envejecidos de su propio citoplasma.

Señal Señal Vesícula secretora

Secreción continua

Secreción Regulada Gránulos de secreción Trans Medial

Aparato de Golgi

Cis

CPECH Preuniversitarios

Cuando las sustancias son incorporadas por endocitosis se forma una vacuola, la que se fusiona con un lisosoma primario para constituir una vacuola digestiva (lisosoma secundario). En su interior, las enzimas digestivas actúan sobre las sustancias endocitadas. Los productos de degradación útiles para la célula pasan al citoplasma por transporte a través de la membrana de la vacuola. Los productos de desecho se eliminan a través de la misma vacuola por exocitosis. También participan en la digestión o destrucción de las células que ya han cumplido su función, por lo que se dice que son responsables del envejecimiento celular. La existencia de los lisosomas permite mantener aisladas distintas enzimas que participan de la digestión celular y que potencialmente pueden degradar los componentes de la misma célula que las alberga.

49

capítulo

1

f. Peroxisomas

Bacteria

Organelos presentes en todas las células eucariontes. Están limitados por una sola membrana y en su interior contienen numerosas enzimas de tipo oxidativos.

Protegen la célula de la acumulación de peróxido de hidrógeno (H2O2), un fuerte agente oxidante. Contienen una enzima llamada catalasa que participa en la degradación del H2O2 a agua y oxígeno. También tienen otras enzimas que utilizan el H2O2 para reacciones de oxidación, como, por ejemplo, la oxidación de sustancias tóxicas como los fenoles, etanol, formaldehído, entre otros, las cuales van a ser posteriormente eliminadas. Participan de la beta-oxidación de los ácidos grasos de cadena larga.

Retículo

Fagocitosis Endocitosis

Autofagia

Fagosoma

g. Vacuolas Autofagosoma

Lisosoma

Además de las vacuolas digestivas y de secreción, existe en las células vegetales otro tipo de vacuolas, que son de almacenamiento. Contienen agua y ocupan gran parte del citoplasma.

h. Mitocondrias Organelos presentes en todas las células eucariontes, excepto en los glóbulos rojos maduros. Su número y forma es variable, dependiendo del tipo celular. Su tamaño fluctúa entre 0,3-0,8 µm de largo.

Compartimiento Intermembrana Membrana Interna

CPECH

Preuniversitarios

Matriz Mitocondrial

50

Membrana Externa Crestas Mitocondriales

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

Están formadas por dos membranas, una externa lisa y continua y otra interna que se pliega hacia el interior formando las crestas mitocondriales, las cuales varían de forma en los distintos tipos de mitocondrias. Al microscopio electrónico, se observan sobre estas crestas unas pequeñas partículas redondeadas llamadas partículas elementales o partículas F, donde se encuentran las enzimas necesarias para la fosforilación oxidativa. El espacio interior de las mitocondrias contiene un material gelatinoso denominado matriz mitocondrial. Aquí se encuentran las enzimas encargadas del ciclo de Krebs, gracias a eso, este organelo es llamado semiautónomo. En la matriz también se encuentran ADN y ribosomas, lo que les permite autoduplicarse y sintetizar algunas proteínas específicas. Sin embargo, hay cierta dependencia de la información nuclear. La función principal de las mitocondrias es generar ATP, a través de un proceso conocido como respiración celular. Además, las mitocondrias poseen otras funciones como: remoción de Ca2+ del citosol, síntesis de algunos aminoácidos a nivel de los hepatocitos, síntesis de esteroides en algunas células de la corteza suprarrenal, en los ovarios y en los testículos.

3.4 Organización estructural y funcional de la célula vegetal

Aparato de Golgi Vesículas

Vacuola central

Microfilamentos Envoltura nuclear ADN y nucleoplasma Cloroplasto

Mitocondria

Nucléolo Retículo endoplasmático rugoso

Microtúbulos Membrana plasmática Pared celular

CPECH Preuniversitarios

Las células vegetales son esencialmente similares a las células animales, lo cual demuestra la unidad de estructura y función de la célula eucarionte. Sin embargo, es conveniente estudiar la célula vegetal en forma independiente de la animal, a fin de abordar ciertos aspectos especiales, como la pared celular, los glioxisomas, los plastidios y algunos detalles importantes acerca de la división celular (este último tema será tratado más adelante).

51

capítulo

1

3.4.1 Pared celular En las células vegetales, en la parte exterior de la membrana plasmática, se encuentra la pared celular vegetal. Ésta es rígida y fuerte. La pared celular es compleja y está muy diferenciada en ciertos vegetales. Está compuesta por tres tipos de polisacáridos (celulosa, hemicelulosa y pectina) y varias glucoproteínas. Todas estas moléculas están englobadas en una matriz hidratada que permite que las sustancias solubles y de pequeño tamaño se difundan a través de ella. Por esta razón, las moléculas que participan en el metabolismo de las plantas son de pequeño tamaño. Se distinguen una pared primaria y una pared secundaria, que se desarrollan en forma secuencial y difieren por su composición y disposición de microfibrillas. La pared primaria es la más externa y de organización más laxa, lo cual le permite crecer con la célula (es la primera que se forma y separa las dos células hijas después de la división celular). La pared primaria está compuesta por fibras de celulosa orientadas en diversas direcciones, formando una red relativamente laxa, denominada microfibrilla. Las células que no han de crecer segregan una pared secundaria, gruesa y compacta. La pared secundaria está formada por fibras de celulosa paralelas, dispuestas en capas alternadas (esta distribución le confiere menor flexibilidad y elasticidad). Además, intercalado en el tramo celulósico de la pared secundaria se encuentra otro polisacárido, la lignina, que le otorga mayor resistencia a la presión. También se puede hallar pectina. Protege la célula de tracciones mecánicas. Como cada pared celular está unida a la pared de las células vecinas, entre todas constituyen un armazón que da consistencia a los diferentes órganos de la planta. Actúa como límite resistente que impide la exagerada distensión de la membrana plasmática y su posible ruptura causada por una excesiva entrada de agua.

3.4.2 Citoplasma En las células meristemáticas (células indiferenciadas), las membranas del retículo endoplasmático son relativamente escasas y están enmascaradas por los numerosos ribosomas que llenan el citosol. El gran desarrollo de retículo endoplasmático durante la diferenciación celular se relaciona con la intensa hidratación que experimenta el citoplasma. Este proceso da lugar a enormes vacuolas que se llenan de líquido que suelen unirse entre sí. Como resultado, el citosol en ocasiones queda reducido a una fina capa por debajo de la membrana plasmática.

CPECH

Preuniversitarios

Como en las células animales, en las células vegetales el aparato de Golgi es esencial para la secreción. De esta manera, participa en el transporte de proteínas de depósito, como la legumina presente en los cotiledones de ciertas leguminosas. Estas y otras proteínas se localizan en organelos especiales, denominados cuerpos proteicos o granos de aleurona. Además de los organelos antes señalados, en el citosol de las células vegetales podemos encontrar mitocondrias, glioxisomas y plastidios (por ejemplo, cloroplastos).

52

3.4.3 Organelos característicos a. Glioxisomas Son organelos relacionados con el metabolismo de los triglicéridos. Tienen una membrana y una matriz amorfa, en que se encuentran diversas enzimas. Al igual que en los peroxisomas, las enzimas glioxisómicas se forman en el citosol a nivel de los ribosomas libres, siendo transferidas al interior del organelo. La membrana es aportada por el retículo endoplasmático.

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

Los glioxisomas contienen enzimas que se utilizan en la transformación de los lípidos de las semillas en hidratos de carbono, a través de un conjunto de reacciones químicas conocidas como ciclo del glioxilato.

b. Plastidios Son organelos citoplasmáticos limitados por membrana que están presentes en las células de las plantas y algas. Los más importantes son los cloroplastos, que se caracterizan por poseer pigmentos y por su papel en la fotosíntesis. • Cloroplastos: Es un tipo de plastidio que se encuentra exclusivamente en las células vegetales fotosintéticas. Tienen forma variable aunque, a menudo, son ovoidales. Tienen un tamaño mayor que el de las mitocondrias, por lo general de 3 micrones de diámetro y 10 micrones de largo. El microscopio electrónico ha revelado que la estructura del cloroplasto se compone de tres partes principales: la envoltura, el estroma y los tilacoides.

Grana

Doble membrana Sistema interno de membrana

Estroma

Tilacoide

- La envoltura de los cloroplastos presenta dos membranas: una externa muy permeable y otra interna lisa y sin crestas, menos permeable que la externa. - El estroma es la cavidad interna del cloroplasto y está compuesta por enzimas implicadas en el metabolismo fotosintético y por aquellas que regulan y controlan la replicación, transcripción y traducción del material genético del cloroplasto. Contiene además un ADN tipo procarionte, circular y desprovisto de proteínas. Este ADN y la presencia de diversos ARN y ribosomas tipo procarionte le dan al cloroplasto la capacidad de sintetizar algunas proteínas estructurales y enzimáticas del cloroplasto. Otras sustancias encontradas en el estroma son sustancias como almidón y gotas lipídicas.

Además de los cloroplastos, existen otros plastidios con pigmentos, denominados cromoplastos. En los pétalos, frutos y raíces de ciertas plantas superiores hay cromoplastos amarillos o anaranjados. Estos tienen, en general, menor actividad fotosintética.



Los plastidios incoloros o leucoplastos se encuentran en las células embrionarias y en las células de los órganos que no reciben luz y corresponden a vacuolas limitadas por dos membranas, cuya función principal es el almacenamiento de sustancias de reserva, como el almidón en amiloplastos y los aceites en los oleoplastos, etc.

Preuniversitarios



CPECH

- Los tilacoides son sacos aplanados agrupados como pilas de monedas. Estas pilas se denominan granas. Hay tilacoides que atraviesan el estroma, los cuales se conectan entre sí formando una red de cavidades (espacio tilacoidal). La membrana de los tilacoides contiene los pigmentos fotosintéticos (clorofila y carotenoides), la cadena transportadora de electrones y la enzima ATP sintetasa, entre otros.

53

capítulo

1

Actividades

1.

Completa el siguiente cuadro con las diferencias entre células procariontes y eucariontes. Criterio de Comparación

Célula Procarionte

Célula Eucarionte

Antigüedad evolutiva Organización del material genético División celular Organelos Metabolismo Ribosomas Tamaño Ejemplos 2.

¿Qué estructuras diferencian una célula vegetal de una animal?

3.

¿Qué justificación hace pensar que las mitocondrias y cloroplastos fueron alguna vez bacterias?

4.

Juzga la siguiente frase: Los glóbulos rojos o eritrocitos, producto del proceso de diferenciación, se vuelven células procariontes.

3.5 Núcleo celular La presencia del núcleo es una de las características que distingue a las células eucariontes. Ocupa alrededor del 10% del volumen total de la célula. Generalmente el núcleo se localiza en el centro de la célula, pero en algunos tipos celulares, como células musculares, puede ser periférico. Su forma depende del tipo celular. Normalmente es esférico, pero también ovoide o irregular (arriñonado, multilobulado, etc.). El núcleo es el centro de control celular, ya que contiene toda la información genética almacenada en el ADN. El núcleo está constituido por:

CPECH

Preuniversitarios

• La envoltura nuclear o carioteca. • Cromatina: Constituida por ADN y proteínas básicas (histonas). • Matriz nuclear: Constituida por proteínas “no histónicas” y ribonucleoproteínas.

54

3.5.1 Envoltura nuclear La envoltura nuclear está compuesta de dos membranas concéntricas, una interna y otra externa. Ambas membranas aparecen perforadas por poros, a través de los cuales el interior del núcleo se comunica con el citosol. Estos poros se encuentran distribuidos regularmente por toda la superficie de la envoltura. Son estructuras complejas, en las que un conjunto de proteínas forma un armazón, denominado complejo poro.

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

La membrana externa de la envoltura se continúa con la membrana del retículo endoplasmático. Más aún, el espacio que separa la membrana externa de la interna (espacio perinuclear) se continúa con el interior del retículo endoplasmático. Los poros de la envoltura nuclear son mucho más que simples perforaciones. El diámetro total del complejo poro es de unos 100 nm y su espesor de aprox. 30 nm. Sin embargo, sus componentes convierten al poro en un canal cilíndrico de 9 nm de diámetro, ubicado en el centro del complejo La envoltura nuclear tiene la función de aislar o separar el material genético del contenido citoplasmático y, además, de regular el paso de sustancias a través de ella.

3.5.2 Cromatina El ADN es el principal componente genético de la célula y el que lleva la información codificada de una célula a otra y de un organismo a otro. El ADN no se halla libre sino formando un complejo, la llamada cromatina. Al extenderse la cromatina aparece una estructura repetitiva en forma de cuentas de collar de 10 nm de diámetro, los nucleosomas, conectados entre sí por un filamento de ADN. Al aislar la cromatina con soluciones hipotónicas, aparece una suspensión gelatinosa que contiene ADN, ARN, proteínas básicas (histonas) y proteínas más ácidas (no histónicas). Las histonas están en una relación de 1 : 1 en peso con el ADN, mientras que el contenido de ARN y proteínas no histónicas es variable. Entre las proteínas no-histónicas encontramos ARN-polimerasa, ADN polimerasa y proteínas reguladoras.

Histona (H1 )

ADN espaciador

Preuniversitarios

La cromatina, para ser contenida en el pequeño espacio que el núcleo le ofrece, debe experimentar nuevos y sucesivos grados de enrollamientos. Estos se producen gracias a la histona H1 que tiene la capacidad de interactuar con otras H1 de otros nucleosomas, lo que lleva a un mayor plegamiento de la fibra.

Nucleosoma formado por un complejo de cuatro clases diferentes de histonas, con dos moléculas de cada clase, y envuelto por una doble hélice de ADN.

CPECH

Las histonas desempeñan un papel fundamental en el enrollamiento de la cromatina. Existen 5 clases, denominadas H1, H2A, H2B, H3 y H4. Kornberg propuso un modelo de nucleosoma en el que las 4 histonas (H2A, H2B, H3, H4) forman un octámero al cual se enrolla la molécula de ADN. El octámero posee el aspecto de un cilindro de baja altura, con un diámetro de 10 nm. Como ya se vio, se halla envuelto por un pequeño tramo de ADN, que lo recorre casi dos veces. Dado que cada vuelta presenta 83 pares de nucleótidos, el segmento de ADN asociado al nucleosoma contiene un total de 146 pares de nucleótidos. Los nucleosomas se hallan separados entre sí por tramos de ADN espaciadores que contienen entre 20 y 60 pares de nucleótidos. Esta alternancia de nucleosomas y segmentos de ADN espaciadores son los que le dan el aspecto de collar de cuentas.

Los genes activos no presentan plegamiento y así son más accesibles tanto a la ADN polimerasa durante la replicación, como a la ARN polimerasa durante la transcripción.

55

capítulo

1

Niveles de organización de la cromatina en eucariontes Se definen 5 niveles de organización: 1. 2. 3. 4. 5.

ADN dúplex o doble hélice desnuda. Hebra nucleosomal. Fibra de cromatina. Dominios cromosómicos. Cromosoma metafásico.

Representación de diferentes niveles de organización del ADN Doble hélice de ADN

2 nm

Formas de cuentas de collar de la cromatina

11 nm

Fibra de nucleosomas empaquetadas (solenoide)

30 nm

Dominios en bucle

300 nm

Espirales condensadas

700 nm

Cromosoma en metafase

1.400 nm

Los cromosomas metafásicos representan el estado de máxima condensación del material genético. Tienen un espesor aproximado de 1.400 nm.

CPECH

Preuniversitarios

• Eucromatina y Heterocromatina: Mediante técnicas de tinciones se ha demostrado que la cromatina en interfase puede encontrarse en un estado condensado (heterocromatina) o en una forma dispersa (eucromatina). La heterocromatina generalmente se ubica por debajo de la carioteca, en la periferia del núcleo, mientras la eucromatina se ubica más central. Es en esta última donde se encuentra la actividad transcripcional del ADN. La diferencia entre ambas radica en que la primera (heterocromatina) es un ADN no funcional o mejor dicho no transcripcional, mientras que la eucromatina es transcripcional. De lo anterior, se desprende que si observamos una célula que está en intensa síntesis de proteínas, el núcleo deberá presentar predominio de eucromatina. Cuando el núcleo entra en división, la fibra de cromatina comienza a enrollarse (condensarse) hasta constituir los cromosomas.

56

3.5.3 Cromosomas Son estructuras constituidas por cromatina condensada que se observan solamente durante la división celular. Todo cromosoma presenta una constricción primaria o centrómero, cuya posición determina el largo de los brazos de los cromosomas. De acuerdo con la posición del centrómero, los cromosomas se clasifican en cuatro tipos:

Capítulo 1

1. 2. 3. 4.

Organización, estructura y actividad celular

Metacéntrico: los brazos son iguales. Submetacéntrico: los brazos son de distinto largo. Acrocéntrico: un brazo muy corto. Telocéntrico: el centrómero está en uno de los extremos. Clases de cromosomas por la posición del centrómero

Metacéntrico

Submetacéntrico

Acrocéntrico

Telocéntrico

• Nomenclatura de los componentes del cromosoma: La citogenética ha permitido describir los componentes del cromosoma a través de una serie de términos que a continuación se explican: - Cromátida: En la metafase cada cromosoma está compuesto por 2 elementos simétricos. Cada uno corresponde a una cromátida, formada por solo una molécula de ADN que está en su máximo estado de compactación. Luego en la anafase mitótica estas cromátidas hermanas se separan y el cromosoma queda formado por solo una cromátida.

Cromátida

- Centrómero: Es el lugar donde se unen las dos cromátidas hermanas. Región del cromosoma donde convergen las fibras del huso mitótico. Se reconoce por un estrechamiento del cromosoma y porque puede tener distintas posiciones. La zona de estrechamiento se denomina constricción primaria. - Cinetocoro: Corresponde a un disco proteico que se encuentra dentro del centrómero, donde se unen específicamente las fibras del huso mitótico durante la división celular para arrastrar las cromátidas a polos opuestos.

Fibras cinetocóricas

Cinetocoro

Componentes de un cromosoma

Preuniversitarios

- Telómero: Este término se refiere a los extremos de los cromosomas. Tiene la propiedad de estabilizar el cromosoma impidiendo su unión con otro cromosoma distinto. Además los telómeros evitan que los cromosomas se unan en las puntas durante una división celular.

Centrómero

CPECH

- Cromómeros: Son acúmulos de material cromatínico que aparecen como cuentas de collar y que participan en el apareamiento de los cromosomas homólogos en la meiosis como preludio del entrecruzamiento o recombinación genética o crossing-over. Cuando un par de cromosomas homólogos hacen crossing-over, se unen los dos cromosomas en todos los puntos donde poseen cromómeros en la misma altura.

Cromátida

57

capítulo

1



- Constricción secundaria: Son constantes en posición y tamaño y resultan útiles para identificar un cromosoma en particular. Hay ciertas constricciones secundarias que se conocen como organizadores nucleolares (NOR) y que codifican para ARN ribosomal e inducen la formación de los nucléolos. - Satélites: Es otro elemento morfológico presente en algunos cromosomas, que se presenta como un cuerpo esférico separado del resto por una constricción secundaria. Todas las células de un individuo de una misma especie tienen el mismo número de cromosomas. Cada cromosoma está en dosis doble (par) y cada miembro del par se denomina cromosoma homólogo.

Todas las células somáticas (células que constituyen un individuo, a excepción de las células sexuales o germinales) tienen dos juegos de cromosomas y se las designa como diploide cuyo símbolo es 2n. Los gametos o células sexuales tienen solo un juego cromosómico, denominándose células haploides, y se simbolizan como n. El número diploide de cromosomas es característico de la especie. Todos los individuos de una misma especie tienen igual condición diploide, pero este se puede repetir en dos o más especies. En tal caso los cromosomas se diferencian por su morfología y tamaño. El cariotipo comprende todas las características de un conjunto cromosómico. Este nombre se refiere al grupo de características que permiten la identificación de un conjunto cromosómico, como número de cromosomas, tamaño relativo, posición del centrómero, largo de los brazos, constricciones secundarias y satélites, etc. El cariotipo es característico de una especie de un A B género o de grupos más amplios y se representa por la serie ordenada de los pares homólogos de tamaño decreciente. Las células humanas somáticas poseen 46 cromosomas, es decir, 46 moléculas de ADN, de los cuales 22 pares son autosomales (cromosomas no sexuales que se dividen en 7 grupos que se identifican con letras de A hasta G; cada par de cromosomas se numera y se ordenan de mayor a menor) y un par de cromosomas sexuales. En la mujer los dos miembros del par sexual son idénticos entre sí, pero distintos en el varón.

Núcleo

Eucromatina

Preuniversitarios

Envoltura nuclear

CPECH

D

F

E

G X

Y

Cariotipo de hombre

3.5.4 Nucléolo

58

C

Lámina nuclear

Heterocromatina Nucléolo Poro nuclear

Retículo endoplasmático Ribosomas

En el núcleo interfásico también se encuentran uno o más cuerpos esféricos que se tiñen fuertemente y que se denominan nucléolos. Están constituidos por ARN de tipo ribosomal, además de proteínas ribosomales (ribonucleoproteínas) y ciertos segmentos de ADN (donde se encuentran los genes para ARNr). El número de nucléolos es el mismo para todas las células de un individuo y para todos los individuos de una misma especie. Su tamaño varía según el estado funcional de la célula. Este organelo desaparece durante la división celular (mitosis o meiosis).

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

En los nucléolos se sintetiza el ARNr y además se ensamblan las subunidades ribosomales. Las proteínas ribosómicas sintetizadas en el citosol pasan al interior del núcleo y a nivel de lo nucléolos se unen a distintas moléculas de ARNr, dando origen a las subunidades que constituyen a los ribosomas.



Actividades 1. Si el núcleo de una célula tiene la mayor parte de su cromatina como eucromatina y un gran nucléolo, ¿qué podrías concluir de la actividad de esta célula y por qué? 2. Completación a. Un cromosoma con los dos brazos del mismo tamaño se llama ___________________.  b. La cromatina está constituida por ___________________ asociado a proteínas ___________________ . c. La síntesis de ARNr se realiza en el ___________________ . d. Las células somáticas tienen un juego ___________________ de cromosomas. 3. Verdadero o Falso. a. El cariotipo de una especie es constante. b. El NOR se ubica en la constricción primaria. c. Todas las células de un individuo son 2n. d. Los telómeros son los extremos de los cromosomas. e. En la especie humana la dotación cromosómica de un macho será 2n= 44 + xy. f. Los cromosomas y la cromatina son lo mismo. 4. Dibuja un cromosoma submetacéntrico, en metafase, e indica todas las estructuras que en él se distinguen.

3.6 Ciclo celular

Preuniversitarios

En el ciclo celular pueden distinguirse dos fases fundamentales: la interfase y la división celular (mitosis y meiosis). En este capítulo solo se revisará el proceso mitótico, pues el meiótico será analizado durante el capítulo de reproducción.

CPECH

Una característica de las células es su capacidad para reproducirse, dando origen a otras células. Toda célula puede hallarse multiplicándose o en reposo. Si la célula está dividiéndose, al terminar de hacerlo entrará en reposo por un tiempo variable, para luego dividirse otra vez. Este fenómeno de características cíclicas se conoce como ciclo celular. La duración y las características del ciclo celular son variables y dependen del tipo de célula y de las circunstancias en que se desarrolla.

59

capítulo

1

3.6.1 Interfase

In

`

se

G1 Período de crecimiento celular

fa

``

r te

``

Se dice que es el período de reposo reproductivo del ciclo celular, por el que pasan las células entre una mitosis y la siguiente. En él, las células tienen trabajando su batería enzimática en la producción de sustancias y en la realización de tareas específicas. Corresponde, entonces, al período en que las células desarrollan sus actividades. La interfase puede ser dividida en 3 etapas: G1, S, y G2. Es la etapa que implica un mayor tiempo de desarrollo comparada con la división celular.

S Período de duplicación de ADN

e

fase Telo fase e Ana fas eta M

M

ito s

Pr of

as

`````

lasma

División citop

G2 Período posterior a la duplicación del ADN; célula preparándose para la división celular

is

a. Etapa G1 Es una etapa de crecimiento celular. Al terminar la mitosis, la célula entra en G1, preparándose para la vida que se le antepone. La célula comienza a fabricar elementos e implementa mecanismos para desarrollar su vida útil (diferenciación o especialización). Así, por ejemplo, la célula intestinal sintetizará enzimas necesarias para la digestión intestinal. Esta etapa de intenso trabajo funcional tendrá una duración variable (horas, días, años), según sea la velocidad de recambio celular del tejido y el grado de diferenciación celular. Algunas células pueden salir del ciclo en este período hacia una etapa conocida como G0. Muchas de estas células alcanzan un grado de diferenciación máximo y ya no pueden volver al ciclo; su único destino es la muerte. Ej: las neuronas quedan en período Di (diferenciación irreversible).

CPECH

Preuniversitarios

Al final de esta etapa, los centríolos comienzan a separarse y a duplicarse.

60

b. Etapa S Las células que van a dividirse entran al período S, donde ocurre la replicación de su ADN (pero sin aumentar en el número de cromosomas). La cantidad de ADN de una célula se denomina con la letra c; una célula diploide tendrá un contenido de ADN igual a 2c, luego del período S (duplicación del ADN) el contenido será de 4c, de manera que durante la mitosis

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

las 2 células hijas quedan con un contenido de ADN de 2c. Durante este período también se sintetizan las proteínas nucleares (histonas y no histonas). La duración de esta etapa depende del contenido de ADN de la célula.

c. Etapa G2 En esta etapa se fabrican proteínas importantes para la división celular, como actina para el estrangulamiento de células animales e histonas para condensar el ADN. Una vez que la célula ha terminado de duplicar su material genético entra en la etapa G2 del ciclo celular. Aquí se producen los preparativos para la división celular: se completa la duplicación de los centríolos, la producción de precursores de huso mitótico, etc. La célula es indiferenciada a este nivel, aunque algunas poblaciones celulares permanecen un tiempo realizando funciones específicas fuera del ciclo (Go2). Pero bajo determinadas circunstancias, como, por ejemplo, cuando se daña un órgano del cuerpo, pueden reintegrarse al ciclo entrando en división, como las células hepáticas y las células óseas. Las células germinales salen del ciclo celular en esta fase, y no vuelven a reintegrarse puesto que siguen hacia un tipo muy especial de división denominada meiosis. En los tejidos, la división celular permite el crecimiento y reposición de elementos perdidos. Sin embargo, a veces una célula o un grupo de células comienza a multiplicarse rápida y descontroladamente, de modo que, en un lapso variable de tiempo, gran parte del tejido será indiferenciado (tienen G1 muy corto). Esto es el cáncer, en el que las células pierden su función (son indiferenciadas), invaden otros tejidos (metástasis), comprimen órganos vecinos, etc. El adecuado desarrollo de un organismo pluricelular no solo depende de la correcta regulación del ciclo y la división celular, sino también de la muerte programada de algunas células específicas, mecanismo denominado apoptosis. Los mecanismos que controlan el ciclo celular se encuentran alterados en ciertas células, como las tumorales. Esto provoca su proliferación descontrolada y puede dar lugar al desarrollo del cáncer.

3.6.2 División celular o mitosis La división celular es un fenómeno regular, a través del cual a partir de una célula progenitora se originan dos células hijas idénticas, conservándose el número cromosómico (2n) y el contenido de ADN (2c). La mitosis se refiere, principalmente, a la división del núcleo (cariocinesis), mientras que la división del citoplasma se denomina citodiéresis. La mitosis se puede dividir en 4 etapas: a. Profase La cromatina comienza a condensarse para constituir los cromosomas, desaparece el nucléolo. Los centríolos emiten fibras llamadas áster y comienzan a migrar a los polos formándose de esta manera el huso mitótico. Al final de la profase (prometafase) desaparece la envoltura nuclear, los cromosomas se acortan y engruesan y el huso mitótico se encuentra completamente formado.

Preuniversitarios

Se evidencian claramente los cromosomas, los cuales se ordenan en la línea media de la célula formando la placa ecuatorial metafase terminal. Las fibras del huso se insertan a nivel del centrómero, en una estructura llamada cinetocoro.

CPECH

b. Metafase

61

capítulo

1

c. Anafase

Mitosis: profase temprana

El centrómero de cada cromosoma se separa. Luego las 2 cromátidas se separan, siendo cada una atraída hacia polos opuestos. Las fibras del huso traccionan las cromátidas, produciéndose la migración de los cromosomas. d. Telofase

Mitosis: profase tardía

Mitosis: metafase

Al iniciarse la telofase, los cromosomas ya alcanzaron los polos opuestos y el huso comienza a dispersarse, se reorganiza la carioteca alrededor de los dos conjuntos de cromosomas, los cuales comienzan a descondensarse (constituyendo la cromatina interfásica de cada núcleo de las células hijas); en cada núcleo reaparecen los nucléolos. La citodiéresis o citocinesis habitualmente conocido como división del citoplasma acompaña a la mitosis (o división del núcleo). Se evidencia por un surco que aparece en la membrana plasmática, ubicado en un plano ecuatorial perpendicular al huso; este es generado por un anillo de microfilamentos unidos a la membrana. El surco se contrae hasta alcanzar un diámetro pequeño, estrangulando el citoplasma. Finalmente, las células hijas se separan, distribuyéndose el citoplasma y los organelos de modo más o menos equitativo. Algunas de las causas de la división celular son las siguientes:

Mitosis: anafase temprana

• Cuando la relación tamaño del núcleo-tamaño del citoplasma se desequilibra, la división celular restituye el equilibrio. • Sustancias producidas por células que han sufrido una lesión (necrohormona), inducen división de células próximas. • Algunas sustancias químicas como el nitrato de manganeso inducen división de algunos ciliados.

Mitosis: anafase tardía

La mitosis en las células vegetales es igual a la descrita para las células animales, excepto por 2 diferencias:

Mitosis: telofase tardía

CPECH

Preuniversitarios

• Las células vegetales no tienen centríolos y el huso mitótico se organiza a partir de los llamados centros amorfos de la célula (centro organizador nucleolar).

62

Citocinesis

• Durante la citocinesis se organiza un tabique celular en la región ecuatorial, el cual se forma de la siguiente manera: diversas vesículas, producidas por los complejos de Golgi, migran hacia el plano ecuatorial, donde se fusionan, formando una estructura plana limitada por una membrana y la placa celular. A medida que se agregan más vesículas, los bordes de la placa en crecimiento se fusionan con la membrana, de la célula, formándose una capa de polisacáridos entre las dos células hijas, completándose su separación. Cada nueva célula construye así su propia pared celular, depositando celulosa y otros polisacáridos sobre la superficie externa de la membrana celular.

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

Consecuencias de la mitosis: • Para organismos pluricelulares permite la reparación de tejido y el crecimiento. • Para organismos unicelulares eucarióticos, permite la reproducción, pero sin variabilidad.

3.6.3. Control del crecimiento y la reproducción celular Sabemos de la existencia de distintas poblaciones celulares. Hay aquellas que están en continua división como las células precursoras de células sanguíneas, capas germinales de la piel. Otras, como las del hígado o músculo liso, pueden no reproducirse durante años y otras pocas células, como las neuronas y músculo estriado, no se reproducen en toda la vida de una persona, salvo en el período fetal. Hay tejidos en los que la disminución del número de células hace que estas crezcan y se reproduzcan rápidamente hasta que su número sea el adecuado. Por ejemplo, se pueden extirpar siete octavos (87,5%) del hígado de ratón y las células del octavo restante crecerán y se dividirán hasta que la masa hepática vuelva a ser prácticamente normal. Lo mismo sucede con casi todas las células glandulares, de la médula ósea, del tejido subcutáneo, del epitelio intestinal y de casi cualquier tejido, a excepción de las células muy diferenciadas, como las nerviosas y las musculares. Los experimentos han demostrado al menos 3 métodos de control de crecimiento: 1º. Factores de crecimiento provenientes de otros lugares del organismo. Por ejemplo, factores de crecimiento epidérmicos. 2º. Inhibición por contacto: El crecimiento suele detenerse cuando el espacio disponible disminuye o se agota. 3º. Retroacción negativa: El crecimiento a menudo se detiene cuando se permite la acumulación de mínimas cantidades de sus propias secreciones.

3.6.4 Diferenciación celular El significado de la diferenciación celular está en que representa una modificación de las propiedades físicas y funcionales de las células a medida que proliferan en el embrión, para dar lugar a las diferentes estructuras corporales. La diferenciación es el resultado no de una pérdida de genes sino de una activación y/o represión selectiva de diferentes sistemas genéticos. La célula en sí conserva toda la información genética, lo que queda demostrado en el siguiente experimento: la implantación quirúrgica del núcleo de una célula de la mucosa intestinal de rana en un óvulo de rana del que se ha extraído el núcleo original suele conducir a la formación de una rana normal. Esto demuestra que incluso la célula de la mucosa intestinal, que es una célula bien diferenciada, contiene todavía toda la información genética necesaria para el desarrollo de todas las estructuras necesarias del cuerpo de la rana.

CPECH Preuniversitarios

63

capítulo

1

3.6.5 Regulación del ciclo celular En general, en todos los organismos es importante que las células se dividan solo cuando hayan alcanzado un tamaño suficiente, asegurando que las células hijas contengan todos los elementos necesarios para su supervivencia. Varios factores ambientales, incluyendo la falta de nutrientes o los cambios de temperatura o pH, pueden hacer que las células detengan su crecimiento y su división. En el caso de los multicelulares, el contacto con células contiguas puede tener el mismo efecto. Por otro lado, la coordinación del crecimiento en organismos pluricelulares depende de otras variables, como la presencia de hormonas, de factores de crecimiento y de la interacción célula-célula y célula-matriz extracelular.

En cierto momento del ciclo celular la célula “decide” si va a dividirse o no. Cuando las células normales cesan su crecimiento, por el efecto de diferentes factores, se detienen en un punto tardío de la fase G1. Este punto se conoce como punto R (restricción) del ciclo celular. Una vez que las células sobrepasan el punto R, están obligadas a seguir el resto de las fases del ciclo, y luego a dividirse. El sistema de control del ciclo celular está basado en dos proteínas claves, las ciclinas y las proteínas quinasas dependientes de ciclinas (Cdk), que responden a la integración de señales. Las proteínas Cdk, como todas las quinasas, actúan activando otras proteínas por fosforilación y se encuentran en todas las células eucariotas durante todo el ciclo celular. Las ciclinas son proteínas activadoras que se unen a las quinasas y regulan su actividad. El nivel de ciclinas varía a lo largo del ciclo, ya que su concentración aumenta en determinados momentos y disminuye por degradación, en otros. La unión de las Cdk con las ciclinas, su activación y separación constituyen un proceso cíclico que dirige la sucesión de la distintas etapas del ciclo celular. Existen varios tipos de ciclinas: las ciclinas de G1 y las ciclinas mitóticas. Las ciclinas de cada uno de estos tipos actúan en la fase correspondiente del ciclo celular.

CPECH

Preuniversitarios

La ciclina mitótica se acumula en forma gradual durante G1 y se une a la quinasa formando el complejo Cdkciclina, denominado también “factor promotor de la mitosis (FPM)”. Este complejo fosforila ciertas proteínas específicas, induciendo los cambios estructurales que conducen a la mitosis, tales como la condensación de los cromosomas, la organización del huso mitótico, entre otros. El complejo Cdk-ciclina es rápidamente inactivado durante la mitosis por degradación de la ciclina mitótica.

64

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

Conceptos fundamentales

1. Célula: Unidad estructural y funcional de todos los seres vivos. Corresponde a la unidad mínima capaz de expresar las características básicas de los seres vivos: reproducción, irritabilidad, metabolismo, crecimiento, etc. 2. Célula eucarionte: Tipo celular caracterizado por la presencia de un núcleo definido, producto de la mayor organización interna, determinada por la presencia de diferentes compartimientos membranosos. Corresponde a organismos animales, vegetales, hongos y protistas. 3. Célula procarionte: Tipo celular caracterizado por la ausencia de una región delimitada como núcleo y que no tiene una organización membranosa que le permita separar las distintas funciones celulares. Corresponde a organismos como las bacterias. 4. Meiosis: Forma de división celular caracterizada por la reducción de la cantidad de información genética a la mitad, con la consecuente formación de células haploides. Esta forma de división es característica de células germinales y aporta variabilidad genética por recombinación genética. 5. Membrana: Estructura celular que delimita a la célula. Participa de los procesos de transporte, transducción de señales y reconocimiento celular. 6. Mitosis: Proceso de división celular de tipo ecuacional, es decir, conserva la cantidad de información genética. Además, mantiene la calidad de la información genética, o sea, no presenta variabilidad genética. Es una forma de división propia de células somáticas. 7. Organelo: Estructura subcelular que cumple funciones específicas, por ejemplo, núcleo, retículo endoplasmático, lisosomas, etc. 8. Permeabilidad selectiva: Comportamiento que presenta la membrana celular con respecto al transporte de sustancias. Se basa en la propiedad de la membrana para presentar distintos comportamientos según la naturaleza de la sustancia a transportar y el estado de actividad de la célula. 9. Transporte activo: Forma de transporte a través de membrana que se realiza en contra del gradiente de concentración. Por lo tanto, gasta energía en forma de ATP. 10. Transporte pasivo: Forma de transporte a través de membrana que ocurre a favor del gradiente de concentración y, por tanto, no gasta energía.

CPECH Preuniversitarios

65

CO2 O2 C6H12O6 C5H10O5 NH3 Molécula

Ácido Nucleico

Proteínas Retículo endoplasmático

Ribosomas

Lípidos

Organelo

Aparato de Golgi

Polisacárido

Macromolécula

Célula

Tejido

Órgano

Bipartición

procariontes

Mitosis y/o meiosis

eucariontes

Reproducción

Homeostasis

Adaptación

Metabolismo

Crecimiento

Síntesis de contenidos

Sistema

El material genético (ADN)

contiene...

Núcleo

cumple funciones de...

Organelos

Preuniversitarios

Na K Fe Cl O C Átomo

Citoesqueleto

Citoplasma

Células Eucariontes

capítulo

Membrana celular

Células Procariontes

Membrana celular

Citosol

Se organizan en...

presentan...

la misma organización o modelo

Se organizan en... Citoplasma contiene...

Ribosomas y el material genético (ADN)

vMicrofilamentos vFilamentos intermedios vMicrotúbulos funciones de...

Sistemas de endomembrana: vRetículo endoplasmático vAparato de Golgi vLisosomas vMitocondrias vPeroxisomas vVacuolas vCloroplastos vRibosomas

66

funciones de... vTransporte vReconocimiento celular vAdhesión celular vRecepción de señales

vForma celular vMovimiento vContracción muscular vDivisión Celular

CPECH

1

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

Ejercicios Ejercicios resueltos 1. Respecto a la membrana plasmática, es correcto afirmar que I) está constituida por una bicapa lipídica. II) hay proteínas insertas en ella. III) es selectiva al paso de substancias. A) B) C) D) E)

Solo l Solo ll Solo l y ll Solo ll y lll l, ll y lll

Correcta: E Habilidad: Reconocimiento Defensa: El modelo de mosaico fluido plantea que la base de la membrana está constituida por una bicapa lipídica, en la cual se insertan distintos componentes, tales como las proteínas, de disposición integral o periférica. Del punto de vista del comportamiento que tiene la membrana es selectiva al paso de sustancias, ya que sustancias de gran tamaño son filtradas, no pudiendo atravesar la membrana.

3.

La importancia de la aparición de los cromosomas en la división celular es I) favorecer la formación de proteínas específicas de la mitosis. II) permitir una repartición equitativa del material genético. III) generar las condiciones para la división celular. Es (son) correcta(s) A) B) C) D) E)

solo l. solo ll. solo lll. solo l y ll. l, ll y lll.

Correcta: B Habilidad: Comprensión Defensa: Los cromosomas corresponden al estado compactado del material genético, por lo tanto no pueden llevar a cabo ninguna de las funciones propias del ADN, como por ejemplo la replicación, la transcripción. Este estado de cromosoma tiene como fin permitir la repartición equitativa del material genético durante la división celular.

2. La glucosa, ayudada por una proteína, se incorpora a las células a favor de su gradiente de concentración, por tanto, no requiere de una fuente adicional de energía; este mecanismo se llama

Preuniversitarios

Correcta: C Habilidad: Reconocimiento Defensa: De acuerdo al enunciado de la pregunta el transporte se produce a favor del gradiente de concentración y con ello se trata de un mecanismo de difusión, es decir transporte pasivo.

CPECH

A) endocitosis. B) diálisis. C) difusión. D) pinocitosis. E) osmosis.

67

capítulo

1

Ejercicios

4.

El siguiente gráfico muestra el transporte de un ión (Na+) y como es afectado por un inhibidor de la síntesis de ATP.

5.

A una célula en etapa G2 se le aplica una droga que inhibe específicamente la replicación de su ADN. ¿Cuál de los siguientes gráficos representa los efectos de tal situación?

Administración de ATP al medio extracelular

1

2

Administración de ATP al medio intracelular

3

B)

4

Cantidad de ADN

A)

Flujo de salida de Na

Cantidad de ADN

Administración inhibidor síntesis de ATP

4c 2c c

CPECH 68

Correcta: E Habilidad: ASE (Análisis, síntesis y evaluación) Defensa: El sodio se transporta activamente, ya que al inyectar el veneno metabólico el flujo de sodio se interrumpe. Este veneno tiene efecto sobre la síntesis de ATP. Antes de la segunda hora, cuando se inyecta el ATP extracelularmente el flujo de sodio no se repone, en cambio cuando se administra en el medio intracelular el flujo se repone. El transporte en contra de gradiente de concentración lo realizan siempre bombas, que son proteínas de membrana.

D)

E)

Cantidad de ADN Cantidad de ADN

Solo I Solo II Solo III Solo I y II Solo I y III

Cantidad de ADN

Preuniversitarios

A) B) C) D) E)

C)

M

G1

G2

M

G1

G2

M

G1

G2

M

G1

G2

M

G1

4c 2c c

Respecto al gráfico es correcto afirmar que I) el sodio se transporta activamente. II) la inyección extracelular de ATP repone el transporte de sodio. III) la proteína transportadora involucrada utiliza ATP intracelularmente

G2

4c 2c c

4c 2c c

4c 2c c

Correcta: B Habilidad: Aplicación Defensa: Si la sustancia se aplica en G2 la duplicación del ADN ya ha ocurrido, por tanto no tiene efecto sobre ella y proseguirá el ciclo celular normalmente. En mitosis se produce la disminución del número de cadenas de ADN a 2c que es lo que se encuentra en G1.

Capítulo 1

Organización, estructura y actividad celular

Ejercicios

Ejercicios propuestos

3.

Se realizó la siguiente experiencia: núcleo

1. ¿Cuál(es) de las siguientes es (son) una propiedad(es) emergente(s) de las mitocondrias?



1ª mitosis

I) Fosforilación oxidativa. II) Reacciones catabólicas. III) Metabolismo. A) B) C) D) E)

2.

I) Crecimiento. II) Reproducción. III) Reparación de tejidos. Solo I Solo II Solo III Solo I y III I, II y III

Transplante a útero de rata negra

la

mitosis

en

Transplante a útero de rata pintada

De acuerdo a la experiencia realizada, ¿qué descendencia cabría esperar para la rata negra y pintada respectivamente? A) B) C) D) E)

Rata negra – rata pintada Rata negra – rata blanca Rata blanca – rata blanca Rata blanca – rata pintada Rata negra – rata negra

CPECH

A) B) C) D) E)

Separación de células embrionarias

Solo I Solo II Solo III Solo I y II I, II y III

¿Qué función(es) cumple organismos multicelulares?

Célula huevo de una rata blanca (albina)

Preuniversitarios

69

capítulo

1

4.

Ejercicios

La siguiente figura representa una etapa de la mitosis, de acuerdo a ella, ¿qué deberá ocurrir inmediatamente a continuación de ésta?

5.

Del ciclo celular se puede aseverar que I) sus etapas son G1 - S - G2 y M. II) su realización es en el interior del núcleo. III) en el período S hay duplicación del material hereditario. A) B) C) D) E)

Solo l Solo II Solo III Solo I y III l, ll y lll

I) Regeneración de la membrana nuclear. II) Separación de cromátidas hermanas. III) Migración de cromátidas a polos opuestos de la célula. Es (son) correcta(s) A) B) C) D) E)

solo I. solo II. solo III. solo I y III. solo II y III.

Aplicación

E

Aplicación

C

3

Comprensión

D

2

Comprensión

A

1

Alternativa

Número

Habilidad

CPECH

Reconocimiento

D

4

70

5

Preuniversitarios

Respuestas correctas

Capítulo 2

Reproducción y Desarrollo Aprendizajes Esperados Describir los procesos de reproducción asexuada y sexuada. Explicar cada etapa de la meiosis, sus implicancias biológicas y su importancia en la gametogénesis. Conocer la espermatogénesis y ovogénesis. Diferenciar los procesos de espermatogénesis y ovogénesis. Describir el proceso de fecundación. Comprender el funcionamiento del aparato reproductor masculino y femenino. Describir y comprender el desarrollo embrionario. Describir y explicar los cambios hormonales que se presentan durante el parto. Describir los cambios hormonales que desencadenan la producción y secreción de leche materna. Conocer y analizar el efecto de los principales métodos hormonales utilizados en el control de la fertilidad en la mujer. Comprender el funcionamiento de los principales métodos hormonales utilizados en la promoción de la fertilidad en la mujer.

La vida comenzó hace más de 3.000 millones de años y desde entonces se transmitió de organismo a organismo, generación tras generación, hasta el presente, y se proyecta hacia el futuro, más allá de lo que la mente humana puede avizorar.

capítulo

2

Reproducción y desarrollo

Introducción En este capítulo consideraremos el proceso por el cual se producen nuevos individuos que mantienen la continuidad de la especie. Este proceso que da origen a nuevos seres vivos se conoce como reproducción. La reproducción es una característica esencial de los seres vivos la cual permite la transmisión de la información genética de una generación a otra perpetuando así la especie. En los descendientes, esta información se expresa en forma ordenada y secuencial, traduciéndose en estructuras y funciones específicas, proceso denominado desarrollo. La reproducción puede ser de dos tipos: asexuada y sexuada. Estos dos tipos de reproducción tienen diferencias fundamentales. En la reproducción asexuada, el progenitor transmite a la descendencia la misma información genética que él tiene. Los hijos son genéticamente idénticos a los padres (constituyen clones), por lo que no presentan variabilidad genética. La única variación posible es por medio de mutaciones. Esta desventaja debido a la falta de variabilidad, vuelve a todos los individuos muy susceptibles a los cambios ambientales. Sin embargo, este tipo de reproducción presenta una ventaja biológica, ya que ocurre con gran economía y en gran cantidad. En la reproducción sexuada, todos los descendientes de un par de progenitores son genéticamente diferentes puesto que se fusionan dos células (gametos), cada una con una información genética distinta. En este tipo de reproducción hay un notable aumento de la variabilidad génica. La reproducción sexual involucra la formación de gametos mediante un tipo de división celular llamada meiosis; gracias a este mecanismo de división, los gametos resultantes son haploides (n). De esta manera, al fusionarse (fecundación) se produce una célula con el número cromosómico de la especie (diploide, 2n) llamada cigoto, la cual comienza a dividirse y a desarrollarse hasta constituir un nuevo individuo, proceso conocido como desarrollo.

1. Reproducción asexuada Involucra a un solo progenitor, del cual se originan seres idénticos a él. Es muy frecuente en organismos unicelulares. También está presente en organismos multicelulares, principalmente en vegetales. La reproducción asexual es más rápida en el tiempo, es decir, originándose un gran número de organismos en corto tiempo. Existen diferentes tipos de reproducción asexuada:

CPECH

Preuniversitarios

1.1 Fisión o bipartición

72

Mecanismo reproductivo frecuente en unicelulares. La célula progenitora se divide en dos, mediante una simple división celular. Cada célula hija tiene la mitad del tamaño de la progenitora (luego crecen hasta alcanzar el tamaño normal). Este tipo de reproducción es común en procariontes y protozoos (tripanosoma, euglena, ameba, etc.). Ameba

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

1.2 Yemación Proceso reproductivo en el cual la célula madre o progenitora divide su núcleo, dando origen a dos células hijas de diferente tamaño. Sobre la célula madre se forma una protuberancia o yema, que comienza a crecer aumentando la masa citoplasmática y finalmente se separa, transformándose en un organismo autónomo de menor tamaño. Ejemplo: levaduras (hongo unicelular). La yemación también está presente en organismos pluricelulares inferiores, como la Hydra de agua dulce; en ella aparece un pequeño brote o yema en su superficie externa, que después de un período variable de tiempo se desprende. En algunos organismos las yemas no se desprenden de las células progenitoras y pasan a constituir colonias.

1.3 Esporulación o escisión múltiple Consiste en una serie de mitosis sucesivas que llevan a la formación de numerosos núcleos dentro de la célula progenitora. En un momento dado cada uno de estos núcleos se rodea de fragmentos de citoplasma y de membrana, originándose un gran número de células muy pequeñas llamadas esporas. Al ser depositadas en, el ambiente pueden mantenerse en un estado de vida latente, hasta que las condiciones son favorables para permitir su desarrollo. Este tipo de reproducción es típico de hongos así como también en algunos protozoos, como el Plasmodium malariae (que transmite la malaria o fiebre amarilla).

1.4 Fragmentación Es una forma de reproducción asexual presente en muchos vegetales y en algunos animales pluricelulares, en el cual cada fragmento del organismo, al presentar el rompimiento de su estructura, tendrá la capacidad de regenerar al individuo completo. Algunos organismos que presentan este tipo de reproducción son, por ejemplo, las planarias y las famosas “patillas” de claveles, rosas, hortensias, etc.

Actividades 1. Define con sus propias palabras el término reproducción. 2. ¿Cuáles son las diferencias fundamentales entre reproducción sexuada y asexuada? 3. Explica y menciona un ejemplo de los siguientes mecanismos de reproducción asexuada: a. Bipartición b. Yemación c. Esporulación d. Fisión binaria

CPECH

4. Explica con tus propias palabras el significado de la reproducción en una especie determinada.

Preuniversitarios

73

capítulo

2

2. Reproducción sexuada Sabías que... El seudohermafroditismo masculino y femenino consiste en la ambigüedad del fenotipo genital y en la discordancia entre el sexo gonadal y el genital. Los individuos XY con testículos normales pueden segregar cantidades inadecuadas de testosterona y presentarán características parcialmente masculinas y parcialmente femeninas. Por ejemplo, escroto normal, pero pene incompletamente fusionado. Puede ser más grave si no se desarrollan los conductos de Wolf y presentan genitales externos totalmente femeninos.

CPECH

Preuniversitarios

Un individuo XX con ovarios normales si está expuesto a niveles altos de andrógenos presentes en la circulación materna, presentará grados variables de masculinización de sus genitales externos. Así, el clítoris puede adquirir, el tamaño de un pene, y los labios mayores podrían estar fusionados parcialmente.

74

La presencia del cromosoma X extra en un individuo XXY no altera el patrón externo masculino normal, pero anula prácticamente la espermatogénesis en la pubertad y disminuye (algo) la síntesis de testosterona.

La reproducción sexuada involucra la presencia de 2 sexos diferentes, machos y hembras, y de un mecanismo especial de reproducción celular conocido como meiosis. En organismos superiores, este tipo de reproducción involucra la formación de gametos en órganos especializados llamados gónadas. Existe además un aparato reproductor que permite que estos gametos se encuentren y ocurra la fecundación.

2.1 Diferenciación sexual La diferenciación sexual incluye el desarrollo de gónadas, conducto genital interno y genitales externos. Durante las 5 primeras semanas de gestación, sin embargo, las gónadas de varones y hembras son indistinguibles y sus tractos genitales aún no están formados. Entre este estado de gónada indiferenciada y el individuo completo normal de cada sexo, se extiende el proceso de diferenciación sexual. Sexo genético y sexo gonadal La masculinidad viene determinada de modo positivo y dominante por la presencia del cromosoma Y. Sin el cromosoma Y, es imposible el desarrollo testicular y la masculinización de los tractos genitales y de los genitales externos. El cromosoma Y posee el factor determinante del testículo, este factor también se llama “Gen SRY”, cuya función es la diferenciación testicular, permitir que un grupo importante de células germinales comiencen a fabricar la gónada masculina. Este cromosoma también posee el gen que codifica el antígeno H-Y que se encarga de virilizar la gónada indiferenciada. El cromosoma Y es necesario, pero no suficiente por sí solo para la masculinidad. En el cromosoma X se ubica el gen para los receptores de andrógenos (testosterona) que permite la acción de la testosterona sobre los genitales externos. La feminidad viene determinada positivamente por la presencia del cromosoma X, pero también por la ausencia del cromosoma Y. Para la diferenciación femenina basta un solo cromosoma X que dirija la diferenciación sexual. La presencia de gónadas masculinas o femeninas, es decir, testículos u ovarios, define el sexo gonadal. La diferenciación de testículo comienza hacia la 6ª semana de gestación, mientras que la del ovario no lo hace sino hasta la 9ª . Los testículos constan de tres tipos de células: células germinales que producen espermatogonias, células de Sertoli que sintetizan la hormona antimulleriana y células de Leydig que sintetizan testosterona.

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

Los ovarios también poseen tres tipos celulares: células germinales que producen ovogonios, las células tecales y células de la granulosa que sintetizan estradiol.

2.2 Sexo fenotípico Se refiere a las características físicas del conducto genital interno y los genitales externos. En el hombre, el conducto interno incluye próstata, vesículas seminales, conducto deferente y epidídimo. Los genitales externos corresponden al escroto y el pene. En las mujeres los genitales internos son las trompas de Falopio, el útero y el tercio superior de la vagina. Los genitales externos son el clítoris, los labios mayores, los labios menores y los dos tercios inferiores de la vagina. La testosterona estimula la diferenciación de los conductos de Wolff para dar origen al epidídimo, conducto deferente, vesículas seminales y conductos eyaculadores. Los conductos de Wolff son cordones celulares que durante el desarrollo embrionario darán origen a los genitales internos masculinos. Por otra parte, la hormona antimulleriana sintetizada por las células de Sertoli causa la atrofia de los conductos de Müller, que serían los responsables de la formación de los conductos genitales internos femeninos. En ausencia de estas hormonas, testosterona y antimulleriana, se produce la diferenciación femenina.

Desarrollo de órganos internos del aparato reproductor masculino A la 7 semanas de desarrollo embrionario aparece un sistema de conductos indiferenciados

En presencia de cromosoma Y

En ausencia de cromosoma Y

Conducto de Müller

Conducto de Wolf

Testículos

Ovarios

Vagina

Testículo

Preuniversitarios

Pene

CPECH

Útero Ovario

75

capítulo

2

3. Meiosis Sabías que... • En una mujer el diplonema es extraordinariamente largo, puesto que la ovogénesis comienza durante la etapa uterina, quedando detenidos los ovocitos I en esta fase como mínimo, hasta la pubertad.

Crossing - Over Homólogo paterno

Centrómero Cromátidas hermanas Homólogo materno

Par de homólogos

Fibras cinetocóricas

Cinetocoro

Quiasma

Quiasma

La meiosis garantiza que las cuatro células haploides sean genéticamente diferentes entre sí y respecto de la célula progenitora, gracias a dos sucesos que ocurren durante esta división: a. Recombinación génica

Centrómero

Cromátidas hermanas

La meiosis es un tipo de división nuclear y celular que ocurre solamente en las células germinales. Se caracteriza por una duplicación de ADN (período S) y dos divisiones celulares consecutivas. Como resultado aparecen 4 células hijas con la mitad del número cromosómico de la especie, células haploides (n). Este proceso permite que los gametos sean haploides, de manera que cuando se fusionen en la fecundación originen un cigoto diploide (2n) con el número cromosómico típico de la especie.

Durante la primera profase meiótica hay intercambio de ADN entre cromosomas homólogos, lo que se conoce como “crossing-over”, que asegura la recombinación de genes. Este consiste en el intercambio de uno o más segmentos entre los cromosomas homólogos, en forma específica y precisa. En los puntos donde hay entrecruzamiento, un fragmento de cromátida de un homólogo se rompe y se intercambia por un fragmento de cromátida del otro homólogo. Las zonas de ruptura se reparan y, como resultado, las cromátidas hermanas de cada cromosoma homólogo dejan de ser genéticamente idénticas. Por lo tanto, el crossing over es un mecanismo crucial que permite la recombinación del material genético de los progenitores.

b. Separación de los cromosomas al azar Los cromosomas migran hacia los polos. Esta migración es completamente al azar, lo que asegura que todas las células hijas tengan diferente constitución genética o combinación cromosómica (permutación cromosómica).

Tétrada

CPECH

Preuniversitarios

3.1 Etapas de la meiosis

76

La meiosis consiste en dos divisiones nucleares sucesivas, designadas convencionalmente como meiosis I y meiosis II. De la misma manera que en la interfase mitótica, durante la interfase que precede a la meiosis los cromosomas se replican, por lo que al comienzo de la meiosis cada cromosoma está formado por dos cromátidas hermanas idénticas, unidas por el centrómero. a. Primera división meiótica: Meiosis I o reduccional La primera de las dos divisiones nucleares de la meiosis se desarrolla a través de las etapas de profase, metafase, anafase y telofase (a todas ellas se las designa con I para indicar que son subetapas de la meiosis).

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

• Profase I: Es la etapa más larga de la meiosis y se divide en 5 subetapas. - Leptonema: Los cromosomas se presentan laxos (se ven como largos filamentos), con estructuras esféricas dispuestas regularmente a lo largo de todos los cromosomas que se denominan cromómeros, lo que corresponde a empaquetamientos de la fibra de cromatina.

centrómero

nucleólo

- Cigonema: Durante esta etapa los cromosomas homólogos se aparean a todo lo largo, gracias al reconocimiento específico y punto por punto (cromómero a cromómero), a través de un proceso conocido como sinapsis. La sinapsis comprende la formación de una estructura proteica denominada complejo sinaptonémico. De esta manera cada par de cromosomas apareados recibe el nombre de bivalente o tétrada (cuatro cromátidas). Los telómeros de los cromosomas permanecen asociados a la carioteca. - Paquinema: Durante esta etapa, luego de la sinapsis, se produce el intercambio de segmentos entre cromosomas homólogos, conocido como entrecruzamiento o crossing-over, o recombinación genética. - Diplonema: Los cromosomas están más condensados y comienzan a separarse los homólogos, pero permanecen unidos en los lugares donde hubo recombinación. Estos puntos se llaman quiasmas. El quiasma corresponde a la evidencia citológica de que ocurrió el crossing-over (proceso a nivel molecular). El número de quiasmas es variable, ya que pueden aparecer pares de cromosomas homólogos con un solo quiasma y otros con varios. Otro evento que ocurre en esta etapa es la migración de los centríolos hacia los polos de la célula. - Diacinesis: Los cromosomas se condensan al máximo y los quiasmas se hacen terminales manteniendo unidos a los homólogos. Desaparece la carioteca, los centríolos llegan a los polos, aparece el áster y comienza a formarse el huso mitótico.

Preuniversitarios

• Anafase I: Durante esta etapa, cada miembro del par de cromosomas homólogos migra al polo opuesto, determinado por la distribución al azar de la metafase I. Por lo tanto, se produce la separación de los cromosomas homólogos. Sin embargo, las dos cromátidas hermanas de cada homólogo no se separan como ocurre en la mitosis, sino que permanecen juntas.

CPECH

• Metafase I: En esta etapa se forma el huso a lo largo de la célula y los bivalentes se ubican en el plano ecuatorial. La disposición de los cromosomas es diferente a la de la mitosis, ya que los homólogos se disponen a ambos lados del ecuador de la célula, no como en la metafase mitótica que están todos los cromosomas alineados sobre el ecuador. Las distintas combinaciones de los cromosomas homólogos en el ecuador de la célula se denominan permutación cromosómica y contribuye a generar nuevas combinaciones cromosómicas.

77

capítulo

2

• Telofase I: En esta etapa los grupos cromosómicos haploides llegan a sus respectivos polos y en torno a ellos no reaparece la carioteca al final de la meiosis I, pues es un gasto energético el hecho de que la célula la recontruya al final de esta etapa y después al principio de la meiosis II la vuelva a destruir. Ello implica un gasto energético para la célula.

La telofase es seguida de la citodiéresis (que, recordemos, es un estrangulamiento de la célula por su porción media en donde interviene el citoesqueleto a través de los filamentos de actina), originándose 2 células hijas con n cromosomas y contenido 2c de ADN. En esta primera división meiótica se ha reducido el número cromosómico y no el número de cadenas de ADN, lo cual ocurrirá en la segunda división meiótica. Entre la primera y la segunda división meiótica hay una corta intercinesis, sin un período S (no se duplica el ADN), y en algunos casos las dos células hijas pueden permanecer unidas. Meiosis I Profase I

Metafase I

Anafase I

Telofase I

b. Segunda división meiótica: Meiosis II o ecuacional Esta etapa se denomina ecuacional debido a que se reparten las dos cromátidas hermanas recombinadas en las células hijas. Esta etapa es más parecida a la mitosis. • Profase II: Es similar a la profase mitótica. Los centríolos migran hacia los polos y se comienza a formar el huso mitótico. • Metafase II: Los cromosomas se ubican en el plano ecuatorial y están en su máxima condensación. En este caso los cromosomas están alineados sobre el ecuador de la célula, tal como ocurre en la mitosis.

CPECH

Preuniversitarios

• Anafase II: Se divide el centrómero y cada cromátida hermana migra hacia un polo opuesto de la célula.

78

• Telofase II: Se reconstituyen los núcleos de las células hijas. Se descondensa el ADN, desaparece el huso meiótico y al final se rearman los nucleólos pues reaparece la carioteca. Después sobreviene una citodiéresis, dando origen a 4 células hijas con n cromosomas cada una (haploides) y un contenido c de ADN (se ha producido la reducción del material hereditario).

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

Meiosis II

(No existe replicación de ADN entre las divisiones)

Profase II

Metafase II

Anafase II

Telofase II

En algunos casos, accidentalmente la segregación o separación de los cromosomas homólogos puede fallar, de manera que los dos homólogos de uno o más pares no se separan y pasan juntos a una de las células hijas; este fenómeno se conoce como no disyunción cromosómica y puede ocurrir tanto en la primera como en la segunda anafase. Como consecuencia, unos gametos contendrán cromosomas de más y otros de menos. Si uno de ellos participa en la fecundación, las células somáticas del nuevo individuo contendrán un número anormal de cromosomas. Estos cuadros llevan a aberraciones o mutaciones cromosómicas numéricas, como, por ejemplo, el Síndrome de Down; En esta enfermedad el individuo presenta células somáticas con 47 cromosomas, ya que existen tres versiones del cromosoma 21 en lugar de dos (trisomía del par 21).

3.2 Consecuencias genéticas de la meiosis Como ya vimos, los procesos más importantes de la meiosis son la reducción del número de cromosomas a la mitad, la recombinación genética y la segregación de los cromosomas paternos y maternos. Así, desde un punto de vista genético, la meiosis asegura la constancia del número específico de cromosomas de la especie, además de generar variabilidad en la descendencia, gracias a los mecanismos de crossing over y permutación cromosómica. Meiosis I

Meiosis II

CPECH

célula diploide

Preuniversitarios

Replicación del ADN

Apareamiento de los cromosomas homólogos

Cuatro células haploides

79

capítulo

2

4. Gametogénesis Corresponde al proceso de formación de gametos, el cual tiene lugar en las gónadas. Los testículos en el caso del varón y en los ovarios en el caso de la mujer. En este proceso se distinguen 3 etapas:

a. Etapa de proliferación Corresponde a la división o multiplicación de las células germinales (primordiales) y los gonios. Las células primordiales (que darán origen a los gametos) se ubican tempranamente, durante el período intrauterino, en la gónada. Estas células son diploides y durante esta etapa se dividen por sucesivas mitosis, dando origen a numerosas células más pequeñas llamadas gonios (ovogonios y espermatogonios).

b. Etapa de crecimiento Los gonios son células muy pequeñas y con pocas reservas nutricias, por lo que son capaces de entrar en una etapa de crecimiento que los transforma en citos primarios (espermatocito I y ovocito I).

c. Etapa de maduración Durante esta etapa se lleva a cabo la meiosis. Como producto de la primera división se obtienen los citos secundarios (espermatocitos II y ovocitos II), luego sobreviene la segunda división meiótica originándose las células haploides, que en los machos son las espermátidas y en las hembras los ovocitos II. En el caso de la espermatogénesis, las espermátidas aún tienen que sufrir una cuarta etapa de diferenciación para convertirse en espermatozoides: la espermiohistogénesis. Lo explicado en líneas anteriores se cumple en general para ambos sexos, pero hay una serie de diferencias entre la espermatogénesis y ovogénesis, que serán tratadas a continuación.

5. Ovogénesis 5.1 Características generales

CPECH

Preuniversitarios

Las células germinativas masculinas y femeninas son descendientes directos de las células germinativas primordiales, que en los embriones humanos aparecen en la pared del saco vitelino (anexo embrionario) hacia el final de la tercera semana de desarrollo. Estas células migran por movimientos ameboideos desde el saco vitelino a las gónadas en desarrollo, a las cuales llegan hacia el final de la cuarta o comienzo de la quinta semana.

80

En la mujer, la etapa de proliferación ocurre antes del nacimiento, aproximadamente al tercer mes. En este período las células germinales experimentan varias divisiones mitóticas que dan origen a los ovogonios. Durante las semanas siguientes, el número de ovogonios se multiplica rápidamente alcanzando al quinto mes aproximadamente 7 millones. Muchos de estos posteriormente degenerarán y se volverán atrésicos en degeneración. Hacia el final del tercer mes, los ovogonios se disponen en cúmulos rodeados de células epiteliales planas. La mayoría de estas células crecen y se diferencian en ovocitos primarios, que luego de duplicar su ADN entran en profase de la primera división meiótica. Estos ovocitos I, rodeados por una capa de células epiteliales planas, se denominan folículos primordiales.

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

En el momento de nacer, la niña ya ha formado un stock de ovocitos I que le durará para toda la vida (2 millones aproximadamente). De aquí en adelante el número de ovocitos no aumentará más, sino que irá bajando hasta llegar a la pubertad con aproximadamente 300.000 a 400.000 ovocitos, por un proceso de degeneración llamado atresia folicular. Estos ovocitos primarios permanecen en profase hasta que la hembra madura sexualmente, debido a una sustancia inhibidora del ovocito secretada por las células foliculares (epitelio del folículo). En la pubertad, bajo la influencia hormonal, se reanuda la primera división meiótica de un ovocito I obteniéndose una célula grande, conocida como ovocito secundario (ovocito II) y una célula pequeña denominada cuerpo o corpúsculo polar. La primera división meiótica se completa en el momento de la ovulación (liberación del ovocito desde el ovario). De inmediato, el ovocito II comienza la segunda división meiótica para quedar nuevamente detenido en la metafase II, la cual solo podrá completarse en el momento de la fecundación, con la obtención del cigoto y la expulsión del segundo cuerpo polar. Por esta razón, una vez que es fecundado pasa a denominarse cigoto, desde la reacción acrosómica en adelante. Por ende, no existe un periodo de tiempo en que pueda esto denominarse óvulo. La etapa de diferenciación de ovocitos a óvulo es inexistente en la especie humana.

Si el ovocito II no es fecundado, muere y sus restos son reabsorbidos. De los 2 millones de ovocitos primarios originales, con los que nace una mujer, quedarán aproximadamente 400.000 en el comienzo de la pubertad, debido a que muchos ovocitos se reabsorben. De estos, solo 300 a 400 alcanzan la madurez, por lo general uno por vez, aproximadamente cada 28 días desde la pubertad hasta la menopausia, que ocurre alrededor de los 50 años.

CPECH Es una célula grande, cuyo citoplasma contiene gránulos de vitelo (una mezcla heterogénea de lípidos y proteínas), excepto en la especie humana. La distribución de este vitelo varía de una especie a otra y determina el tipo de segmentación, es decir, la forma en la cual el huevo dividirá sus células y cómo las distribuirá al comenzar el desarrollo. En el caso del ovocito II humano casi no existe vitelo, debido a que la nutrición del embrión depende de los anexos embrionarios.

Preuniversitarios

5.2 Ovocito II recién ovulado

81

capítulo

2

El ovocito II presenta un número haploide de cromosomas (n) y no tiene movilidad propia. En el ovocito II (conocido popularmente como óvulo humano), existe una capa llamada zona pelúcida que corresponde a un material amorfo secretado por las células foliculares y el ovocito II, que químicamente corresponde a glicoproteínas. La función que cumple la zona pelúcida es evitar la poliespermia. Por fuera de la zona pelúcida, encontramos la corona radiada, que es un conjunto de células foliculares que se desprenden junto con el ovocito durante la ovulación. corona radiada

zona pelúcida

pronúcleo femenino

gránulos corticales

6. Espermatogénesis La espermatogénesis se diferencia de la ovogénesis en que no empieza en la vida fetal sino en la pubertad. Además, la proliferación es continua y se mantiene hasta los 50-60 años, cuando empieza a disminuir. El número de espermatogonios es, por lo tanto, mucho mayor (pueden ser hasta unos 400 millones). Este proceso ocurre al interior de los túbulos seminíferos, es un proceso centrípeto (de la pared hacia el centro del tubo) y es coadyuvado por las células de Sertoli.

CPECH

Preuniversitarios

La etapa de crecimiento no es tan importante como en la ovogénesis, puesto que el espermatozoide es una célula pequeña, sin mayor función nutritiva, ya que su característica es la movilidad.

82

El hombre llega a la pubertad con espermatogonios diploides que aún no han comenzado la meiosis. Estas células se dividen por mitosis (proliferación). Algunas de estas células permanecen indiferenciadas, mientras que otras, en el transcurso de sus sucesivas divisiones mitóticas, comienzan a diferenciarse para originar los espermatocitos primarios o I, que rápidamente

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

experimentan la primera división meiótica y producen los espermatocitos secundarios (cada uno de los cuales contiene 22 cromosomas autosómicos y un cromosoma X o un cromosoma Y). Los espermatocitos II experimentan la segunda división meiótica, produciendo cuatro células haploides conocidas como espermátidas. Estas deberán cumplir una etapa de diferenciación (denominada espermiohistogénesis) para transformarse finalmente en espermatozoide.

6.1 Espermiohistogénesis En este proceso las espermátidas haploides sufren una serie de transformaciones que las convierten en espermatozoides (células altamente especializadas). Los cambios que experimentan las espermátidas son: • • • • •

Formación del acrosoma, a partir del Aparato de Golgi. Formación del flagelo o cola a partir de un centríolo. Ubicación de las mitocondrias en la base del flagelo. Absorción del citoplasma, de modo que los espermios quedan de un tamaño muy pequeño. Condensación de la cromatina.

El proceso de diferenciación de una espermatogonia en cuatro espermatozoides tarda aproximadamente 74 días. Durante este tiempo, las células en desarrollo reciben alimentos de las células de Sertoli.

a. Cabeza

Preuniversitarios

Constituida por el núcleo espermático con una delgada capa de citoplasma que lo rodea. En el extremo anterior existe un casquete o capuchón llamado acrosoma, el cual está lleno de enzimas hidrolíticas, como hialuronidasa y acrosina, que favorecen la penetración ovular.

CPECH

Los eventos antes mencionados están sujetos a un estricto control hormonal que se analizará más adelante. El espermatozoide es una célula pequeña, muy móvil y con muy poco citoplasma. Se puede dividir en 3 partes:

83

capítulo

2

b.Segmento intermedio Del extremo posterior de la cabeza nace una prolongación citoplasmática que contiene un centríolo y gran cantidad de mitocondrias. Éstas proveen energía para el desplazamiento del espermatozoide a través del tracto genital femenino, en su trayecto hacia el ovocito II.

c.Flagelo Es una prolongación muy delgada que nace del segmento intermedio. Su estructura está formada por microtúbulos. Con un patrón estructural 9 + 2, propio de cilios y flagelos.

Actividades 1. Completa el siguiente cuadro, estableciendo las diferencias entre meiosis y mitosis. Criterios

Meiosis

Mitosis

2. Esquematiza las etapas de la gametogénesis (ovogénesis y espermatogénesis), considerando tanto a los cromosomas autosómicos como a los sexuales 3. Indica las principales características de Espermatozoides y Ovocitos II.

CPECH

Preuniversitarios

7. Hormona

84

Las hormonas son sustancias segregadas por células especializadas, localizadas en glándulas de secreción interna o glándulas endocrinas (carentes de conductos), o también por células epiteliales e intersticiales con el fin de modificar la función de otras células. Hay hormonas animales y hormonas vegetales. Las hormonas animales son transportadas por vía sanguínea o por el espacio intersticial, solas (biodisponibles) o asociadas a ciertas proteínas (que extienden su vida media al protegerlas de la degradación) y producen su efecto en determinados órganos o tejidos diana o blanco a distancia de donde se sintetizaron, interviniendo en la comunicación celular. Existen hormonas naturales y hormonas sintéticas. Unas y otras se emplean como medicamentos en ciertos trastornos, por lo general, aunque no únicamente, cuando es necesario compensar su falta o aumentar sus niveles si son menores de lo normal.

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

Las hormonas pertenecen al grupo de los mensajeros químicos. A veces es difícil clasificar a un mensajero químico como hormona o neurotransmisor o neurohormona. Todos los organismos multicelulares producen hormonas. Las hormonas más estudiadas en animales (y humanos), son las producidas por las glándulas endocrinas, pero también son producidas por casi todos los órganos humanos y animales, como el corazón, el sistema digestivo, los riñones, etc. Dentro de las funciones que controlan las hormonas está la reproducción, donde regulan tanto la producción de gametos como de hormonas, teniendo una incidencia directa en la fertilidad humana. El desarrollo de este contenido tiene como objetivo comprender los principales conceptos relacionados con la acción hormonal y aplicarlos inmediatamente al contenido de reproducción, en relación a la regulación testicular y ovárica. Hormona

Célula con Receptor

Célula sin Receptor

Célula Endocrina

Célula blanco

Respuesta

7.1 Definición Las hormonas son sustancias químicas producidas por una glándula endocrina. Esta glándula histológicamente se caracteriza por la ausencia de conductos de secreción. Por esta razón, las hormonas deben ser secretadas hacia la sangre. De esta manera la hormona viaja por la sangre recorriendo distancias considerables para alcanzar el sitio donde generarán el efecto fisiológico.

Receptor

Hormona

modificación actvidad metabólica Respuesta específica Célula blanco Citoplasma

Preuniversitarios

Núcleo

CPECH

segundo mensajero

85

2

capítulo

Una vez que la hormona reconoce su receptor u órgano blanco modifica la actividad de la célula. Una hormona actúa solo en aquellas células que tienen receptores para ella, por esto, no puede ejercer su acción en cualquier célula del cuerpo. Las hormonas de tipo proteica actúan en la fosforilación de proteínas, con lo cual se activan o desactivan mecanismos celulares. Ejemplos de estas hormonas proteicas son la hormona del crecimiento, insulina, glucagón, etc. En el caso de las hormonas esteroidales, como las sexuales, la hormona modifica la actividad del núcleo, lo que trae como consecuencia que la síntesis de proteínas se regule, aumentando o disminuyendo.

7.2 Mecanismo de regulación hormonal. Retroalimentación + Glándula

−

Sabías que... Hormona

CPECH

Preuniversitarios

Las funciones realizadas por las hormonas son:

86

-Crecimiento corporal y desarrollo. -Maduración del sistema nervioso. -Generación, mantención y regulación de la fertilidad. Regulación de la ovogénesis y espermatogénesis. -Mantención y regulación del metabolismo (producción de energía, síntesis de sustancias, etc.) -Control de variables fisiológicas (presión arterial, frecuencia cardiaca, actividad digestiva). -Metabolismo del agua y electrolitos. -Control del equilibrio ácido base (pH) de los líquidos corporales. -Control y mantención de la lactancia. -Mantención del embarazo.

Órgano blanco

Efecto fisiológico El efecto fisiológico puede ser un estímulo (+) o un freno (-). En el caso de que sea un estímulo, la retroalimentación se denomina positiva lo cual implica que es un estímulo para la actividad de la glándula endocrina la concentración de la hormona en el tiempo y en un gráfico para representar el concepto se vería...

El efecto fisiológico también puede resultar en un freno para la actividad de la glándula y en este caso la retroalimentación se denomina negativa, que en un gráfico se vería... La retroalimentación negativa es la que resulta más importante para los mecanismos de regulación en el organismo, ya que tiende a mantener constante la concentración de la hormona y con ello también permanece estable el efecto fisiológico de ella.

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

8. Aparato reproductor. Generalidades La reproducción sexuada implica la diferenciación de un sistema reproductor con órganos sexuales (gónadas) masculinos y femeninos. En la mayoría de las especies, los sexos están separados y en muchos de ellos existe una diferencia externa que permite distinguir fácilmente a machos de hembras. En aquellas especies en que los sexos no están separados, sino que tanto las gónadas femeninas como masculinas se encuentran en un mismo individuo, se habla de hermafroditismo. Estos individuos pueden practicar la autofecundación puesto que producen ambos tipos de gametos. Sin embargo, la autofecundación tiene la gran desventaja de no permitir la variabilidad génica, puesto que ambos gametos tienen casi la misma información genética. Debido a esto muchas especies hermafroditas aprovechan la posibilidad de realizar fecundación cruzada, existiendo mecanismos que separan la maduración de ambos sexos en el tiempo, o que impiden la autofecundación por la distancia entre ambas gónadas. Solo en algunos casos específicos la autofecundación es ventajosa, como en la tenia o lombriz solitaria, que se aloja en el intestino humano y cuya única posibilidad de reproducción es mediante la autofecundación. En la especie humana existe un dimorfismo sexual marcado, con un aparato reproductor masculino y uno femenino que permiten la formación de gametos, la cópula, la fecundación y el desarrollo embrionario.

8.1 Aparato reproductor masculino En líneas generales, está formado por dos gónadas llamadas testículos, un sistema de conductos que transporta los espermatozoides producidos por el testículo hacia el exterior y un órgano copulador (pene) que permite depositar el semen en el aparato genital femenino. Además existen glándulas anexas, cuya secreción proporciona a los espermatozoides el medio adecuado para su subsistencia: glándulas o vesículas seminales, próstata y glándulas de Cowper o bulbouretrales.

columna vertebral apertura del uréter

sínfisis púbica conducto deferente

recto vesícula seminal

vejiga

conducto eyaculador próstata

cuerpo cavernoso cuerpo esponjoso

glándula bulbouretral

ano

glande epidídimo

escroto

testículo

Preuniversitarios

uretra

prepucio

CPECH

uretra

87

capítulo

2

8.1.1 Testículos Se forman en las primeras etapas del desarrollo embrionario, cuando el embrión es aún indiferenciado sexualmente. Durante la vida intrauterina, el testículo se aloja en la parte posterior y superior del abdomen. Solo al final del embarazo comienzan a migrar, descendiendo hacia el escroto que los contendrá desde el nacimiento en adelante. El escroto es un saco cutáneo pigmentado, en el cual la temperatura es más baja que en el interior de la cavidad abdominal, permitiendo así que ocurra la espermatogénesis. Cada testículo está subdividido en unos 250 compartimientos y en cada uno de ellos se encuentra una serie de túbulos enrollados apretadamente, conocidos como túbulos seminíferos. Los túbulos seminíferos constituyen la mayor parte del parénquima testicular. En ellos se desarrolla la espermatogénesis. Así, al examinar un corte transversal de túbulo seminífero, se observa, hacia la periferia, una capa de espermatogonios (pared del túbulo) y, al ir progresando hacia el lumen, se ven capas sucesivas de células más diferenciadas, hasta llegar al espermatozoide. Intercaladas entre los espermatogonios, existen células de forma piramidal, llamadas células de Sertoli. Estas células son sensibles a hormonas como la FSH y la testosterona. Las células de Sertoli presentan las siguientes funciones:

• Están encargadas de dirigir la diferenciación espermática y de proporcionar sostén a las células tubulares. • Tienen funciones metabólicas importantes, puesto que ayudan a la nutrición de las células que se están diferenciando. • Fagocitan los cuerpos residuales y restos de citoplasma de la diferenciación de la espermátida. • Secretan la hormona inhibina y una proteína ligadora de andrógenos que permite la acción de la testosterona dentro del túbulo seminífero. • Las células de Sertoli también secretan un líquido que acompaña a los espermios por el trayecto genital hasta que se agrega la secreción de las vesículas seminales. • Finalmente, las células de Sertoli fabrican la hormona antimulleriana que participa del proceso de diferenciación sexual. • Presentan receptores para FSH (mantienen altos los niveles de testosterona). Las células de Sertoli no se dividen en el adulto, tienen gran resistencia a drogas y a la temperatura. Por lo mismo forman la barrera hematotesticular, que funciona como un filtro protector para las células de la espermatogénesis.

Mitosis

Meiosis I

Meiosis II

Célula de Sertoli

Lumen del túbulo seminífero

Pared tubular Espermatogonio

CPECH

Preuniversitarios

Espermatocito primario

88

Túbulo seminífero

Espermatocito secundario

Espermátidas

Espermatozoides haploides

El tejido intersticial rellena los espacios entre los túbulos seminíferos. Se dispone en forma de cordones. Está formado por tejido fibroso, gran cantidad de vasos sanguíneos y acumulaciones celulares que corresponden a las células de Leydig (productoras de testosterona).

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

Los túbulos seminíferos van confluyendo y formando conductos cada vez más grandes que, finalmente, constituyen un conducto único, muy largo y enrollado sobre sí mismo, el epidídimo, que reposa sobre la parte superior del testículo. Por lo tanto, podemos decir que el testículo tiene dos funciones: • Espermatogénica • Androgénica (producción de testosterona) En este sentido, se puede hablar de la gónada masculina como de una glándula mixta o anficrina, es decir, exocrina y endocrina a la vez.

8.1.2 Vías espermáticas Es un sistema de conductos encargados de transportar los espermatozoides hacia el exterior. El epidídimo es un tubo enrollado de 7 metros de longitud, que yace sobre cada testículo. Durante su paso por el epidídimo, los espermatozoides van ganando una movilidad progresiva y la potencialidad de unirse con el ovocito y fertilizarlo (maduración espermática). En este lugar pueden permanecer almacenados por hasta 2 semanas aproximadamente. Del epidídimo, los espermatozoides pasan al conducto o vaso deferente, donde son almacenados. Cada conducto deferente se extiende desde el epidídimo hasta las vesículas seminales. Contiene fibras musculares en su pared, las que permiten impulsar los espermatozoides. Los espermatozoides pueden permanecer almacenados en los conductos deferentes, manteniendo su fertilidad por lo menos por un mes, luego del cual son eliminados. Durante su permanencia en estos conductos, son mantenidos en un estado de profunda inhibición, a través de múltiples sustancias inhibidoras. A nivel de las vesículas seminales, los conductos deferentes se fusionan con los conductos de estas glándulas seminales dando origen al conducto eyaculador, el cual desemboca en la cara posterior de la uretra. La uretra es un conducto que nace de la vejiga urinaria, y se extiende a lo largo del pene. Por lo que sirve tanto para la excreción de orina como para la expulsión del semen.

8.1.3 Órgano copulador o pene El pene es el órgano de la copulación en el hombre. Durante el acto sexual penetra en la vagina femenina para depositar los espermatozoides. Está constituido esencialmente por tejidos eréctiles (tejidos sumamente irrigados, cuyos vasos pueden llenarse de sangre en un momento dado, lo que produce erección). Existen dos cuerpos cavernosos y un cuerpo esponjoso que forman la estructura del pene.

Son órganos adosados a las vías espermáticas, cuyas secreciones proporcionan a los espermatozoides un medio apropiado para su sobrevivencia. Estas secreciones, en conjunto, forman el semen, líquido en el cual flotan los espermatozoides, y que les permite un medio adecuado para sobrevivir y movilizarse. Las glándulas anexas son:

Preuniversitarios

8.1.4 Glándulas anexas

CPECH

El pene está atravesado por la uretra y se encuentra recubierto por piel que, en la parte más anterior, se dobla para formar el prepucio (tejido cutáneo que cubre al glande, que es un engrosamiento anterior del cuerpo esponjoso). También, en la parte anterior, encontramos un pequeño orificio, el meato urinario, que corresponde a la desembocadura de la uretra.

89

capítulo

2

a. Vesículas seminales Órganos pares cuya secreción, llamada líquido seminal, contiene un monosacárido, fructosa (ayuda a la nutrición espermática), ácido cítrico y otras sustancias nutritivas, así como grandes cantidades de prostanglandinas y proteínas coagulantes. Las prostaglandinas del semen presentan las siguientes funciones: a) generan contracciones peristálticas en los conductos femeninos y b) reaccionan con el moco cervical haciéndolo más permeable al espermatozoide. Las proteínas coagulantes, cuando el semen llega a la vagina, forman un débil coágulo que mantiene al semen en las regiones profundas de la vagina (cérvix uterino). Éste se disuelve durante los 15 a 30 minutos siguientes, gracias a una enzima prostática conocida como fibrinolisina. El líquido de las vesículas seminales representa el 60% del volumen de semen eyaculado.

b. Próstata Glándula que rodea la uretra y que produce el líquido prostático, el cual es vaciado a la uretra contribuyendo con un 13% al 22% del volumen del semen eyaculado. La glándula prostática secreta un líquido lechoso y ligeramente alcalino (esto hace que el pH del semen sea de 7,5 ), lo que incrementa la motilidad del espermatozoide y ayuda a la fecundación al neutralizar las secreciones ácidas de la vagina. Este líquido contiene calcio, iones fosfato, una enzima de coagulación, entre otros elementos.

c. Otras glándulas Comprenden las bulbouretrales (Cowper) y uretrales (Littré), cuyo volumen de secreción es muy pequeño. Dan propiedades lubricantes al semen.

Vesícula seminal Conducto deferente

Próstata Glándulas bulbouretrales

Uretra

CPECH

Preuniversitarios

Epidídimo

90

Pene Testículo

Tubo seminífero

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

d. Semen El volumen de semen es de 2 a 3 mililitros por eyaculación y se compone de espermatozoides (aproximadamente 10%) y líquidos provenientes de las vesículas seminales, próstata y glándulas de Cowper. Aunque los espermatozoides constituyen menos del 10% del semen, en cada mL de semen se encuentran entre 20 a 150 millones de espermatozoides. La mortandad de los espermatozoides en el aparato reproductor femenino es enorme, llegando solo unos pocos al extremo distal del oviducto. Aunque es suficiente que un solo espermatozoide haga contacto con el ovocito para que se produzca la fecundación, las posibilidades son tan limitadas que la fecundación requiere de la liberación de una enorme cantidad de espermatozoides. Los varones que producen menos de 20 millones de espermatozoides por mL de semen generalmente son considerados estériles.

8.1.5 Fisiología del aparato reproductor masculino Como ya se vio, en el hombre la formación de espermatozoides comienza en la pubertad (12-15 años) y continúa ininterrumpidamente hasta los 50-60 años. A partir de esta edad empieza a disminuir su producción. Esta es la primera gran diferencia con la mujer, cuya producción de gametos es cíclica y discontinua. Como recordarás, la espermatogénesis está sujeta a un estrecho y complejo control hormonal. Estos mecanismos están regulados por la glándula hipófisis (específicamente su lóbulo anterior conocido como adenohipófisis). Esta glándula produce dos hormonas llamadas gonadotrofinas, bajo la influencia del hipotálamo, a través de la hormona liberadora de gonadotrofinas (GnRH): la FSH (hormona folículo-estimulante) y LH (hormona luteinizante). La hormona luteinizante actúa sobre las células de Leydig de los cordones sexuales. Así, estimula la producción de testosterona, hormona masculina indispensable en la diferenciación sexual y la actividad reproductiva. La testosterona secretada por las células de Leydig, en respuesta a la LH, tiene un efecto recíproco de suprimir la secreción hipofisiaria de LH. Por ejemplo, cuando los niveles de testosterona a nivel de la sangre son superiores al nivel normal, el hipotálamo deja de secretar a la GnRH. Esto provoca una disminución de la secreción de las hormonas LH y FSH por la adenohipófisis, y, por su parte, la disminución de LH reduce la secreción de testosterona por las células de Leydig. A la inversa, una cantidad demasiado escasa de testosterona permite que el hipotálamo secrete gran cantidad de GnRH, con el consiguiente aumento de hormonas gonadotrofinas y, a su vez, de testosterona. Este mecanismo de regulación se conoce como sistema de retroalimentación negativo (feed-back negativo). Tanto la FSH como la testosterona estimulan la espermatogénesis. La testosterona es esencial para el crecimiento y la división de las células germinales que forman a los espermios. La FSH, en cambio, actúa sobre las células de Sertoli y, a través de ellas, sobre los espermatozoides en crecimiento. Para iniciar la espermatogénesis son necesarias tanto la FSH como la testosterona, aunque una vez que se ha producido la estimulación inicial, basta la testosterona para mantener el proceso.

CPECH

Cuando la producción de espermatozoides es demasiado rápida y excesiva, disminuye la secreción de FSH. Se cree que la causa es una hormona secretada por las células de Sertoli conocida como inhibina. Esta hormona ejerce un poderoso efecto sobre la adenohipófisis inhibiendo la producción de FSH y, posiblemente, un ligero efecto sobre el hipotálamo, inhibiendo la secreción de GnRH. Al contrario, si los túbulos seminíferos producen muy pocos espermios, aumenta la secreción de FSH. Este mecanismo de control, al igual que el anterior, se conoce como feed back negativo.

Preuniversitarios

91

capítulo

2

Sabías que... Las consecuencias clínicas de la deficiencia de andrógenos en el varón dependen del momento en que se inicia la deficiencia. La ausencia intrauterina condiciona una feminización de los genitales externos. Si la deficiencia es durante la pubertad no aumenta de tamaño el pene, no hay crecimiento de la barba y del vello sexual y no se generan espermatozoides. También son de talla baja. El resultado final es un eunuco. En los adultos, la deficiencia provoca infertilidad con pérdida de la libido y potencia.

Producción hormonal en el varón (feed back negativo)

Hipotálamo

la Inh i be

Producción de espermatozoides

nte ula

Hipófisis

FSH Inhibina

es

io

de FSH

in

tim

ión ucc od pr

Efe cto

r to bi hi

GnRH

Efe cto

LH

células de Sertoli +

células de Leydig

espermatogénesis

testosterona

Testosterona sanguínea

espermatozoides Testículo

8.1.6 Testosterona

CPECH

Preuniversitarios

Es la hormona sexual masculina por excelencia. Se produce en las células de Leydig del testículo y, en un pequeño porcentaje, en la capa reticular de la corteza suprarrenal. Desde el nacimiento, hasta los 10-12 años, el testículo produce hormona masculina, aunque en cantidades ínfimas. Posteriormente, llegado el momento de la pubertad, se desencadenan complejos mecanismos neurohormonales y la producción de testosterona se eleva notablemente, hasta acercarse a la del hombre adulto. Esto produce diversos cambios psíquicos y físicos, propios del sexo masculino.

92

La testosterona tiene a su cargo el desarrollo de los caracteres sexuales secundarios, entre otras funciones, como: a. Función anabólica Una de las características masculinas más importantes es el aumento de la masa muscular tras la pubertad. Por lo que se ha visto que en general la principal función de la testosterona es estimular la síntesis proteica (anabolismo), lo cual es particularmente notable en la célula muscular, que aumenta su volumen gracias al incremento de sus filamentos de actina y miosina (desarrollo muscular).

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

b. Redistribución del vello corporal La testosterona hace crecer el pelo. El niño, hasta los 10 años, no tiene vello genital ni axilar; este comienza a aparecer en la pubertad. Aparece vello en cara, tórax, espalda, miembros superiores e inferiores. En la región del pubis adopta una disposición característica del sexo masculino: forma romboidal de dirección vertical (uno de los vértices del rombo se dirige hacia el ombligo).

c. Cambios en la voz Se producen cambios y engrosamiento de las cuerdas vocales y laringe, con lo cual la voz se hace más gruesa y ronca.

d. Cierre de la epífisis de los huesos Se produce osificación del cartílago de crecimiento, con lo cual el hueso no puede seguir creciendo en longitud, y la velocidad de crecimiento disminuye mucho.

e. Efectos sobre la piel y desarrollo de acné La testosterona aumenta el grosor de la piel en todo el cuerpo, así como la tasa de secreción de la mayoría de las glándulas sebáceas del cuerpo. Especialmente importante es la secreción excesiva de las glándulas sebáceas de la cara, pues esta hipersecreción provoca acné.

f. Aumento del metabolismo basal Este aumento en la tasa metabólica es posiblemente una consecuencia indirecta del efecto de la testosterona sobre el anabolismo proteico. El aumento de proteínas, especialmente de enzimas, aumenta la actividad de las células. Esto lleva a que el hombre, de por sí, tenga una menor cantidad de tejido graso que la mujer, puesto que constantemente está gastando energía para mantener sus funciones vitales en mayor grado que la mujer. A su vez, este aumento del metabolismo basal trae como consecuencia un aumento en la producción de glóbulos rojos.

• Transcurrida una semana de crecimiento o más (pero antes de la ovulación), uno de los folículos comienza a crecer más que los restantes; los demás comienzan a involucionar (atresia folicular). La causa de esta atresia es aún poco conocida. La atresia folicular es importante, pues permite que solo uno de los folículos crezca lo suficiente para liberar a su ovocito II (ovulación). • La vida promedio del espermatozoide es muy breve (en la especie humana, no más de 72 horas). En otras especies, como la de las abejas, puede llegar a vivir meses o años. Esto se debe a que la abeja reina tiene un saquito llamado espermateca, que es capaz de conservar los espermatozoides. Por lo tanto, solo requerirá ser fecundada una vez en la vida.

Preuniversitarios

Durante el período fetal la testosterona es específicamente necesaria para la diferenciación del pene, el escroto, la uretra peneana y la próstata del feto. También es importante en el descenso de los testículos al escroto.

• Existen ciclos anovulatorios que se presentan con mayor frecuencia en mujeres con ciclos menores a 24 días y mayores a 36 días, siendo difícil reconocer el período fértil.

CPECH

g. Diferenciación de genitales

Sabías que...

93

capítulo

2

En la pubertad es nuevamente necesaria para el crecimiento del escroto y la próstata. Por otro lado, la testosterona también desarrolla los caracteres sexuales primarios: los genitales externos crecen (pene y testículos), el escroto se pigmenta y aparecen vellos. Así comienzan a asemejarse a los del adulto. Finalmente, se producen también cambios psíquicos, como, por ejemplo, la conducta que se hace más agresiva en general.

8.2 Aparato reproductor femenino Está formado por una serie de órganos que se encuentran en su mayoría dentro de la pelvis. Forman parte de este aparato genital femenino los genitales externos e internos. Oviducto Útero

Ovarios

Miometrio

Endometrio Vegija urinaria Apertura del cérvix

Uretra

Clítoris

Labio menor

Ano

Labio mayor Vagina

8.2.1 Genitales externos Se denomina así a los órganos genitales externos de la mujer y comprenden:

CPECH

Preuniversitarios

a. Monte de Venus

94

Es un tejido blando (preferentemente tejido adiposo), ubicado por delante de la sínfisis púbica, de tal manera que forma una pequeña eminencia. Sobre la piel que cubre esta zona, existe el vello pubiano (que aparece en el momento de la pubertad).

b. Labios mayores y menores Son repliegues de piel que rodean el orificio externo de la vagina, y se unen por delante y por detrás. Ambos son pigmentados y poseen algunos vellos (labios mayores). Los labios menores se ubican por dentro de los mayores.

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

c. Espacio interlabial Es aquel espacio ovoideo que se delimita por los labios mayores y menores. En él encontramos, desde adelante hacia atrás, diversas estructuras: vestíbulo, meato urinario (orificio de salida de la uretra), orificio externo de la vagina (introito).

d. Clítoris Pequeño cuerpo eréctil situado por delante de los labios mayores. Participa en la estimulación sexual femenina.

8.2.2 Genitales internos a. Ovarios Son dos y se ubican dentro de la cavidad pélvica por delante del recto. En un corte transversal, se distinguen claramente dos zonas:

• Zona central, de color rojizo, llamada médula. Está constituida por gran cantidad de vasos sanguíneos, entre los cuales existe tejido fibroso.



• Zona periférica o corteza, que es la que contiene los ovocitos I dentro de su folículo primordial.

b. Oviductos o trompas de Falopio También son dos. Cada una se relaciona estrechamente con uno de los dos ovarios. Estructuralmente, es un tubo muscular de aproximadamente 10 cm de largo, cuya mucosa presenta una serie de pliegues longitudinales que ayudan a la progresión del ovocito II.

c. Útero Es un órgano muscular liso y hueco, de paredes gruesas y en forma de pera. Mide 6-7 cm de largo por 4 cm de ancho. Se ubica en la pelvis, por detrás de la vejiga, por delante del recto y por encima de la vagina. Histológicamente se distinguen tres capas: • Capa externa: También llamada perimetrio (es dependiente del peritoneo). Recubre solo hasta el cuello del útero.

Preuniversitarios

• Capa interna: También llamada mucosa uterina o endometrio. Es un tejido muy especializado que sufre cambios cíclicos, y se desprende parcialmente durante la menstruación. Su función es servir como receptáculo del producto de la concepción y albergar al feto hasta su nacimiento. Por lo tanto, es el órgano de la gestación.

CPECH

• Capa media: También llamada miometrio. Es la más gruesa y está formada por músculo liso. Contiene la mayoría de los vasos que irrigan el útero y, al contraerse durante el parto, permite la expulsión del feto hacia el exterior.

95

capítulo

2

d. Vagina

Sabías que... Normalmente cada ciclo ovárico genera habitualmente un solo ovocito y lo común es que nazca un niño por embarazo. Los embarazos múltiples se producen cuando los ovarios generan dos o más óvulos simultáneamente y ambos son fecundados. En ocasiones se producen a partir de un solo óvulo. Se denominan mellizos a los gemelos dicigóticos y se gestan por una doble ovulación con fecundación de cada uno de ellos por un espermatozoide distinto. En el caso de los gemelos monocigóticos o gemelos propiamente tales se generan de un solo ovocito fecundado en donde el macizo celular se divide en dos grupos, cada uno de los cuales genera a un individuo completo.

Es un conducto músculo-membranoso que comunica los órganos genitales internos con el exterior. Se extiende desde el cuello uterino, sobre el cual se inserta, hasta la vulva. Posee pH ácido que limita el número de espermatozoides y evita la proliferación bacteriana. Su función principal es recibir los espermatozoides que ascienden hacia el útero y posteriormente a la trompa, para fecundar el óvulo. Además, es el canal por el cual el endometrio desprendido sale al exterior durante la menstruación. Por último, es el canal del parto y el feto debe recorrerlo en toda su extensión en ese momento.

e. Glándulas anexas del aparato genital femenino En la vagina existen dos glándulas, las cuales secretan un líquido mucoso que lubrica las paredes vaginales, especialmente durante el acto sexual. Vierten su secreción por medio de un conducto que se abre en el surco que queda entre los labios menores y la entrada de la vagina.

8.2.3 Fisiología del aparato reproductor femenino Al igual que el hombre, su funcionamiento está regulado por complejos mecanismos hormonales. La mujer es cíclica y en su aparato reproductor ocurren cambios periódicos, mediados por hormonas, que se suceden en promedio cada 28 días (con un rango de 21 a 35 días). El comienzo de la maduración sexual en la niña está marcado, al igual que en el varón, por una serie de cambios físicos y psíquicos, determinados por un aumento en el nivel de hormonas sexuales. El primer cambio está dado por la aparición del botón mamario (la telarquia), luego aparece el vello pubiano y, por último sobreviene la menarquia o primera menstruación.

CPECH

Preuniversitarios

A la edad de 12 años, aproximadamente, se produce un incremento en el nivel de gonadotrofinas hipofisiarias, cuya secreción estaría inhibida en la niña menor. Estas gonadotrofinas actúan sobre los ovarios, los que comienzan a producir estrógenos (hormona sexual femenina responsable directa de la maduración sexual).

96

Así comienzan los ciclos sexuales o ciclos ováricos propios de toda mujer en edad fértil, que durarán hasta la menopausia (última menstruación).

8.2.4 Ciclo sexual femenino En la mujer, el nivel de gonadotrofinas hipofisiarias (LH y FSH) varía en forma cíclica. Dado que estas hormonas actúan sobre los órganos genitales, estos sufren ciertos cambios que se van sucediendo cada 28 o más días (dependiendo de la mujer).

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

La finalidad es una sola: posibilitar el desarrollo de un nuevo ser. Así, cada mes el organismo femenino se prepara para una posible fecundación. Para ello se requiere la maduración de un ovocito I en cada ciclo, y la preparación de la mucosa uterina para albergar al embrión. Este patrón recurrente de niveles hormonales y de cambios en los tejidos en la mujer se conoce como ciclo menstrual. El sistema de regulación hormonal es extremadamente complejo. En él participan las hormonas femeninas (estrógenos y progesterona), las hormonas gonadotrofinas (FSH y LH) y la hormona liberadora de gonadotrofinas (GnRH) del hipotálamo.

a. Etapa preovulatoria Esta etapa se caracteriza por ser de duración variable y su extensión depende de la duración del ciclo de la mujer. • Cambios a nivel de los ovarios (ciclo ovárico): Desde el momento de la menstruación, los niveles de hormonas FSH y LH comienzan a aumentar ligeramente; el aumento de FSH es algo mayor y precede unos pocos días al de la LH. La FSH induce el crecimiento acelerado de varios folículos primordiales, 5 y 15 folículos (aproximadamente), cuyo proceso es conocido como foliculogénesis.

A medida que el folículo crece, se va formando una cavidad en su interior, denominada antro folicular, el cual se llena de líquido. En forma paralela, el folículo va aumentando el número de capas celulares que lo rodean, hasta que completa su maduración, transformándose en un folículo terciario o de Graff. Este forma una protuberancia a modo de ampolla en la superficie del ovario. De esta forma, a la primera mitad del ciclo en el ovario se le denomina fase folicular.



A medida que crece el folículo, el ovocito I (detenido en profase I) aumenta su tamaño y es rodeado de una capa de células (células de la granulosa), quedando desplazado hacia uno de los polos del folículo. De esta manera recibe el nombre de cúmulo ovígero. A medida que esto va ocurriendo, las células de la granulosa y probablemente el ovocito, secretan una capa glucoproteica conocida como zona pelúcida.



Por otro lado, la FSH estimula las células periféricas del folículo (teca interna y externa) a producir la hormona sexual femenina conocida como estrógenos. De este modo, el nivel de estrógenos comienza a aumentar progresivamente.



Todos los procesos ya descritos se desarrollan en un lapso más o menos constante, por lo cual el momento de mayor producción de estrógenos ocurre hacia el día 14 del ciclo.

Actividades

b. Indica los períodos de fertilidad e infertilidad (según el ciclo), señalando además las fechas según calendario.

Preuniversitarios

a. ¿En qué momento de su ciclo ocurriría la ovulación? Indica día del ciclo según calendario.

CPECH

1. Una mujer presenta un ciclo sexual regular de 30 días si comienza a menstruar el 15 de septiembre, señala:

97

capítulo

2

oviducto

ovario útero vagina

primer cuerpo polar ovocito II

e. Ovulación. Ruptura del folículo maduro y liberación del ovocito II y primer cuerpo polar.

d. Folículo maduro. Meiosis I completa, ovocito II y primer cuerpo polar están formados.

c. Folículo secundario

b. Folículo en desarrollo a. Folículo primario; ovocito I detenido en meiosis I.

f. Formación del cuerpo lúteo luego de la ruptura del folículo. g. Cuando no hay embarazo el cuerpo lúteo degenera.

• Cambios a nivel del endometrio (ciclo menstrual): La fase menstrual o menstruación abarca aproximadamente los primeros cinco días de cada ciclo. El flujo menstrual contiene de 50 a 150 mL de sangre, líquido tisular, moco y mucosa uterina. Ocurre por la disminución de los niveles de hormonas ováricas, principalmente progesterona. Entre el día 5 y el día 14, los niveles de estrógenos van aumentando y actúan en el endometrio; la mucosa uterina aumenta su grosor, así como el número de glándulas y vasos sanguíneos. De esta manera, la fase preovulatoria también es denominada fase proliferativa o estrogénica.

CPECH

Preuniversitarios

b. Ovulación

98

La ovulación o rompimiento del folículo de Graff y liberación del ovocito II ocurre, por lo general, en el decimocuarto día del ciclo. Las concentraciones altas de estrógenos hacia el final de la fase preovulatoria ejercen un efecto de feed Back positivo en la producción de FSH y LH, produciéndose una descarga brusca, especialmente de LH. Esta descarga actúa a nivel del folículo maduro o de Graff, generando la expulsión del ovocito (durante su maduración se transformó en ovocito II). El ovocito II sale rodeado de una capa de células (corona radiada) y con parte del líquido folicular, desplazándose hacia la trompa de Falopio. El resto del folículo, es decir, las tecas internas y externas, la granulosa y parte del antro folicular, quedan dentro del ovario. Este ovocito II, recordemos, está detenido en la metafase de la segunda división meiótica.

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

c. Fase post ovulatoria • Cambios a nivel de los ovarios: Se caracteriza por ser estable, en todos los ciclos, con una duración de 14 días. Después de la ovulación, la LH produce luteinización del folículo, que consiste en la transformación del folículo roto en un cuerpo lúteo, estimulado constantemente por estimulación de la LH. Así, el cual estará encargado de la secreción de progesterona y estrógenos durante la segunda mitad del ciclo (fase lútea). A medida que los niveles de progesterona y estrógenos aumentan, juntos inhiben la producción de GnRH a nivel del hipotálamo y, así, la producción de las hormonas FSH y LH.

Si llegado el término del ciclo ovárico no se produce fecundación e implantación en el útero, el cuerpo lúteo involuciona y se transforma en cuerpo albicans, de tal manera que la producción de hormonas ováricas cae. El cuerpo albicans permanece como cicatriz en el ovario.



Sin apoyo hormonal, el endometrio no puede mantenerse estable y una porción de él se desprende con el flujo menstrual. Luego, en respuesta al nivel bajo de hormonas ováricas, el nivel de hormonas gonadotrofinas comienza a elevarse nuevamente, de tal manera que otros folículos comienzan a desarrollarse en un nuevo ciclo sexual.



Si hay fecundación, comienza a secretarse (por parte de un grupo de células del cigoto) una hormona llamada gonadotrofina coriónica, que mantiene la función del cuerpo lúteo hasta el tercer mes de embarazo, fecha en que es reemplazada por la placenta en la producción de hormonas (especialmente progesterona).

• Cambios a nivel del endometrio: En la segunda mitad del ciclo, los estrógenos y la progesterona secretadas por el cuerpo lúteo promueven el crecimiento y enrollamiento de las glándulas uterinas, vascularización del endometrio superficial y engrosamiento del endometrio hasta 12 a 18 mm. En relación al ciclo sexual, esta fase es denominada fase secretora, producto de la actividad secretora a causa de las glándulas endometriales.

Preuniversitarios

El ciclo sexual en una mujer habitualmente dura alrededor de 28 días, pero la existencia de variaciones individuales es común. Aún en las mujeres con ciclos de duración promedio la ovulación no siempre ocurre en el mismo momento del ciclo. De esta manera, el “método del ritmo” es un método poco confiable en el control de la natalidad.

CPECH



Por lo tanto, al final del ciclo, el endometrio está congestivo, grueso y con gran número de glándulas. Es decir, está preparado para la posible implantación del cigoto. Si esto no ocurre, el cuerpo lúteo cesa su función. Al no producirse más progesterona y estrógenos, cesa la acción que sostenía el endometrio, y este se desprende junto con sus vasos, se produce la menstruación y comienza así un nuevo ciclo.

Sabías que...

99

Ciclo menstrual Ovario

capítulo

2

Maduración del folículo

Folículo

Óvocito II Cuerpo lúteo Ovulación

Degeneración del c. lúteo

37º C Temperatura corporal

36º C Hormona luteinizante

Hormonas

Estradiol

Progesterona

Hormona folículo estimulante

Fase Folicular

Ovulación

Fase Lútea

Endometrio

Menstruación

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11 13 15 17 19 21 23 25 27 12 14 20 22 24 26 28 16 18

Días del ciclo menstrual

8.2.5 Hormonas femeninas Los dos tipos de hormonas sexuales femeninas son los estrógenos y la progesterona (ambas producidas a nivel de los ovarios).

CPECH

Preuniversitarios

Los estrógenos promueven la proliferación y el crecimiento de células específicas del cuerpo y son responsables del desarrollo de la mayoría de los caracteres sexuales de la mujer. Por otra parte, la progesterona está implicada de forma casi exclusiva en la preparación final del útero para la gestación y de las mamas para la lactancia.

100

a. Estrógenos En la mujer no embarazada son producidas por el ovario (aunque también las cortezas suprarrenales secretan pequeñas cantidades). Durante el embarazo, esta hormona es producida por la placenta.

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

Funciones de los estrógenos • Efecto sobre los genitales externos e internos: Durante la niñez, solo se secretan ínfimas cantidades de estrógenos, pero en la pubertad su secreción aumenta 20 veces o más. Los ovarios, las trompas de Falopio, el útero y la vagina aumentan varias veces su tamaño. También crecen los genitales externos, con depósito de grasa en el monte de Venus y en los labios mayores. En el útero, inducen proliferación del endometrio. • Efecto sobre las mamas: Los estrógenos inician el crecimiento de las mamas y del aparato productor de leche. Son también responsables del crecimiento y del aspecto externo característico de la mama femenina madura. Sin embrago, no completan la tarea de convertir las mamas en órganos productores de leche. • Efecto sobre el esqueleto: En el hueso, estimulan su crecimiento en longitud, pero rápidamente producen el cierre de los cartílagos de crecimiento. Todo esto gracias a un aumento de la actividad osteoblástica. • Efecto sobre los caracteres sexuales secundarios: Los estrógenos provocan un aumento en los depósitos de grasa y en los tejidos subcutáneos, así como en ciertas zonas como las caderas, muslos, glándulas mamarias; además dan a la piel una textura blanda y habitualmente tersa. Así como una voz más suave. Los estrógenos no afectan mucho la distribución del vello corporal, sin embargo, tras la pubertad se desarrolla vello en la región del pubis y en las axilas. Los principales responsables son los andrógenos suprarrenales que se producen en cantidades mayores tras la pubertad. • Efecto sobre el equilibrio electrolítico. Actúan sobre el metabolismo del sodio, calcio y fósforo. Fundamentalmente, producen retención de sodio y agua. • Efecto sobre el depósito de proteínas: Los estrógenos producen un ligero aumento de las proteínas totales del organismo, probablemente como consecuencia del efecto promotor del crecimiento de los órganos sexuales y huesos.

b. Progesterona En la mujer no embarazada, la produce el cuerpo lúteo durante la segunda mitad del ciclo. En la embarazada, es producida también por el cuerpo lúteo hasta el tercer mes y después por la placenta. Funciones de la progesterona • Efecto sobre el útero: Actúa sobre el endometrio haciendo que se transforme en un tejido secretor, preparado para la implantación. • Efecto sobre las trompas de Falopio: Produce cambios secretores en las trompas de Falopio, lo que permite la alimentación del cigoto durante su trayectoria al útero.

Preuniversitarios

Sin embargo, la progesterona no hace que los alvéolos secreten leche, debido a que esta solo se secreta cuando recibe la estimulación de la hormona prolactina, secretada por la adenohipófisis.

CPECH

• Efecto sobre las mamas: Estimula el desarrollo de los lobulillos y alvéolos mamarios, haciendo que las células alveolares proliferen, aumenten de tamaño y adopten una naturaleza secretora.

101

capítulo

2

Actividades 1. Describe con sus propias palabras los efectos de las hormonas gonadotrofinas (FSH y LH) en el varón. 2. Explica los cambios que experimentan las concentraciones de hormonas gonadotrofinas y hormona testosterona en el varón, en relación con los mecanismos de feed back. 3. Indica las estructuras principales que componen el aparato reproductor femenino y la función de cada una de ellas. 4. Explica los cambios que experimentan las concentraciones de hormonas gonadotrofinas y hormonas femeninas en relación a los mecanismos de feed back. 5. Establece la diferencia que existe entre menstruación y ovulación. 6.

Cada uno de estos gráficos representa la producción de una hormona. Al respecto señala a qué hormona corresponde cada gráfico y qué acción tiene durante el ciclo ovárico. 1.

1

2

3

4

2.

3.

4. 14

días

14

días

CPECH

Preuniversitarios

9. Desarrollo prenatal y nacimiento

102

Cuando el gameto femenino y masculino se han desarrollado gracias a la meiosis y maduración, y se depositan los espermatozoides en la vagina, es posible que ocurra un embarazo secuencia de eventos que se inicia con la fecundación, continúa con la implantación y el desarrollo tanto embrionario como fetal, hasta terminar normalmente con el nacimiento, unas 38 a 40 semanas después.

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

9.1 Fecundación Corresponde a la fusión de un gameto masculino y un gameto femenino para dar origen al cigoto. La fecundación puede ser de dos tipos:

a. Externa Se presenta cuando el encuentro entre los gametos ocurre en el medio ambiente. Es propia de organismos acuáticos, en los cuales machos y hembras liberan al unísono sus gametos hacia el medio ambiente (agua). Allí sucede el encuentro y fecundación entre dichos gametos. En este caso, se produce gran cantidad de cigotos, de los cuales muy pocos llegan a convertirse en adultos. El encuentro de los gametos se ve beneficiado por un gran número de espermatozoides liberados y gran tamaño de los ovocitos.

b. Interna Está presente en los organismos terrestres. En este caso, los machos disponen de un aparato genital que les permite, durante la cópula, llevar sus espermatozoides hasta el tracto genital femenino, donde se produce la fecundación. Estos organismos producen muy pocos ovocitos y en algunas especies, como la nuestra, se produce solo uno, pero la fecundación y desarrollo del cigoto se asegura por el hecho de ser interna.

9.1.1 Fecundación interna Para que se presente la fecundación, se debe producir el encuentro entre el ovocito liberado durante la ovulación y un espermatozoide proveniente del semen depositado en la vagina. Por otro lado, los espermatozoides deben estar maduros y capacitados para lograr fecundar al ovocito; debido a esto, el espermatozoide una vez liberado a la luz del túbulo seminífero deberá sufrir algunos cambios. El primero ocurre en el epidídimo y se denomina maduración. Consiste en que el flagelo adquiere movilidad, gracias a cambios químicos y funcionales provocados por la influencia de sustancias secretadas por el epidídimo. El otro cambio importante del espermatozoide ocurre en el aparato reproductor femenino y se denomina capacitación. Este es un proceso por el cual se depuran factores inhibidores del líquido seminal, se retira colesterol de la membrana del espermatozoide y se redistribuyen las proteínas de la superficie. La capacitación también produce la reacción acrosómica, gracias a la cual se fusionan las membranas del espermatozoide con la del acrosoma, formando poros a través de los cuales se liberan las enzimas proteolíticas e hidrolíticas que permiten al espermatozoide atravesar las envolturas del ovocito. Solo así el espermatozoide, está en condiciones óptimas para lograr la fecundación del ovocito.

Preuniversitarios

Los abortos tempranos se pueden producir porque alguno de los gametos “envejece” esperando al otro para producir la fecundación. Por ejemplo, si el espermatozoide espera 72 hrs al ovocito, o si este espera por 24 hrs al espermatozoide. En tales casos, la fecundación genera un cigoto con aberraciones cromosómicas incompatibles con su desarrollo. Estos abortos también se pueden producir porque las secreciones que nutren al embrión contienen sustancias nocivas, como medicamentos que utiliza la madre, porque ignora su embarazo.

CPECH

Sabías que...

103

capítulo

2

9.1.2 Fases de la fecundación Una vez ocurrida la capacitación y la hiperactivación (vigorización de los movimientos espermáticos) se da curso a la fecundación, que para efectos didácticos la dividiremos en las siguientes etapas: a. Penetración de la corona radiada Los espermatozoides con su acrosoma intacto tratan de alcanzar la zona pelúcida avanzando entre la células foliculares. Se ayudan con la enzima hialuronidasa presente en la membrana plasmática, construyendo una especie de túnel por el que avanzan los espermatozoides gracias a la hiperactivación.

b. Reconocimiento y adhesión Los espermatozoides y la zona pelúcida se adhieren firmemente entre sí, ya que se han reconocido por medio de moléculas específicas, para cada especie.

c. Reacción acrosómica Esta reacción se desencadena cuando el espermatozoide toma contacto con la zona pelúcida, lo cual hace aparecer una serie de zonas de fusión entre la membrana del espermatozoide y la membrana del acrosoma, tras que se forman poros por medio de los cuales escapan las enzimas acrosómicas. La reacción acrosómica se produce gracias al reconocimiento de la proteína ZP3 de la zona pelúcida. La reacción acrosómica permite el desprendimiento de la corona radiada, el avance del espermatozoide a través de la zona pelúcida y la fusión de las membranas plasmáticas de ambos gametos.

d. Denudación Se refiere al desprendimiento de la corona radiada, cuyas células foliculares se separan y dispersan por la acción de la hialuronidasa que sale del acrosoma.

e. Penetración de la zona pelúcida Con la ayuda de la acrosina y la hialuronidasa se perfora la zona pelúcida generando un túnel por el cual avanza el espermatozoide, gracias a los movimientos de hiperactivación.

CPECH

Preuniversitarios

f. Fusión

104

Varios espermios pueden encontrarse penetrando la zona pelúcida, pero solo uno toma contacto con la membrana del ovocito II. Cuando esto ocurre, cesan los movimientos de hiperactivación, las membranas se fusionan y entre los citoplasmas se produce una continuidad que permite la entrada del contenido del espermatozoide. Una vez establecida la continuidad entre ambos citoplasmas ingresan en el ovocito la parte posterior de la cabeza, el cuello y la cola del espermatozoide. Finalmente, lo hace la parte anterior de la cabeza.

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

g. Bloqueo de la poliespermia Para bloquear la entrada de más de un espermatozoide (poliespermia), se produce la denominada reacción de la zona, que consiste en la exocitosis de las enzimas hidrolíticas de los gránulos corticales que se ubican por debajo de la membrana plasmática. Entre las enzimas expulsadas, está una proteasa que modifica la forma de la zona pelúcida provocando la inmovilización y expulsión de los espermatozoides atrapados en ella. Por otra parte, la membrana plasmática del cigoto pierde la capacidad de fusionarse con otros espermatozoides que se le acercan.

h. Activación Consiste en la reanudación de la meiosis II del ovocito, la expulsión del segundo polocito o corpúsculo polar; con lo que se termina de conformar al cigoto.

i. Formación de los pronúcleos masculino y femenino Los núcleos haploides del espermatozoide y del ovocito II se llaman pronúcleo masculino y pronúcleo femenino, respectivamente. Mientras se tornan esféricos, ambos pronúcleos se dirigen a la región central del óvulo donde se desenrollan los cromosomas y se replica el ADN.

j. Singamia y anfimixis Los pronúcleos se colocan uno muy cerca del otro en el centro del óvulo y pierden sus cariotecas (singamia). Entre tanto, los cromosomas duplicados vuelven a condensarse y se ubican en la zona ecuatorial de la célula, como una metafase mitótica común (anfimixis). La anfimixis representa el fin de la fecundación. Con ella, comienza la primera división mitótica de la segmentación del cigoto. Acrosoma

Corona radiada

Membrana acrosómica Zona pelúcida Región ecuatorial

Zona de membrana plasmática del ovocito

Preuniversitarios

Membrana plasmática del ovocito

CPECH

Espacio perivitelino

105

capítulo

2

Reacción cortical

CPECH

Preuniversitarios

9.1.3 Consecuencias de la fecundación

106

• Formación del cigoto. • Se reestablece la diploidía a través de la unión de los pronúcleos haploides. • Se forma una célula completa desde el punto de vista estructural, donde la mayor parte es proporcionada por el óvulo. • Se determina el sexo cromosómico, que en el caso de la especie humana es responsabilidad del sexo masculino. • Se inician las divisiones mitóticas de la segmentación. Cabe hacer notar que la fecundación es altamente específica existiendo un reconocimiento entre los gametos, de manera que un gameto femenino no acepta ser fecundado por un gameto masculino de otra especie, aunque hay algunas excepciones entre especies muy relacionadas.

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

Sabías que... Si bien el estímulo habitual para la activación del óvulo es la penetración del espermatozoide, existen algunas variantes: En partenogénesis, los óvulos se activan y comienzan su desarrollo sin que participe el gameto masculino. Este proceso se verifica en algunas especies vegetales y animales. Por ejemplo, en las abejas, la abeja reina es fecundada una sola vez en su vida por un zángano. Durante el vuelo nupcial, almacena los espermatozoides en el receptáculo seminal, que dispone de los medios para nutrirlos por un largo período. Este receptáculo está unido con el oviducto, y al salir el óvulo se abre el túbulo de comunicación, y este se fecunda. Por lo tanto, la reina ovoposita un cigoto diploide que dará origen a una hembra. El que esta hembra se transforme en reina (fértil) u obrera (estéril), depende del tipo de alimentación que reciba en el estado larvario; las alimentadas con jalea real desarrollan su aparato genital y se transforman en reinas. Pero si el alimento es solo miel, tendremos una obrera con su aparato genital atrófico. Si al ovular la reina el túbulo permanece cerrado, la reina ovopositará un “óvulo virginal” (partenogenético) que llegará a desarrollar un zángano (macho), cuyas células serán monoploides. Por ello, tendrá una espermatogénesis modificada para dar espermios también haploides.

9.2 Desarrollo embrionario Los patrones básicos de desarrollo son notablemente semejantes en todo el reino animal y particularmente entre los vertebrados. Después de la fecundación, se inicia una serie de procesos que conducen a la formación de un nuevo ser completo y viable. Todos estos procesos, en conjunto, forman parte del desarrollo embrionario. Etapas del desarrollo embrionario: • Segmentación • Diferenciación celular • Morfogénesis

a. Segmentación

CPECH

Corresponde a sucesivas mitosis que experimenta el cigoto para aumentar el número de células (2,4,8,16,32, etc.). En la primera división aparece el llamado surco de clivaje que divide al cigoto en dos células, cada una de las cuales se denomina blastómero.

Preuniversitarios

107

capítulo

2

Mientras las divisiones continúan se originan cada vez blastómeros más pequeños. Después de la tercera segmentación, el contacto de los blastómeros entre sí es máximo y forman una bola compacta de células que se mantienen juntas por medio de uniones estrechas. Este proceso llamado compactación separa las células internas, que se comunican ampliamente por medio de uniones en hendidura, de las externas. La mayoría de las células descendientes de las células externas formarán lo que se denomina trofoblasto. En cambio, las células descendientes de las células internas generaran el macizo celular interno (este tejido dará origen al embrión). El resultado final de la segmentación es un conglomerado macizo de pequeñas células, que por su forma característica, recibe el nombre de “mórula” (aspecto de mora). La mórula aparece, aproximadamente, tres días después de la fecundación. Inicialmente la mórula no posee ninguna cavidad interna. Sin embargo, en un proceso llamado cavitación comienza a introducirse líquido, a través de la zona pelúcida, que es transportado hacia el interior de la mórula, creándose una cavidad conocida como blastocele. De esta manera, la masa celular interna es desplazada hacia un polo, conformándose un estado embrionario conocido como blastocisto. macizo celular (embrioblasto)

blastocele

trofoblasto

En el blastocisto, por lo tanto, se pueden reconocer: una masa de células conocida como macizo celular interno o embrioblasto, una cavidad blastocística o blastocele y una capa externa llamada trofoblasto. La masa interna de células originará los tejidos del embrión, mientras que el trofoblasto dará origen, junto con tejido endometrial, a la placenta. Durante el viaje del embrión a través de la trompa, la zona pelúcida se mantiene intacta y esto evita la adhesión del embrión a la pared de la trompa. Cuando el embrión alcanza el útero, sale a través de un agujero que se produce en la zona pelúcida y de esa manera puede adherirse a la pared uterina. Este fenómeno se conoce como hatching, y ocurre generalmente al 6º día después de la fecundación. Luego de la fecundación, el cigoto comienza a desplazarse por la trompa de Falopio (oviducto) hasta llegar al útero. Allí se producirá su implantación.

CPECH

Preuniversitarios

La implantación puede ocurrir en cualquier sector de la mucosa endometrial, aunque habitualmente se produce en el tercio superior de la pared dorsal del útero.

108

Alrededor del 2° ó 3° día después de que el blastocisto llega al útero (6 días después de la fecundación), el trofoblasto hace contacto con el epitelio uterino. Desde ese momento el embrión comienza a producir una hormona conocida como Hormona Gonadotrofina Coriónica Humana (HCG), la cual estimula al cuerpo lúteo, por lo que este continúa sintetizando las hormonas progesterona y estrógenos. Esto impide la menstruación y, de esta manera, mantiene el embarazo.

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

En la región de contacto del blastocisto con el endometrio, las células trofoblásticas proliferan diferenciándose en dos tipos de tejidos, el citotrofoblasto y el sinciciotrofoblasto. Este último es el encargado de la penetración del blastocito, ya que fagocita el tejido endometrial. El blastocisto termina por penetrar al endometrio y la porción decidual que rodea al embrión comienza a expandirse de tal forma, que aparecen cavidades llenas de secreciones y sangre para otorgar nutrición al embrión.

Blastocisto

Implantación Orificio de la glándula endometrial

Epitelio cilíndrico sencillo del endometrio

(a) Vista externa, unos 6 días después de la fecundación

Estroma endometrial Epitelio sencillo Glándula endometrial

Trofoblasto

Vaso sanguíneo

Masa interna de células Blastocele

(b) Vista interna, unos 6 días después de la fecundación

Cavidad amniótica Citotrofoblasto Sinciciotrofoblasto Ectodermo Endodermo Vaso sanguíneo Cavidad amniótica (c) Vista interna, unos 7 días después de la fecundación

Finalmente, la misma decidua se convierte en una barrera mecánica e inmunológica frente a una mayor penetración de la pared uterina. La decidua corresponde al endometrio modificado por la implantación del embrión. Se divide en dos zonas, decidua basal y decidua parietal, las cuales se fusionan con una parte del corión. La decidua basal y el corion conforman la placenta.

CPECH

La implantación, según lo que hemos revisado, es un proceso único que requiere un diálogo entre dos organismos de diferente dotación inmunológica y genética: la madre y el embrión. El período en que este diálogo es posible se denomina ventana de implantación, la cual varía según la especie. En humanos se extiende desde el día 6 hasta el día 10 después de la ovulación; solamente en este período en que el trofoblasto puede adherirse y luego invadir el endometrio.

Preuniversitarios

109

capítulo

2

b. Diferenciación celular • Gastrulación: Al octavo día después de la fecundación, el blastocisto está parcialmente incluido en el endometrio, gracias al trofoblasto diferenciado.

El desarrollo embrionario continúa con la formación en el macizo celular interno o embrioblasto de una capa de células que se separa hacia un extremo, denominada amnios. La cavidad que la separa del embrioblasto se denomina cavidad amniótica. Las células restantes forman el disco embrionario, en el que se distinguen 2 capas de células: una superior o ectodermo y otra inferior endodermo. Más tarde las células del endodermo comienzan a migrar hacia abajo y dan lugar a otra cavidad, conocida como saco vitelino.



Posteriormente, se desarrolla un surco angosto en la superficie del ectodermo, conocido con el nombre de línea primitiva. De esa forma, las células del ectodermo comienzan a dividirse y migrar hacia el interior de este surco, formando una tercera capa de células embrionarias, dando origen al mesoderma.



La migración de las células embrionarias durante esta etapa, establecerá la formación de un embrión de 3 capas germinativas o embrionarias: ectoderma, mesoderma, endoderma.



Durante la tercera a la octava semanas de desarrollo, cada una de las tres hojas embrionarias da origen a varios tejidos y a la mayoría de los principales órganos y sistemas del cuerpo adulto.



En esta etapa del desarrollo, el embrión se denomina gástrula.

Epitelio cilíndrico sencillo

Estroma endometrial

Embrión Celoma extraembrionario

Cabeza Corazón Cola

Amnios

Corión

Ectodermo Mesodermo Endodermo

Tallo corporal

Saco vitelino Tallo corporal Sinciciotrofoblasto Mesodermo extraembrionario

CPECH

Preuniversitarios

(d) Vista interna, unos 14 días después de la fecundación

110

Celoma extraembrionario Cavidad amniótica

Vellosidades

Cavidad uterina

Saco vitelino Espacio intervelloso

(e) Vista interna, unos 25 días después de la fecundación

• Neurulación: En esta etapa, la región dorsal de la gástrula se aplana para formar la “placa neural”. Las células de su línea media comienzan a duplicarse rápidamente, con lo que se acercan hasta ponerse en contacto. En este momento se sueldan los bordes correspondientes, restituyéndose la continuidad del ectoderma dorsal. Así, el surco se transforma en “tubo neural”, que corresponde a un esbozo del futuro sistema nervioso. El embrión en este estado se conoce como neurula. El tubo neural deriva, como es fácil darse cuenta, del ectodermo dorsal. Esta estructura originará, en los vertebrados, la columna vertebral.

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

c. Morfogénesis Durante esta etapa, se realiza la formación de órganos. Cada una de las 3 capas germinativas de la gástrula está destinada a producir tejidos específicos. En general, la capa más externa (ectoderma) dará origen a la piel, sistema nervioso central y órganos de los sentidos; el endoderma va a originar todos los epitelios: y el mesoderma, ubicado en la posición central, va a dar origen a los tejidos conectivos, muscular y sistema reproductor. Estructuras con origen en las tres hojas Germinativas Primarias Origen Ectodérmico Sistema nervioso central. Sistema nervioso periférico. Epitelio de órganos de los sentidos: oído nariz boca ojos Epidermis y derivados: • Glándulas cutáneas • Pelo • Uñas Esmalte dental Hipófisis Glándulas mamarias

Origen Mesodérmico

Origen Endodérmico

Tejido conectivo cartílago hueso. Tejido muscular. Sistema Circulatorio (paredes corazón, vasos sanguíneos, células sanguíneas). Médula ósea. Tejido linfático. Corteza suprarrenal. Bazo. Dermis de la piel. Riñones y uréteres. Gónadas y conductos genitales.

Epitelio de: Tubo digestivo y glándulas anexas (hígado y páncreas). Vejiga, uretra. Sistema respiratorio (laringe, tráquea y pulmones) Faringe Trompa de Eustaquio Tiroides Paratiroides Timo Caja del tímpano Amígdalas

9.3 Anexos embrionarios Un organismo en desarrollo necesita de: • Nutrientes que le proporcionen energía, así como reservas para el desarrollo y crecimiento. • Un medio acuoso que impida la desecación. • Protección contra el medio ambiente. Los peces y anfibios llevan a cabo su desarrollo en el agua, de manera que el problema de proteger y nutrir al embrión se ve resuelto, ya que el medio líquido le proporciona casi todo lo necesario. Además poseen huevos con gran cantidad de vitelo que nutre al embrión. Asimismo, los embriones son capaces de alimentarse por su cuenta hasta convertirse en individuos adultos.

A continuación, se analizará cada uno de estos anexos:

Adquiere gran importancia en ovíparos, ya que aquí se almacena el vitelo que servirá de alimento al embrión hasta que se rompa el huevo y nazca el nuevo ser. En los mamíferos placentados no tiene función nutritiva, ya que sus huevos no poseen vitelo. Sin embargo, participa en la formación de las células germinativas destinadas a formar los gametos. Por otra parte, el saco vitelino forma los primeros vasos sanguíneos y glóbulos rojos del embrión.

Preuniversitarios

a. Saco vitelino

CPECH

Los organismos terrestres han desarrollado estructuras que les permiten desenvolverse en un medio seco. Los reptiles y aves son organismos ovíparos y el desarrollo embrionario ocurre dentro de un huevo. Este consta de la cáscara (que en el caso de los reptiles es blanda y suave mientras que en las aves es dura y cubierta de material calcáreo), una masa de vitelo o yema (reservas nutricias), la albúmina (clara) y un embrión con cuatro anexos embrionarios: saco vitelino, alantoides, amnios y corion.

111

b. Alantoides

capítulo

2

Es muy importante en reptiles y aves, debido a que acumula los productos de desecho metabólicos del embrión y participa en el intercambio gaseoso junto al corion. En los mamíferos, no cumple esta función, ya que los desechos son eliminados a través de la madre; pero sirve para formar inicialmente la sangre y después sus vasos sanguíneos que forman parte de la conexión entre la madre y el feto.

c. Amnios Es una delgada membrana que cubre al embrión, dejando una cavidad llena de líquido a su alrededor, la cavidad amniótica. El líquido amniótico está compuesto por agua (98 a 99%), iones, carbohidratos, proteínas y lípidos. Además posee células descamadas del amnios y células y pelos desprendidos de la piel fetal. El volumen de líquido amniótico aumenta a medida que progresa el embarazo. A los ocho meses es de 800 mL aproximadamente, luego se reduce y al nacimiento es de unos 500 mL. El líquido amniótico mantiene una presión uniforme sobre el feto, de tal forma que se desarrolle sin deformarse. Además impide que el feto se adhiera al amnios, le provee una temperatura adecuada, amortigua los golpes y absorbe las presiones derivadas de las contracciones uterinas durante el parto.

d. Corion Recubre totalmente al embrión y al resto de los anexos. En los ovíparos, está en contacto con la cáscara porosa, lo que permite una buena superficie para el intercambio de gases con el medio. En los mamíferos, la porción del corion en contacto con el endometrio forma la placenta. Además produce la hormona gonadotrofina coriónica humana.

e. La placenta

CPECH

Preuniversitarios

En los mamíferos, el embrión se desarrolla en el interior de la madre, ya que presentan una estructura fundamental, la placenta. Este anexo se encuentra presente solo en los mamíferos superiores llamados euterios (mamíferos placentados). En los metaterios (mamíferos marsupiales, sin placenta) existe el marsupio, que es una especie de bolsa en donde el embrión termina su desarrollo. Los prototerios (los mamíferos más primitivos) ponen huevos, como el “ornitorrinco”.

112

La placenta se origina a partir del corion fetal que emite una serie de vellosidades (secundarias y terciarias), que le dan un aspecto frondoso, del tejido de la pared uterina, llamado decidua basal. De esta manera se distinguen dos partes de la placenta: una fetal derivada del corion y otra materna. Las sangres materna y fetal nunca se mezclan.

Amnios

Embrión Cordón umbilical Arteria umbilical Vena umbilical

Cavidad amniótica

Corion Espacio lleno de sangre materna Vellosidad coriónica Pared uterina Vena uterina Arteria uterina

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

La barrera placentaria está formada por las paredes de los vasos sanguíneos fetales, el mesoderma embrionario, el citotrofoblasto y el sinciciotrofoblasto. A partir del cuarto mes, solo quedan el primero y el último de los constituyentes de esta barrera. Las funciones de la placenta son: • Intercambiar sustancias nutritivas y de desecho entre la madre y el feto. Desde este punto de vista, la placenta reemplaza a los sistemas digestivo, respiratorio y excretor del feto. • Producir hormonas como la gonadotrofina coriónica (que mantiene el embarazo durante los primeros tres meses), estrógeno, progesterona, relaxina (esta hormona ayuda a dilatar el cuello uterino, entre otras funciones) y somatomamotrofina coriónica o lactógeno placentario. • Protege al feto permitiendo el paso de anticuerpos desde la madre al feto, los que le proporcionarán inmunidad hasta después del parto. • Almacenar glucosa en forma de glucógeno, y cuando sea necesario poner esta glucosa a disposición del feto. Además, almacena proteínas, hierro, calcio y vitaminas. • Actúa como una barrera protectora contra numerosos microorganismos. Sin embargo, algunos virus pueden atravesarla, como el virus del sarampión, varicela, SIDA, entre otros. Por otro lado, casi todos los medicamentos, otras sustancias (como, el alcohol) y muchos otros compuestos que pueden causar defectos congénitos, cruzan de manera irrestricta la placenta.

f. Cordón umbilical Existe en los mamíferos con placenta. Al término de la gestación llega a medir entre 50 y 60 cm de longitud. Tiene forma tubular, y relaciona al embrión y luego al feto con la placenta. Está formado por vasos sanguíneos (1 vena y 2 arterias), saco vitelino y alantoides. Los vasos sanguíneos se encargan del transporte de sustancias que entran (nutrientes, O2, etc.) y salen (desechos metabólicos) del embrión o feto.

9.4 Desarrollo o crecimiento fetal A los dos meses de gestación, el embrión humano ya puede ser reconocido como tal. En este momento comienza la osificación y el crecimiento de todas las estructuras corporales y pasa a denominarse feto. El estado fetal se caracteriza por un continuo crecimiento, el que se acompaña por una maduración de las diferentes partes y estructuras que lo componen.

CPECH Preuniversitarios

113

capítulo

2

A medida que pasan los meses, se observan los cambios, que mencionaremos a continuación:

3 mes

4 mes

El feto mide 75 mm. Sus ojos ya se han desarrollado casi por completo, aunque los párpados todavía se encuentran fusionados. Continúa la osificación. Se inicia la formación de uñas. Es detectable el latido cardíaco, y ya es posible reconocer el sexo, pues los genitales externos están completamente diferenciados. La cabeza es más grande en relación al resto del cuerpo. La cara adquiere rasgos humanos y aparece pelo en la cabeza. Se observan las extremidades (en especial los dedos) completamente configuradas, y el feto se mueve dentro del saco amniótico.

mes

La cabeza está menos desproporcionada en relación con el resto del cuerpo. Se forma la grasa parda que es el sitio de producción de calor. El cuerpo está completamente cubierto por un vello muy fino conocido como lanugo. Continúa el desarrollo acelerado de los sistemas corporales. Su tamaño aproximado es de 25 a 30 cm.

6

Se pueden identificar las cejas y pestañas. Se arruga la piel y ocurre otro aumento corporal considerable.

5

mes

7 mes

8

La piel se ve rojiza y arrugada. La cabeza y el cuerpo están más proporcionados. Se inicia el descenso de los testículos al escroto. El feto está de cabeza y puede sobrevivir fuera del útero con cuidados médicos.

Se acumulan grasas bajo la piel. Esto hace que desaparezcan las arrugas.

mes

9 mes

Se acumula más grasa subcutánea y el lanugo se desprende. Por lo tanto, tenemos a un individuo listo para nacer. Al término del embarazo el feto mide unos 50 cm de longitud y lleva 280 días de gestación.

CPECH

Preuniversitarios

Placenta

114

Resto del saco embrionario Cordón umbilical

Vellosidades coriónicas

Corión Amnios Cavidad amniótica Tapón cervical

Endometrio Músculo uterino Cavidad uterina

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

9.4.1 Hormonas del embarazo

La relaxina es una hormona que se produce primero en el cuerpo lúteo y luego en la placenta. Su función es aumentar la flexibilidad de los huesos y ligamentos de la zona pélvica, además de estimular la dilatación del cuello uterino durante el parto. Otra hormona, producida durante el embarazo, es la hormona somatomamotrofina coriónica humana o lactógeno placentario. Se piensa que esta hormona prepara a las glándulas mamarias para la lactancia, mejora el crecimiento de la placenta, incrementa la síntesis de proteínas y regula ciertos aspectos del metabolismo materno-fetal, por ejemplo, aumenta la afinidad del feto por la glucosa.

Concentración en la orina

Durante los primeros tres meses de embarazo, el cuerpo lúteo continúa secretando estrógenos y progesterona, las cuales, como ya vimos, mantienen el revestimiento uterino durante la gestación y preparan a las glándulas mamarias para la lactancia. Esto se consigue gracias a la secreción de otra hormona, la gonadotrofina coriónica humana, producida primero por el trofoblasto y luego por el corion placentario. Recordemos que esta hormona estimula al cuerpo lúteo para que este siga produciendo estrógenos y progesterona. Desde el tercer mes hasta el final del embarazo, la placenta se encarga de producir en grandes cantidades dichas hormonas, necesarias para la continuación del embarazo. Después del parto, los niveles de estrógenos y progesterona disminuyen hasta llegar a los valores Parto Gonadotrofina normales en mujeres no embarazadas. coriónica

Estrógenos

Progesterona

0

1 2

3 4

5 6 7 8 9 10

Meses después del comienzo de la última menstruación

10. Parto La fecha de parto se calcula aproximadamente 266 días después de la concepción, o 290 días después del comienzo del último período menstrual. En pocas ocasiones nacen bebés en la fecha indicada, pero aproximadamente el 75% nace durante las dos semanas anteriores o posteriores a la fecha. A medida que se acerca el término del embarazo, se producen cambios hormonales que inducen al parto, disminuye la producción de progesterona por parte de la placenta, aumenta la producción de estrógenos y el hipotálamo libera la hormona oxitocina.

Preuniversitarios

El control de las contracciones durante el parto se realiza gracias a un feed back positivo. Los receptores de estiramiento del cuello del útero envían impulsos nerviosos al hipotálamo. Este, al recibir la información, libera oxitocina en los capilares del lóbulo posterior de la hipófisis. Luego viaja por la sangre hasta el miometrio, donde estimula la contracción de este músculo. Al intensificarse las contracciones uterinas el cuerpo del feto estira aún más el cuello uterino, lo que provoca una mayor liberación de oxitocina. Al ocurrir el nacimiento, se rompe el ciclo, por lo que disminuye la producción de la hormona.

CPECH

La oxitocina estimula las contracciones uterinas y la relaxina incrementa la flexibilidad de la zona púbica y participa en la dilatación del cuello uterino. Todo esto produce fuertes contracciones uterinas, se rompe el corion y el amnios, lo que causa salida del líquido amniótico. El cuerpo del feto ejerce presión sobre las paredes del útero.

115

capítulo

2

El parto puede dividirse en las siguiente etapas: a. Dilatación Placenta

Dura entre 2 a 16 horas, con intervalos de 15 a 20 minutos, incluye contracciones relativamente suaves al principio y fuertes hacia el final. Comienza con el inicio de las contracciones del útero y termina con la apertura completa o dilatación del cuello uterino que en esos momentos ha alcanzado 10 cm de diámetro; durante esta etapa, además, se produce la ruptura del saco amniótico con la expulsión de fluidos.

Útero Cordón Umbilical Cervix Vagina

Dilatación

b. Nacimiento Dura entre 2 a 60 minutos, se inicia cuando el cuello uterino está completamente dilatado y aparece la cabeza del feto en el canal del parto. Las contracciones duran entre 50 a 90 segundos y están separadas por uno a dos minutos.

c. Alumbramiento Comienza una vez que el bebé ha nacido. Comprende las contracciones del útero y la expulsión de fluido, sangre y la placenta junto al cordón umbilical. La placenta ahora pesa 500 gr, aproximadamente 1/6 del peso del bebé. Luego de la salida de la placenta continúan produciéndose contracciones uterinas menores que ayudan a detener el flujo de sangre y a que el útero retorne a su tamaño y condición previa al embarazo.

Placenta desprendiéndose

Cordón umbilical

Preuniversitarios

Alumbramiento

Después del nacimiento y la expulsión de la placenta, hay un periodo de seis semanas en el cual los órganos reproductores y la fisiología de la mujer regresan al estado que tenían antes del embarazo. Este período se denomina puerperio. Ocurre la reducción considerable del tamaño del útero y gracias a un proceso de catabolismo tisular, el cervix pierde su elasticidad y recupera la firmeza que tenía antes del embarazo.

CPECH

Nacimiento

Por espacio de dos a cuatro semanas después del parto, las mujeres expulsan un exudado uterino, llamado loquios, formado inicialmente por sangre y luego de un líquido seroso que proviene del sitio que ocupaba la placenta.

116

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

11. Lactancia La lactancia es la secreción y expulsión de leche desde las glándulas mamarias. Las mamas comienzan a desarrollarse en la pubertad. Este desarrollo es estimulado por los estrógenos. Asimismo, durante el embarazo se produce un crecimiento mucho mayor de las mamas, y solo entonces el tejido glandular queda preparado y se desarrolla completamente para secretar leche. En el embarazo, las enormes cantidades de estrógenos secretados por la placenta hacen que los conductos mamarios crezcan y se ramifiquen. Simultáneamente, el estroma glandular aumenta de volumen y grandes cantidades de grasa se depositan en el mismo.

Pezón

Tejido adiposo

Alveólos

Conductos

Glándulas Mamarias

También son importantes para el crecimiento de los conductos otras hormonas: la hormona del crecimiento, la prolactina, la glucocorticoides suprarrenales y la insulina. Finalmente, para que se produzca el desarrollo completo de las mamas y estas se conviertan en órganos productores de leche se necesita, además, la progesterona.

11.1 Comienzo de la lactancia: función de la prolactina La prolactina (PRL) es una hormona secretada por la adenohipófisis (lóbulo anterior de la hipófisis), que promueve la producción de leche. A medida que los niveles de esta hormona aumentan conforme avanza el embarazo, no hay secreción de leche, debido a que la progesterona inhibe los efectos de la prolactina. Después del parto disminuye la concentración de estrógenos y progesterona, interrumpiéndose dicha inhibición. Sin embargo, cada vez que la madre amamanta al hijo, la succión del pezón genera impulsos nerviosos que se transmiten al hipotálamo, el cual disminuye la producción de la hormona inhibidora de prolactina y aumenta la de la hormona liberadora de prolactina. Esto produce que la adenohipófisis libere prolactina, la cual luego actúa sobre las glándulas mamarias estimulando la producción de leche.

11.2 Eyección de la leche: función de la hormona oxitocina La leche es secretada continuamente y se vierte en los alvéolos, pero esa leche no pasa hacia los conductos que la llevan finalmente al pezón. Para que el bebé reciba la leche debe ser impulsada desde los alvéolos a los conductos galactóforos. Este proceso se conoce como“ subida de la leche” y se debe a un reflejo combinado, neurógeno y hormonal, en el que interviene la hormona oxitocina.

CPECH Preuniversitarios

La oxitocina provoca la liberación de leche en los conductos mamarios. La succión del pezón hace que el hipotálamo secrete oxitocina. Esta hormona al llegar a las glándulas mamarias estimula la contracción de las células mioepiteliales que rodean los conductos glandulares. La compresión resultante desplaza la leche de los alvéolos de las glándulas a los conductos mamarios, donde es posible su succión (expulsión de la leche). Aunque esta no ocurre realmente hasta 30 a 60 segundos después de iniciada la succión, algo de leche almacenada en los conductos cercanos al pezón está disponible para el lactante.

117

capítulo

2

La succión de una mama produce el flujo de leche no solo en esa mama, sino también en la otra. Estímulos no relacionados con la succión, como oír el llanto del bebé, acariciar al bebé, a menudo proporciona una señal de emoción al hipotálamo capaz de producir el descenso de la leche. Hacia fines del embarazo, y en los primeros días después del parto, las glándulas mamarias secretan un líquido lechoso, conocido como calostro. Aunque no es tan nutritivo como la leche, ya que contiene menos lactosa y está casi desprovisto de grasas, resulta adecuado hasta la aparición de la leche verdadera, hacia el cuarto día después del parto. El calostro y la leche materna contienen anticuerpos que protegen al lactante durante los primeros meses de vida. Es frecuente que la lactancia bloquee el ciclo ovárico durante los meses que siguen al parto, suponiendo que la frecuencia de la succión es de 8 a 10 veces al día. Sin embargo, se trata de un efecto inconstante y la ovulación, normalmente, se presenta un poco antes de la menstruación subsiguiente al parto.

11.3 Composición de la leche La siguiente tabla enumera los contenidos de la leche humana y de la leche de vaca. Tabla: Composición de la leche materna y la de vaca Agua Contenido energético (kcal/100 mL)

Leche humana madura

Leche de vaca

88%

88%

70

69

Lactosa (g/100 mL)

7.3

4.8

Nitrógeno total (mg/100 mL)

171

550

Proteínas totales (g/100 mL)

0.9

3.3

Caseína (g/100 mL)

0.25

2.73

Lactoalbúmina (g/100 mL)

0.26

0.11

0

0.36

Beta-lactoalbúmina (g/100 mL) Lactoferrina (g/100 mL)

0.17

Trazas

Lisozima (g/100 mL)

0.05

Trazas

Anticuerpos (IgA) (g/100 mL)

0.14

0.003

Grasas totales (g/100 mL)

4.2

3.8

Ácido linolénico (% de la grasa)

8.3

1.6

Colesterol (mg/100 mL)

16

14

Calcio (mg/100 mL)

28

125

Fósforo (mg/100mL)

15

96

CPECH

Preuniversitarios

a. Ventajas para el niño

118

Al observar los valores que en la tabla se presentan, podemos darnos cuenta de que la alimentación de un bebé a base de leche materna le aporta mayores beneficios que la alimentación con leche de vaca. El amamantamiento del niño hace que reciba el “único” alimento con la composición y equilibrio de nutrientes que necesita para el correcto desarrollo de su sistema nervioso y su aparato locomotor. Se estima que es correcto amamantar al niño hasta el 6° mes y luego completar la lactancia con papillas y sólidos.

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

Otros beneficios son: • Protección contra organismos patógenos. En la leche humana se encuentran diversos tipos de leucocitos y anticuerpos, los cuales actúan sobre cualquier microorganismo patógeno, presente en el cuerpo del bebé. • Disminución de la frecuencia de enfermedades. El amamantamiento reduce levemente el riesgo de linfomas, enfermedades cardíacas, alergias, diarreas, etc. • Mejora el desarrollo neurológico e intelectual. • Intensifica la relación materno-fetal.

b. Ventajas para la mujer Mejora su autoestima, logra más fácil el establecimiento del apego y relación madre-hijo en los que se manifiestan sentimientos positivos de satisfacción personal, para lograr la recuperación física y emocional luego del parto. También disminuye la incidencia de patologías como el sangrado posparto, la anemia, el cáncer de útero, ovario y mama, la osteoporosis postmenopáusica.

c. Ventajas para la sociedad Disminuye la mortalidad infantil, así como el ausentismo laboral materno por enfermedad del niño. Se ha demostrado que los adultos que fueron amamantados tienen menor incidencia de: • • • •

Aterosclerosis Obesidad Hipercolesterolemia Colitis ulcerosa

12. Hormonas, crecimiento y desarrollo El crecimiento y desarrollo son procesos mediante los cuales una simple célula se puede transformar en un alerce o en un puma. Sin embargo, una de las diferencias notorias entre plantas y animales, es el hecho de que mientras los animales dejan de crecer al alcanzar la madurez, aunque las células de los tejidos de recambio como la piel siguen dividiéndose, las plantas siguen creciendo durante toda su vida. Para continuar, debemos recordar que el proceso de crecimiento se define como un aumento de tamaño, debido a un incremento en el número de células; a un aumento de tamaño de las células existentes como componentes internos o bien del tamaño de las sustancias intercelulares. Desarrollo, en tanto se define como el proceso por el cual un organismo se convierte en adulto a partir de un óvulo fecundado y finalmente se muere. Ambos procesos son llevados a cabo bajo control hormonal.

Preuniversitarios

Las funciones que tienen relación con el crecimiento y el desarrollo son las que desarrollaremos a continuación.

CPECH

Control Hormonal. Las hormonas son sustancias de diversa naturaleza química que ejercen un control a distancia del lugar de síntesis. Las hormonas están encargadas de regular distintas funciones dentro del organismo, tales como el crecimiento, la reproducción, el metabolismo, la producción de calor, etc. Las hormonas cumplen un importante papel dentro de la homeostasis, concepto que se refiere a la mantención de un estado de equilibrio interno.

119

capítulo

2

12.1 Control del crecimiento y desarrollo de los animales El crecimiento y desarrollo de animales está controlado por la información genética y algunas hormonas del sistema endocrino. Entre estas hormonas podemos mencionar: a. Hormona del crecimiento (hGH) Esta hormona actúa sobre casi todas las células del cuerpo. Se produce en el lóbulo anterior de la hipófisis o adenohipófisis. Se caracteriza porque en gran parte hace su acción en forma indirecta sobre los tejidos, fomentando la síntesis y liberación de hormonas proteicas pequeñas llamadas factores de crecimiento insulinoides (FCI), secretados por células del hígado y tejidos como músculo esquelético, huesos, cartílago y otros. Los FCI pueden actuar tanto como sustancias autocrinas (actúan sobre las células que las produce) como paracrinas (actúa sobre células vecinas, del mismo tejido donde se produce el factor). Su función es hacer crecer a las células, estimular la división celular aumentando el ritmo al que los aminoácidos entran en ellas y son utilizados en síntesis proteica. Además inhiben la degradación proteica, y el uso de aminoácidos en la síntesis de ATP. Gracias a los efectos de los FCI, la hGH aumenta el ritmo de crecimiento de los huesos y músculos durante la niñez y adolescencia. En los adultos ayudan a mantener la masa ósea y muscular, fomentan la cicatrización de heridas, reparación de tejidos y tiene un efecto diabetógeno en el organismo, entre otros efectos. La secreción de hGH es liberada en ráfagas en intervalos de varias horas, especialmente durante el sueño. Otros estímulos que fomentan la secreción de hGH son el descenso de la concentración de ácidos grasos y el ascenso de aminoácidos en la sangre, el sueño profundo, el aumento de la actividad del sistema nervioso simpático y la acción de otras hormonas como son glucagón, estrógenos, cortisol e insulina. Los estímulos que inhiben la secreción de hGH son los elevados valores de ácidos y bajos de aminoácidos, sueño de movimientos oculares rápidos, privación emocional, obesidad, concentraciones bajas de hormonas tiroideas y los valores elevados de hGH misma. Gran parte de las variaciones en la estatura humana se deben a diferencias en la secreción de la hGH. La deficiencia de la hormona en la infancia produce enanismo; el exceso, también durante la niñez, produce gigantismo, y el exceso de la hormona en la edad adulta causa acromegalia. Esta última enfermedad se caracteriza porque ya que en la edad adulta no hay crecimiento longitudinal, se produce engrosamiento óseo de manos, pies, mejillas y maxilar inferior.

b. Hormonas tiroides

CPECH

Preuniversitarios

Sintetizadas en la glándula tiroides, elevan la tasa metabólica, estimulan la liberación de glucosa y proporcionan energía.

120

En los animales jóvenes; incluido el ser humano, las tiroxinas ayudan a regular el crecimiento, estimulando tanto la tasa metabólica como la maduración del sistema nervioso. La secreción excesiva de tiroxina en vertebrados jóvenes puede causar un desarrollo precoz. En 1922 se demostró que un exceso de esta hormona puede causar una metamorfosis temprana en renacuajos.

c. Hormonas sexuales • Estrógenos y progesterona: Hormonas producidas en las gónadas femeninas. Los ovarios regulan el ciclo reproductivo, preservan el embarazo, preparan las glándulas mamarias para la lactancia y se encargan del desarrollo y conservación de las características sexuales secundarias.

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

• Testosterona: Hormona producida en la gónada masculina, el testículo. Regula la producción de espermatozoides, estimula el desarrollo y conservación de las características sexuales secundarias.

12.2 Control del crecimiento y desarrollo de las plantas Los organismos vegetales, al igual que los organismos animales, producen señales químicas llamadas hormonas. El efecto de estas se realiza en los diferentes tejidos de la planta, regulando su crecimiento, su desarrollo, sus actividades metabólicas y sus respuestas a estímulos, como el tropismo. Se conocen los siguientes tipos de hormonas vegetales: auxinas, citocininas, etileno, ácido abscísico, giberalinas, florigenos, ácido jasmónico y ácido salicílico. En las siguientes páginas, estudiaremos estas hormonas y su importancia para el humano en su aplicación comercial.

Sabías que... El tropismo es la respuesta de crecimiento que implica la curvatura de una planta en sentido contrario o hacia el estímulo externo que determina la dirección del movimiento.

a. Auxinas o ácido indolacético o IAA El IAA es un derivado del triptófano y se produce en los meristemas apicales de los vástagos. También es producido por hojas jóvenes, flores, embriones y frutos. Su transporte a todos los tejidos vegetales se realiza en dirección única: de vástago a la raíz. Tiene por función regular la dirección de crecimiento de tallos (vástago) y raíces. Promueve el alargamiento celular, estimula la dominancia apical, estimula el crecimiento de tallos y raíces, promueve el alargamiento celular, participa de las respuestas trópicas, estimula la producción de etileno. En las plantas leñosas también desempeña un papel en la iniciación estacional de la actividad en el cambium vascular. El tratamiento con auxinas en las partes femeninas de la flor, es decir, en el gineceo, hace posible la obtención de un fruto partenocárpico (un fruto originado sin que exista fecundación), por lo que no se produce semilla. Este proceso permite en algunas especies la obtención de frutos sin semilla, tales como uva, tomates, pepinos y berenjenas sin semillas.

Lado iluminado del coleóptilo

Sabías que... partenocárpico proviene de un vocablo griego parthenos, que significa “virgen” o “doncella”, es decir, un fruto originado sin haber sido fecundadas sus semillas.

Preuniversitarios

Estas hormonas tienen semejanza a la adenina, aunque se desconoce si esto tenga algún beneficio para su acción. Se encuentran característicamente en tejidos que están en división activa como los meristemas, las semillas en germinación, frutos en maduración y en raíces en crecimiento.

Rayos de luz

CPECH

b. Citocininas o Citoquininas

Lado sombreado del coleóptilo

121

capítulo

2

Los estudios sobre estas hormonas han demostrado que son necesarias para la división celular en algunos procesos posteriores a la replicación del ADN, pero anterior a la mitosis. También tienen por función incrementar la tasa de síntesis proteica. Se piensa que parte de las proteínas resultantes pueden ser necesarias para la división celular. Al estimular la división celular revierte la dominancia apical, interviene en el crecimiento del vástago, estimula la formación de yemas en los tallos, estimula la expansión foliar, incrementa la apertura estomática en algunas especies, estimula el desarrollo del fruto y demora la senescencia de las hojas, al estimular la movilización de nutrientes y la síntesis de clorofila. Finalmente, estimula la dormancia que presentan las yemas y semillas de algunas especies. El tratamiento con citocinas se aplica a los cerezos antes que la yema se hinche para liberarlas de la dominancia apical. En los manzanos, se usa en el eje cuando el crecimiento del brote tiene 3 a 10 centímetros. Estimulan la formación de tubérculos en patatas.

Vástago se refiere a las porciones que se encuentran encima de la superficie del suelo, como los tallos y las hojas de una planta vascular.

• La relación Auxinas - Citocininas: La interrelación que se establece entre las auxinas y las citocininas, ayudan a regular mutuamente el crecimiento del vástago y la raíz. Esta regulación es importante porque ambos sistemas son el sustento nutricional de las plantas. La raíz en crecimiento produce grandes cantidades de citosina, que estimula las yemas laterales para que comiencen a brotar. Si el sistema de raíces no está creciendo al ritmo a) Sin corte de yema. b) Corte de yema apical. adecuado, el vástago produce menos citocinina, frenando su crecimiento. Simultáneamente se producen más auxinas en el tallo en crecimiento, lo que estimula el crecimiento y ramificación de las raíces de esta forma. Raíz y tallo no pueden crecer desproporcionadamente uno en relación al otro.

c. Etileno

Preuniversitarios

El etileno es un hidrocarburo gaseoso (H2C=CH2). Tiene por función estimular la maduración del fruto, la senescencia de las hojas y flores, la abscisión de hojas y frutos. Puede ser efector de la dominancia apical bajo la influencia de las auxinas, estimula la apertura de las flores, inducen la feminidad de plantas monoicas y parece jugar un papel importante en la formación de raíces adventicias.

CPECH

En una hormona inusual, ya que es un compuesto del que se conocían sus efectos sobre el crecimiento de los frutos desde el antiguo Egipto donde se trataba con gas los higos para estimular su maduración y en la antigua China donde se quemaba incienso en habitaciones cerradas para madurar las peras.

El tratamiento con etileno se utiliza para mejorar la coloración de los frutos cítricos, acelerar la maduración y caída de flores y frutos. Se emplea para producir la maduración de manzanas y tomates; para promover la feminidad de las cucurbitáceas más conocidas como melón, calabaza, pepino etc; para prevenir la autopolinización e incrementar su producción.

122

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

d. Ácido Abscísico o ABA Esta hormona es un compuesto parcialmente producido a partir de ácido meválonico en cloroplastos y otros plastidios. Se propone su biosíntesis a partir de la degradación de carotenoides y es muy abundante en las bases ováricas de los frutos. Tiene por función estimular el cierre de estomas durante periodos de estrés hídrico de la planta; inhibe el crecimiento del tallo, pero no de las raíces; en las semillas induce la síntesis de proteínas de almacenamiento; inhibe el efecto de las giberalinas. Puede ser necesario para la senescencia y abscisión de las hojas e induce y mantiene la latencia (estado de letargo) de ciertas especies. Finalmente, parece tener un papel en la defensa contra agentes patógenos. Actualmente, no existen muchos usos prácticos para el ABA debido al escaso conocimiento de su fisiología y bioquímica. Sin embargo, el ABA puede tener una importancia enorme en el futuro de la agricultura, particularmente en zonas desérticas. Hay razones para creer que la tolerancia de algunas plantas a condiciones de estrés, tales como la sequía, está directamente relacionada con su capacidad para producir ABA.

e. Giberelinas Hasta el momento, esta hormona, presenta 90 variantes aisladas de diferentes vegetales, principalmente de plantas superiores. Se presenta en concentraciones variables en todos los órganos de la planta, pero la mayor concentración se encuentra en la semilla inmadura. Estimulan el alargamiento del vástago, el crecimiento desmandado, la floración en plantas bienales; regulan la producción de enzimas hidrolíticas en los granos o semillas; sustituyen los días largos y las temperaturas frías requeridas por algunas especies para su floración; inducen la partenocarpia en algunos frutos; inhiben la dormancia de yemas y semillas de algunas especies; retrasan la maduración de frutos; inducen la masculinidad en plantas monoicas; y pueden retrasar la senescencia de hojas y frutos cítricos. Con esta hormona, el tratamiento se utiliza para incrementar el tamaño de los granos de uva sin semillas. Produce la elongación del fruto en las manzanas y se utiliza para modificar la forma de las manzanas tipo Delicius bajo determinadas circunstancias. En los cítricos, la aplicación de giberelinas retrasa la senescencia, por lo que los frutos pueden dejarse más tiempo en el árbol, retrasando así su comercialización. 

f. Florígenos También llamados hormonas de la floración o estímulo floral, controlan el tiempo de floración en las plantas. Se caracterizan porque pueden pasar de un tejido vegetal a otro, si entre ambos hay conexiones anatómicas de tejido vivo. Específicamente se mueven a través del sistema floemático. Sin embargo y a pesar de la existencia de evidencias de sustancias tanto inhibidoras como inductoras de la floración, los intentos por aislarlas han sido hasta ahora infructuosos.

Preuniversitarios

Esta hormona es conocida, ya que es un compuesto del que deriva la aspirina. Su nombre proviene de Salix, más conocido como sauce llorón, árbol cuyas hojas y corteza tradicionalmente se utilizan para curar el dolor y la fiebre. El ácido salicílico deriva de un grupo de sustancias conocidas como fenólicos, que están relacionadas con procesos fisiológicos y de adaptación en las plantas. Se ha encontrado en los tejidos de todas las plantas que han sido analizadas, tales como la soya, el arroz y la cebada.

CPECH

g. Ácido salicílico

123

capítulo

2

Tiene por función la inhibición de la síntesis de etileno. Retrasa la senescencia, induce la floración, ayuda a responder al estrés ambiental, actúa inhibiendo la producción de una hormona vegetal denominada ácido jasmónico (de estructura similar a una prostaglandina). Además, aumenta la resistencia a las infecciones, activando la respuesta inmunológica, especialente a los ataques virales. Actualmente se cuenta con análogos funcionales del ácido salicílico que se utilizan con éxito a nivel comercial en el control y prevención de ciertos patógenos. Por otra parte, aunque el ácido salicílico imparte cierta resistencia al estrés causado por temperaturas extremas, por presencia de metales pesados y por herbicidas sus aplicaciones en el alivio del estrés ambiental han sido poco estudiadas. Estos resultados experimentales indican la potencial utilidad del mencionado compuesto, sus derivados y análogos en el manejo agronómico de cultivos.

h. Ácido jasmónico El ácido jasmónico y sus derivados fue aislado como aceite esencial de plantas como el jazmín. Sin embargo, hoy se sabe que son compuestos ampliamente distribuidos en las plantas. Se conoce desde hace largo tiempo por su función en la germinación de las semillas y los procesos de senescencia de las plantas. Además, promueve la abscisión de hojas y el enrollamiento de zarcillos; inhibe la germinación de la semilla y la fotosíntesis, y actúa como regulador del crecimiento. En los últimos estudios, también se ha descubierto que participa de respuestas a estrés en plantas. Su producción es estimulada por una herida, signo detonador de defensa contra microorganismos, ya que al aumentar su concentración interna favorece la síntesis de una serie de metabolitos con actividad antimicrobiana. Comercialmente aún no tiene un amplio uso, pero se ha descrito en diferentes especies que la aplicación exógena de ácido jasmónico se manifiesta en un aumento de la resistencia a determinados hongos y bacterias patógenos. Por otro lado, diferentes resultados han demostrado el papel crucial que juegan los jasmonatos en la respuesta de los vegetales, a patógenos vegetales así como también al ataque de insectos.

Actividades 1. Investiga de qué manera ocurre el desarrollo en otros animales. 2. ¿A qué se refiere el proceso de metamorfosis y de qué forma se regula?

CPECH

Preuniversitarios

3. Investiga acerca de la función de las siguientes hormonas vegetales:

124

a) Auxinas. b) Citocininas. c) Etileno. d) Ácido abscícico. e) Giberelinas.

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

13. Uso médico de hormonas en el control y promoción de la fertilidad Para que ocurra la fecundación o fertilización debe producirse el encuentro entre el ovocito expulsado en la ovulación y un espermatozoide proveniente del semen que fue depositado en la vagina durante la eyaculación. Sin embargo, debemos de considerar que el ser humano es un mamífero subfértil y la tasa de fertilidad entre las parejas de 24 años es de un 60% a 70% de probabilidad de embarazo, después de mantener relaciones sexuales no protegidas durante seis meses. Por otro lado, si se requiere controlar la fertilidad, existe una variedad de métodos anticonceptivos para evitar o diferir un embarazo. Durante muchos años, los métodos anticonceptivos más utilizados fueron los métodos de barrera, como el diafragma y el condón. En las décadas de 1960 y 1970, se generalizó el uso de la “píldora”, una combinación de estrógenos y progesterona sintéticos.

13.1 Métodos de control de la fertilidad Tras la expulsión del ovocito II, este no permanece viable y capaz de ser fecundado por más de 24 horas, por tanto, los espermatozoides deben estar dispuestos poco tiempo después de la ovulación si ha de tener lugar la fecundación. Por otra parte, unos pocos espermatozoides se mantienen fértiles en el aparato reproductor femenino durante 72 horas, aunque la mayoría no resiste más de 24 horas. De esa manera, para que se lleve a cabo la fecundación, el coito debe producirse en algún momento entre 1 a 2 días antes de la ovulación y hasta 1 día después de esta. Por lo tanto, el periodo de fertilidad femenino durante cada ciclo sexual es corto. Tipos a. Métodos naturales • Método del ritmo: Uno de los métodos de anticoncepción que se practica más frecuentemente es evitar el coito en el tiempo próximo a la ovulación. Por lo tanto, si el ciclo menstrual es regular, con una periodicidad de 28 días, la ovulación ocurre habitualmente dentro del día anterior y siguiente del día 14 del ciclo. De esta manera, se suele decir que evitando el coito durante 4 días antes del día calculado de la ovulación y 3 días después, se evita la concepción. • Retiro: También es conocido como “coitus interruptus” o coito interrumpido. Es un método de planificación tradicional en el que el hombre retira el pene completamente de la vagina antes de eyacular. A consecuencia de ello los espermatozoides no entran en la vagina impidiéndose la fecundación.

b. Métodos hormonales

CPECH Preuniversitarios

• Anticonceptivos orales (AO): El uso de anticonceptivos orales (la píldora) para ajustar los niveles hormonales permite interferir en la producción de gametos o en la implantación del óvulo fecundado en el útero. Los anticonceptivos más utilizados, las píldoras de combinación, suelen tener concentraciones altas de una sustancia similar a la progesterona (progestágenos sintéticos) y bajas de estrógenos. Estas hormonas actúan por retroalimentación negativa en la adenohipófisis, donde reducen la secreción de FSH y LH, y en el hipotálamo donde inhiben la secreción de la hormona liberadora de gonadotrofinas. Por lo regular, las bajas concentraciones de FSH y LH impiden el desarrollo folicular y la ovulación, con lo cual resulta imposible el embarazo por la ausencia de un ovocito secundario que pueda ser fecundado. Incluso si llegara a ocurrir la ovulación, los anticonceptivos orales cambian el moco cervical de manera que resulta hostil para los espermatozoides.

125

capítulo

2



En cuanto a los beneficios no anticonceptivos de estos métodos están: la regulación de la duración de los ciclos menstruales, la reducción del flujo menstrual, la protección contra los cánceres endometriales y ováricos, y la disminución del riesgo de endometriosis. Sin embargo, no son aconsejables para mujeres con antecedentes de trastornos en la coagulación sanguínea, daño en los vasos sanguíneos cerebrales, migraña, hipertensión, disfunción hepática o cardiopatías. Variación de los niveles sanguíneos de hormonas sexuales por administración de hormonas sintéticas Progesterona en nanogramos por mL. 30 Estrógeno

20

Progesterona

Administración diaria de una pastilla anticonceptiva

10

0 LH y FSH en miliunidades por mL.

60

LH

40 20 0



200 100

0

80

300

FSH

1

5

9

13 17 21 25 1

5

9

13 17 21 25 1

días

A pesar de los beneficios que ofrecen a muchas mujeres, los AO, pueden generar algunos efectos secundarios menores. Generalmente estos duran poco y pueden desaparecer dentro de los primeros meses. Los posibles efectos secundarios son: sangrado intermenstrual, alteración del peso, manchas oscuras en el rostro, naúseas, etc.

Sabías que...

CPECH

Preuniversitarios

La principal razón de utilizar estrógenos sintéticos, así como progesterona sintética, es que las hormonas naturales se destruyen casi completamente en el hígado poco tiempo después de ser absorbidas en el tubo digestivo. Pero las hormonas sintéticas resisten la tendencia destructora del hígado, permitiendo así la administración oral.

126

• Método de implante: Es un método anticonceptivo de venta bajo receta médica que ofrece una protección prolongada para evitar el embarazo. El implante puede consistir en una o seis varillas plásticas de igual tamaño que el ginecólogo inserta debajo de la piel en la parte superior del brazo, utilizando un anestésico local. Las varillas liberan una dosis constante de una sola hormona (progestágeno) la que inhibe la ovulación, y modifica a su vez el moco cervical. El implante se considera la forma más efectiva de anticoncepción disponible. Una vez colocado en su lugar, tiene una duración de 3 a 5 años. • Método de inyección intramuscular: Este método consiste en la inyección trimestral de una hormona similar a la progesterona, que previene la maduración del óvulo y produce cambios en el revestimiento uterino que vuelven menos probable el embarazo.

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

• Anticoncepción de emergencia (píldora del día después): Es un fármaco compuesto de estrógenos y progesterona o solo progesterona (el último salido al mercado) en altas dosis. Solo es efectivo si se toma durante las 72 horas tras el coito sin protección, disminuyendo su efectividad conforme van pasando las horas. Este medicamento también es conocido como “píldora postcoital”.

La píldora puede retrasar la ovulación o disminuir el transporte del esperma o el óvulo, previniendo así la concepción. Debido a que la concepción puede ocurrir en cualquier momento desde unas pocas horas hasta aproximadamente 2 días después de la relación sexual, estos mecanismos podrían entrar en juego si las píldoras fuesen tomadas lo suficientemente rápido, después de la relación sexual y durante ciertas partes del ciclo de la mujer.



En cuanto a la efectividad, es difícil evaluar, porque la mujer quizás no esté en la fase fértil de su ciclo cuando tenga relaciones sexuales.



Los efectos secundarios más comunes son naúseas, las cuales ocurren hasta en un 50% de las mujeres, y vómitos los que ocurren hasta en un 25% de las mujeres. Otros efectos secundarios incluyen dolor de cabeza, inflamación de los senos, fatiga, dolor abdominal y vértigo.

c. Otros métodos de control de la natalidad • Esterilización quirúrgica: La esterilización es un procedimiento quirúrgico mediante el cual la persona queda incapacitada para la reproducción. En varones, la técnica más usada es la vasectomía, la cual consiste en la extirpación de una parte de los conductos deferentes. Aunque los testículos del varón continúan produciendo espermatozoides, estos ya no pueden llegar al exterior, por lo tanto, degeneran y son destruidos por fagocitosis. Como en esta técnica no seccionan vasos sanguíneos, los niveles de testosterona en la sangre permanecen normales, por ende la vasectomía no tiene efecto en el funcionamiento sexual. En mujeres la esterilización que se lleva a cabo más frecuentemente es la ligadura de trompas, procedimiento en el que se anudan y cortan las trompas de Falopio. Esto impide que los ovocitos secundarios pasen al útero y que los espermatozoides puedan llegar a dichas células. • Dispositivos intrauterinos (DIU): Un DIU es un pequeño objeto de plástico, cobre o acero inoxidable que se introduce en la cavidad uterina. Los DIU producen cambios en el revestimiento uterino que obstaculizan la implantación del óvulo fecundado. • Métodos de barrera: Estos métodos están diseñados para impedir que los espermatozoides tengan acceso a la cavidad uterina y a las trompas de Falopio. Además de prevenir el embarazo, brindan protección contra enfermedades de transmisión sexual, como el SIDA, en contraste con los anticonceptivos orales y el DIU que no lo proporcionan. Entre estos métodos, se encuentran el preservativo y el diafragma.

2. Explica por qué las pastillas anticonceptivas están confeccionadas sobre la base de hormonas sexuales sintéticas y no naturales 3. Indica las principales ventajas y desventajas del uso de anticonceptivos orales. 4. ¿Qué método utilizado actualmente es más eficaz en el control de natalidad y cuál menos? Fundamenta tu respuesta.

Preuniversitarios

1. Explica el mecanismo de acción de las pastillas anticonceptivas orales.

CPECH

Actividades

127

capítulo

2

13.2 Esterilidad y fertilidad Cuando los pasos requeridos para lograr la fecundación se desarrollan normalmente, y existe una integridad anatómica y funcional del sistema reproductor del hombre y de la mujer, se produce una fertilización exitosa. Por lo general, se piensa que si se tienen relaciones sexuales cerca del día de la ovulación seguramente habrá embarazo, pero esto no siempre es así. En realidad nuestra especie tiene un bajo poder reproductivo, de manera que la posibilidad de embarazo. Cuando el contacto sexual es durante el periodo de ovulación, en una pareja menor de 35 años y sin ningún factor de infertilidad, es solo de 18 a 35% por mes. Después de los 35 años la fertilidad de la mujer disminuye y a los 40 su probabilidad mensual de lograrlo es menor a un 10%. Sin embargo, esto no quiere decir que el embarazo sea imposible después de esta etapa, ya que casi todos conocemos a alguien que lo ha conseguido en edades extremas, aunque hay que tener en cuenta que son excepciones. En general, la infertilidad puede ser atribuida a la pareja masculina, a la pareja femenina o a ambos. En muchos casos la causa de infertilidad no puede ser identificada y generalmente ocurre un embarazo antes de que la causa se haya determinado. Sin embargo, muy pocas parejas sufren una infertilidad definitiva, y el tratamiento médico es muy útil en la mayoría de los casos.

13.2.1 Esterilidad La esterilidad es la incapacidad para concebir y la infertilidad alude a la imposibilidad de llevar a término un embarazo. Se considera que existe un problema de infertilidad cuando no se ha podido tener un hijo vivo, después de un año de relaciones sexuales con la finalidad de procrear. La diferencia entre ambos conceptos es que la infertilidad puede ser revertida, la esterilidad no. a. Problemas de esterilidad en el varón • Factor pretesticular: Alteraciones en las hormonas (hormonas hipofisiarias: LH y FSH) que estimulan el testículo. • Factor testicular: Afecciones del testículo. Pueden ser genéticos, congénitos (de nacimiento) o adquiridos (infecciones).

CPECH

Preuniversitarios

• Factor postesticular: Afectan a los espermatozoides una vez que han salido del testículo. Son las obstrucciones de la vía espermática, las infecciones seminales, la presencia de anticuerpos antiespermáticos, las alteraciones eyaculatorias y las alteraciones coitales.

128

• Otra causa de esterilidad masculina es la incapacidad de eyacular la cual puede tener diversos orígenes, como la diabetes, la impotencia o el haberse sometido a cirugía de próstata o de uretra.

b. Problemas de esterilidad en la mujer • A nivel del cuello uterino: Pueden existir alteraciones anatómicas o funcionales que interfieran con el camino que siguen los espermatozoides desde la vagina hasta una de las trompas, donde se produce la fecundación con el óvulo. Entre las alteraciones anatómicas se encuentran los pólipos, quistes y traumatismos que pueden ser ocasionales o producidos por cirugía.

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

• A nivel del útero: Los problemas uterinos más frecuentes son malformaciones, miomas o tumores benignos, adherencias a las paredes, etc. Entre las endometriales, destacan las infecciones del endometrio (endometritis). • Alteraciones en las trompas: La causa más importante es la infecciosa, produciendo diferentes tipos de salpingitis o inflamación de las trompas, con la consiguiente obstrucción. Entre las causas no infecciosas, la más frecuente es la endometriosis, una enfermedad que consiste en la presencia de tejido proveniente del endometrio fuera de la cavidad uterina, sobre todo en los ovarios y los ligamentos que fijan el útero a la pelvis. • La anovulación: Se produce cuando el ovocito II no llega a ser expulsado por el ovario, ya sea por no haberse formado o por no alcanzar la madurez necesaria. Esta puede aparecer por una disfunción del hipotálamo y la Hipófisis, por lo que esta glándula no produce suficiente cantidad de hormonas gonadotrofinas (LH y FSH) y el ovario no se estimula. Otra alteración posible está en las cantidades de LH (hormona luteinizante) y FSH (hormona foliculoestimulante), como es en el caso de la poliquistosis ovárica (ovarios poliquísticos) que se caracteriza por un exceso en la producción de la hormona LH, por lo que se altera el ciclo ovulatorio. Este cuadro se asocia con la obesidad y con un exceso de hormonas masculinas que suelen producir un aumento del vello. También pueden existir alteraciones de la ovulación por problemas de otras hormonas como es el aumento de prolactina o alteraciones en la glándula tiroides. • Factores relacionados con el estilo de vida: El estrés, la alimentación o la práctica intensa de ciertos deportes pueden alterar el equilibrio hormonal femenino.

13.2.2 Promoción de la fertilidad a. Inducción ovárica (IO) La inducción o estimulación ovárica persigue llegar a una ovulación correcta. Está indicada en los casos de anovulación y para potenciar la eficacia de la inseminación artificial. La IO consiste en la estimulación de la ovulación con preparados hormonales, que se administran por vía oral o inyectados (hormonas gonadotrofinas) a partir del segundo o tercer día del ciclo. Se efectúan controles periódicos con ecografías que permiten ver el número de folículos que genera la mujer y, en su caso, el mejor momento para realizar la inseminación artificial. Cuando se presentan tres o cuatro folículos, se suele cancelar el ciclo a fin de evitar el embarazo múltiple y un cuadro denominado hiperestimulación ovárica. Citrato de Clomifeno: Generalmente el Citrato de Clomifeno (estrógeno sintético) es el primer tratamiento de fertilidad que se utiliza en aquellas mujeres que no ovulan o solo ovulan infrecuentemente, pero que tienen producción normal de estrógeno. Casi para todas las mujeres que buscan la fertilidad, el tratamiento comienza aquí.

CPECH Preuniversitarios

• Mecanismo de acción: El citrato de Clomifeno estimula a la hipófisis a liberar FSH y LH, las hormonas necesarias para la ovulación. Funciona como una sustancia antiestrogénica, impidiendo la comunicación normal entre los ovarios, hipotálamo y la glándula hipófisis (adenohipófisis). Ya que el receptor de estrógeno se encuentra obstruido por el medicamento, la hipófisis percibe menos estrógeno presente, y secreta aún más FSH para estimular el ovario. Esto resulta en el reclutamiento y el desarrollo de los óvulos y eventualmente la ovulación. Por lo tanto, el clomifeno no estimula directamente la ovulación, pero en cambio hace que la secuencia de eventos que rodean la ovulación sean más normales.

129

capítulo

2

Hipófisis Adenohipófisis Fuerte descarga Hormonas Gonadotrofinas

FSH +

Citrato de Clomifeno

LH Ovario

+

Ovulación

• Efectos secundarios: Bochornos, molestias abdominales y crecimiento ovárico normal. Cuando se induce la ovulación con medicamentos para la infertilidad, corre el riesgo de un embarazo múltiple.

Los medicamentos para la infertilidad no aumentan el riesgo de defectos congénitos.

b. Inseminación artificial (IA) Es la introducción de semen en el cuello del útero femenino mediante una delgada cánula o catéter. El semen puede ser de la pareja o de un donante anónimo (procedente de un banco de semen, donde se guarda congelado). Esta segunda opción está especialmente indicada en caso de que el hombre padezca enfermedades hereditarias.

Actividades 1. Define los siguientes términos: a) Esterilidad: b) Infertilidad:

CPECH

Preuniversitarios

2. ¿Cuál es la principal diferencia entre esterilidad e infertilidad?

130

3. ¿Cuáles son las principales causas de infertilidad en el hombre y en mujer? 4. ¿Cuál es el principal tratamiento que se utiliza en aquellas mujeres que presentan problemas en su ovulación? Fundamenta tu respuesta. 5. Explica el mecanismo de acción del Citrato de Clomifeno. 6. Explica los problemas que se generarían si el cuerpo lúteo dejara de producir hormonas, especialmente durante el embarazo. Proponga un posible tratamiento para esta afección, basándose en lo que ha conocido hasta este momento.

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

13.2.3 Sexualidad humana Si nos preguntaran qué entendemos por sexualidad humana o qué es, quizás responderíamos que es lo relacionado con el sexo, pero este concepto es mucho más amplio. La sexualidad humana posee sus propios códigos biológicos definidos genéticamente. La estructura y la disposición de los órganos genitales responden de una forma perfecta a la función reproductora, así como la fisiología de la sexualidad está destinada al mismo fin. A pesar de todo ello, la sexualidad humana trasciende totalmente de su función biológica y cobra un sentido distinto al definirse como una relación íntima entre personas, donde la comunicación y la expresión de afectos pueden alcanzar el máximo grado de profundidad. Puede ser conveniente, una vez aclarado que lo sexual va más allá de las cuestiones biológicas y que está definido por la cultura de la sociedad en la que se realiza, establecer la diferencia entre dos términos que se confunden con frecuencia, la sexualidad y la genitalidad. Este último hace referencia a lo concerniente al acto sexual, sus formas, estilos, etc. La genitalidad solo es una forma de sexualidad. Por lo tanto, la sexualidad no solo hace referencia al acto sexual o coital, sino que también incluye una amplia gama de experiencias corporales y sensoriales placenteras. Según esto, podríamos definir como sexualidad la realización de actividades que generen placer en los ámbitos corporales y sensoriales. Dentro de esta definición podemos incluir actividades como las caricias, los besos, las cosquillas o el masaje y no conducentes necesariamente al acto sexual, al igual que determinados olores, miradas, tonos de voz y expresiones. Sin embargo, no debemos de olvidar que la sexualidad tiene que ver directamente con nuestra propia identidad sexual. Desde que nacemos tenemos un determinado sexo. Este nos hace diferentes tanto en la forma de actuar como en la forma de sentir y valorar. De esta manera hoy en día podemos entender en un sentido amplio y extenso, la plenitud de formas y manifestaciones, conscientes o no que componen la sexualidad humana.

13.2.4 Paternidad-maternidad responsable Considerando el significado del concepto de sexualidad, es muy importante destacar y conocer hoy en día el significado e importancia de la paternidad-maternidad responsable, debido a que actualmente un gran porcentaje de adolescentes a muy temprana edad está manteniendo relaciones sexuales, en forma irresponsable y sin ningún tipo de conocimiento biológico básico. Según las diferentes circunstancias que a cada “pareja” le toca vivir, la paternidad y/o maternidad responsable es un concepto mucho más amplio y profundo que solo ser responsable para decidir el momento y el número de hijos, consecuentemente, usar un buen método anticonceptivo, cuando se trata de posponer o evitar un nuevo nacimiento. Tener un hijo(a) es entonces una decisión que debe ser tomada con gran seriedad y que requiere madurez por parte de la pareja, ya que ser madre o padre es una función de por vida. Dentro de las funciones o roles que deben ejercer los padres y madres están entregar educación a sus hijos, protegerlos, alimentarlos adecuadamente, entregarles valores, etc.

CPECH

Por lo tanto, el adoptar una paternidad y/o maternidad responsable exige una integración permanente de toda la persona, es decir, de la esfera biológica, psicológica y social, dado que cada padre o madre es un organismo integrado, que para crecer sanamente tiene que ir armonizando cada uno de estos elementos.

Preuniversitarios

131

capítulo

2

Actividades 1. Según lo que has revisado hasta este momento, ¿qué significa para ti el término sexualidad humana? 2. Indica las principales desventajas de comenzar a tener relaciones sexuales durante la adolescencia. 3. Para ti, ¿qué implicancias presenta en tu vida el tener un hijo a temprana edad? 4. Indica los principales roles o funciones que debe presentar una pareja que desea tener un hijo. 5. Según lo que conoces de paternidad responsable, ¿quién es más padre o madre, el biológico o el adoptivo? Fundamenta tu respuesta.

CPECH

Preuniversitarios

6. En nuestro país, ¿existe una edad adecuada para casarse y tener hijos? Fundamenta tu respuesta.

132

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

Conceptos fundamentales

1. Crecimiento: Aumento irreversible de tamaño y peso. En el crecimiento intervienen la división y la expansión celular mediante la síntesis de nuevas sustancias. 2. Desarrollo: Se refiere a los procesos por los cuales se produce la maduración de los tejidos y procesos propios del ser humano. Es un concepto más amplio que el de crecimiento. 3. Espermatogénesis: Proceso de formación de los gametos masculinos. El proceso comienza durante la pubertad y no se interrumpe hasta el término de la fertilidad masculina. 4. Gametos: Células sexuales especializadas en el proceso de reproducción. Contienen la mitad de la información genética (haploides) y son producidas por cada sexo, de modo que hay gametos masculinos y femeninos. 5. Hormona: Sustancia química formada por glándulas endocrinas y que viajan por la sangre para actuar a distancia, en el llamado órgano blanco. Las hormonas son de naturaleza proteica y esteroidal. 6. Ovogénesis: Proceso de formación de los gametos femeninos, los óvulos. Este proceso comienza en la vida intrauterina donde se determina el número definitivo de gametos para el resto de la vida de la mujer. Estos gametos se liberan paulatinamente durante la pubertad, normalmente en número de uno. Esta liberación se interrumpe con la menopausia. El proceso se interrumpe en el período intrauterino y luego de cada ovulación. Tiene un carácter cíclico. 7. Reproducción: Proceso que caracteriza a los seres vivos permitiendo su perpetuación a través del tiempo. 8. Reproducción asexual: Forma de reproducción que se caracteriza por la presencia de un solo progenitor, por lo que no existe variabilidad genética. 9. Reproducción sexual: Forma de reproducción que se caracteriza por la existencia de dos progenitores, uno femenino y otro masculino. Esto posibilita que se unan dos patrimonios genéticos diferentes que generan variabilidad genética. 10. Retroalimentación: Mecanismo de regulación que se basa en que la información que recibe un tejido sirve para ajustar la actividad del mismo.

CPECH Preuniversitarios

133

Ovarios

Organismo

se organiza un... Aparato reproductor

Testículos

Gónadas

que se divide en...

Ovarios

Ovogénesis

donde ocurre la... Espermatogénesis

que forman los...

Óvulos

se unen por medio de la...

Espermatozoides

Fecundación que inicia el...

Desarrollo embrionario

Externos

Genitales

que favorece el...

encuentro entre los gametos

que permite la...

Preuniversitarios

Endocrino Testículos

Síntesis de contenidos Foliculares Germinal Genitales

de Leydig de Sertoli

Sistema

Reproductor la reproducción es de tipo...

Órgano

Útero

capítulo

Tejido

Óvulos Espermatozoides Célula

tiene como significado...

La perpetuación de las especies

presentar variabilidad genética

Asexual Sexual se caracterizan por... ausencia de variabilidad genética

Internos

134

Desarrollo fetal

Parto

CPECH

2

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

Ejercicios

1. La función de la zona pelúcida en mamíferos es A) descargar los gránulos corticales. B) modificar el espacio perivitelino. C) evitar la entrada de más de un espermatozoide. D) permitir la capacitación del espermatozoide. E) reabsorber los cuerpos polares. Alternativa: C Habilidad: Reconocimiento Defensa: La zona pelúcida en el transcurso de la fecundación experimenta una reacción que la vuelve impermeable a la penetración de un segundo espermatozoide, por lo tanto evitando la poliespermia.

2. ¿Qué hormona debería inhibirse directamente para provocar pérdida de endometrio en el primer mes de embarazo? A) FSH. B) LH. C) Progesterona. D) Estrógenos. E) Gonadotrofina coriónica. Alternativa: C Habilidad: Comprensión. Defensa: La progesterona es la encargada de mantener funcional el endometrio. La gonadotrofina coriónica humana se encarga de estimular el cuerpo luteo para que produzca progesterona, pero la pregunta plantea la inhibición directa.

3. A continuación se muestra un gráfico con la variación de progesterona durante un ciclo menstrual de 28 días.

progesterona

Ejercicios resueltos

0

14

28 días

Según lo que representa el gráfico corresponde a una mujer que I) está embarazada. II) no está embarazada. III) perderá parte de su endometrio. Es (son) correcta(s) A) B) C) D) E)

solo I. solo II. solo III. solo I y II. solo II y III.

Alternativa: E Habilidad: ASE (Análisis, síntesis y evaluación) Defensa: El gráfico muestra un descenso del nivel de progesterona, que es la hormona del embarazo, por tanto no ha ocurrido fecundación ni implantación. De este modo la caída del nivel sanguíneo de progesterona determinará el desprendimiento del endometrio.

CPECH Preuniversitarios

135

capítulo

2

Ejercicios

4. En relación a la reproducción en la especie humana es correcto afirmar que I) el óvulo se forma en el curso de la fecundación. II) el óvulo tiene una existencia breve. III) la aparición del óvulo no depende de la fecundación. A) B) C) D) E)

5. En la fecundación participan los gametos femenino y masculino, de los cuales se puede afirmar correctamente que I) el gameto femenino tiene la misma edad de la mujer que lo produce. II) el gameto femenino no ha terminado su etapa ecuacional. III) el gameto masculino debe tener contacto con el femenino para volverse funcional.

CPECH

Preuniversitarios

Es (son) verdadera(s)

136

1. ¿Qué fenómeno(s) deberíamos esperar en el caso de que NO ocurra fecundación? I) Que el ovocito II no termine su meiosis. II) Que se sintetice la gonadotrofina coriónica. III) Que decline la síntesis de progesterona.

Solo I Solo II Solo III Solo I y II Solo II y III

Alternativa: D Habilidad: Comprensión. Defensa: La meiosis femenina sufre dos detenciones, la primera en la vida intrauterina y la segunda luego de la ovulación, como ovocito II. La meiosis termina solamente si hay fecundación, por ello el óvulo tiene una existencia breve.

A) B) C) D) E)

Ejercicios propuestos

solo I. solo II. solo III. solo I y II. I, III y III.

Alternativa: D Habilidad: Comprensión. Defensa: El gameto femenino no termina su meiosis hasta que toma contacto con el espermatozoide, el cual inicia su actividad previo contacto con el ovocito (reacción acrosómica)

A) B) C) D) E) 2.

Solo I Solo II Solo III Solo I y III Solo II y III

La reproducción sexual y la asexual se diferencian en cuanto a I) número de progenitores. II) número de descendientes. III) variabilidad genética de la descendencia. Es (son) verdadera(s) A) B) C) D) E)

solo I. solo II. solo III. solo II y III. I, II, III.

3. En la reproducción de los vertebrados la fecundación determina el I) tipo de segmentación del huevo. II) sexo cromosómico del embrión. III) reestablecimiento de la diploidía. Es (son) verdadera(s) A) B) C) D) E)

solo I. solo II. solo III. solo I y III. solo II y III.

Capítulo 2

Reproducción y desarrollo

Ejercicios 4. ¿Cuál de los siguientes métodos anticonceptivos NO recomendaría usted a una mujer nulípara, por los posibles efectos a futuro? A) B) C) D) E)

Condón. Del ritmo. DIU (dispositivo intrauterino). Píldoras anticonceptivas. Jaleas espermicidas.

5. ¿Cuál de las siguientes funciones NO es propia de la placenta?: A) Nutrición fetal, al aportar el oxígeno materno. B) Producción de hormonas como el estradiol. C) Producción de gonadotrofinas coriónicas. D) Purificación de la sangre materno-infantil. E) Ayudar a la formación de la dermis fetal.

Respuestas correctas

CPECH Preuniversitarios

137

Reconocimiento

E

5

Reconocimiento

C

4

Comprensión

E

3

Reconocimiento

E

2

Comprensión

D

1

Alternativa

Número

Habilidad

138

CPECH

Preuniversitarios

Capítulo 3

NUTRICIÓN

Aprendizajes Esperados Reconocer la función de los alimentos. Identificar los nutrientes y alimentos que deben formar parte de una dieta equilibrada. Comprender los requerimientos nutricionales en cada edad de la vida. Aplicar las fórmulas de cálculo nutricional para determinar las necesidades calóricas. Comprender los conceptos de metabolismo, anabolismo y catabolismo.

La nutrición es una función que todos los organismos deben cumplir, de tal forma de asegurar que el crecimiento y desarrollo se lleven a cabo de forma correcta. La nutrición no es solamente incorporar alimentos al organismo.

capítulo

3

Nutrición

1. Nutrición La vida depende de una serie de de reacciones químicas que en su conjunto se denominan metabolismo. Dentro de estas reacciones se incluyen el anabolismo (son reacciones químicas de síntesis, donde se unen moléculas pequeñas para poder producir otras más grandes) o la formación de tejidos (músculos, huesos, sangre, etc.) mientras que otras implican el catabolismo de sustancias y tejidos, es decir, la degradación de sustancias para obtener energía. Los alimentos proporcionan el combustible para que ocurran estas reacciones químicas, incluso durante el reposo se necesita de energía para mantener las funciones vitales de respiración, latido cardiaco, circulación sanguínea, etc. El metabolismo basal se define como la cantidad de energía utilizada cuando el cuerpo está en reposo, corresponde a la cantidad mínima de reacciones químicas necesarias para mantener al organismo con vida, y que se expresa al dormir. Es un gasto inevitable para mantener los procesos celulares, la fabricación de tejidos en continua renovación y reparación. El metabolismo basal se mide en las siguientes condiciones: • En ayuno de 12 hrs para evitar los gastos energéticos de los procesos de digestión. • Reposo acostado, para eliminar los gastos de los procesos musculares postulares. • En ambiente térmico neutro. Los requerimientos mínimos basales varían de acuerdo al peso, edad y sexo, así como de acuerdo al nivel de actividad física, embarazo y lactancia. Estos requerimientos se pueden estandarizar y calcular de acuerdo con la siguiente tabla: Calorías / día Edad (años)

Cálculo mujeres

Cálculo hombres

0-3

61 x kg - 51

60,9 x kg - 54

10 - 18

12,2 x kg +746

17,5 x kg 651

19 - 30

14,7 x kg + 496

15,3 x kg + 679

31 - 61

8,7 x kg + 829

11,6 x kg + 879

La tasa metabólica total (TMT) es el resultado de ajustar la tasa metabólica basal al nivel de actividad física de una persona.

CPECH

Preuniversitarios

Para establecer la TMT es necesario multiplicar la TMB por el factor de ajuste, según la siguiente tabla:

140

• • • •

Actividad sedentaria: mujeres 1,2, hombres 1,2 Actividad ligera: mujeres 1,55, hombres 1,56 Actividad moderada: mujeres 1,64, hombres 1,78 Actividad intensa: mujeres 1,82, hombres 2,1

Capítulo 3

Nutrición

Actividades 1. De acuerdo con las tablas de tasa metabólica basal y los factores de ajuste de acuerdo con la intensidad de la actividad física, calcula las calorías necesarias para una mujer de 43 años de actividad moderada y para un hombre de 35 de actividad intensa.

El embarazo y la lactancia son dos estados que también modifican el consumo de calorías, de tal manera que una mujer embarazada debe adicionar 285 calorías/día. Durante la lactancia, deben aumentar en 500 calorías/ día. La comida debe ser digerida en el intestino para ser convertida en una forma que pueda ser absorbida y utilizada para las reacciones químicas del metabolismo. La energía contenida en los alimentos se mide en calorías. Una caloría es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius. Una Kcal (kilocaloría) corresponde a 1000 calorías y se usa para expresar el valor calórico de los alimentos. Los alimentos contienen sustancias de distinto valor nutritivo para el organismo. Los principales constituyentes corresponden a proteínas, lípidos, hidratos de carbono, vitaminas, sales minerales y agua. Los valores calóricos de los distintos alimentos varían según las distintas proporciones de hidratos de carbono, grasas y proteínas que contengan, y también según las cantidades de agua y fibras que posean, que no producen energía. El modo en que se preparan los alimentos también puede afectar su contenido energético, por ejemplo, cuando se emplea aceite para freír aumenta considerablemente la cantidad de calorías. Existen diferencias en cuanto a la cantidad de calorías que debe consumir cada personas, si son más de las que se necesitan para mantener un metabolismo normal, el excedente se almacena en el tejido adiposo y se engorda, por el contrario, si son menos se adelgaza. Según esta situación es necesario distinguir entre la alimentación y la nutrición. La alimentación es el acto de proporcionar al cuerpo alimentos e ingerirlos, como es un proceso consciente y voluntario, está en nuestras manos modificarlo. La calidad de la alimentación depende de factores culturales y económicos. Se entiende por nutrición el conjunto de procesos fisiológicos por los cuales el organismo recibe, transforma y utiliza las sustancias químicas contenidas en los alimentos. Es un proceso involuntario e inconsciente que depende de procesos corporales como la digestión, la absorción y el transporte de los nutrientes de los alimentos hasta los tejidos. El estado de salud de una persona depende de la calidad de la nutrición de las células que constituyen sus tejidos. Puesto que es bastante difícil actuar voluntariamente en los procesos de nutrición, si queremos mejorar nuestro estado nutricional solo podemos hacerlo mejorando nuestros hábitos alimenticios.

Preuniversitarios

En los alimentos se pueden distinguir macronutrientes, que están presentes en mayor cantidad en los alimentos, y los micronutrientes que solo están presentes en pequeñísimas proporciones. Los macronutrientes incluyen proteínas, carbohidratos y lípidos. También se podrían incluir la fibra y el agua que están presentes en grandes cantidades. Entre los micronutrientes se encuentran las sales minerales y las vitaminas.

CPECH

Para llevar a cabo todos los procesos que nos permiten estar vivos, el organismo necesita un suministro continuo de materiales que debemos ingerir: los nutrientes. Con relación a la gran cantidad de compuestos químicos existentes, el ser humano solo puede utilizar unos cuantos, que le sirvan como combustible e incorporarlos a las células. Estos nutrientes no se ingieren en forma directa, sino que en los alimentos. Las múltiples combinaciones en que la naturaleza ofrece los diferentes nutrientes nos dan una amplia variedad de alimentos que el ser humano puede consumir.

141

capítulo

3

2. Nutrientes 2.1 Lípidos También se denominan grasas y deben cubrir aproximadamente el 30% a 35% del aporte energético. Las grasas producen más energía, en proporción, que los hidratos de carbono y son también más importantes en el almacenaje de energía a largo plazo. Si no se ingiere alimento por varios días, todo el glucógeno del cuerpo se utiliza, pero las grasas permanecen. Son una forma de energía mucho más concentrada y les lleva más tiempo ser catabolizadas. Las grasas pueden ser insaturadas y saturadas. Las insaturadas presentan átomos de carbono con un bajo índice de átomos de hidrógeno, son más sanas y se encuentran sobre todo en aceites vegetales y en el pescado. Las grasas insaturadas procedentes del pescado, semillas contienen ácidos grasos llamados omega 3 (W3), los que según las últimas investigaciones tienen un papel protector contra las cardiopatías. Más específicamente se cree que disminuyen las concentraciones plasmáticas de colesterol y de las lipoproteínas de baja densidad (LDL), disminuyen la tendencia de las plaquetas a aglutinarse, disminuyendo así la posibilidad de formación de coágulos (trombos); disminuye la viscosidad de la sangre y suprime la producción de factores de coagulación, entre otros efectos. Los pescados oleosos como el salmón, el arenque y la sardina son buenas fuentes de ácidos grasos W-3. Los mariscos también contienen estos ácidos grasos. Los ácidos grasos esenciales son un grupo de ácidos grasos insaturados necesarios en la dieta humana. Son producidos por los vegetales, pero no por el hombre. Una de las principales fuentes de grasas monoinsaturadas es el aceite de oliva, que se usa abundantemente en la dieta de los países mediterráneos, donde la enfermedad de las arterias coronarias como el infarto, la angina y el cáncer son poco frecuentes. Los ácidos grasos monoinsaturados y polinsaturados no son susceptibles de oxidación, de ahí su efecto protector. Además reducen el colesterol unido a lipoproteínas de baja densidad. Otras fuentes de ácidos grasos monoinsaturados son las aceitunas, paltas, nueces, avellanas, castañas, almendras y el aceite de maravilla. Las grasas polinsaturadas están principalmente en vegetales y pescados, representadas por los ácidos W-6 y W-3. Los ácidos grasos W-6 se encuentran principalmente en los aceites vegetales que contienen ácido linoleico, como el de soya, de maíz, maravilla, sésamo y el alfa linoleico.

CPECH

Preuniversitarios

Los ácidos grasos polinsaturados W-3 tiene como fuente principal los pescados aceitosos, especialmente sardinas, salmón, atún, jurel, anchoas o pescados de carne oscura.

142

Las grasas saturadas se caracterizan por tener átomos de carbono que presentan un alto índice de átomos de hidrógeno y son de origen animal. El más conocido es el colesterol que se encuentra en las grasas de carnes de vacuno, cerdo, cordero y de las aves de corral, grasas o mantecas, cecinas, hamburguesas y embutidos, vísceras e interiores. También en productos lácteos como mantequilla, leche entera, quesos, cremas, helados de crema, margarinas duras, yema de huevo, cuero de pollo y pavo. Una parte importante del colesterol de nuestro organismo es sintetizado en el hígado. El resto es obtenido de la dieta (huevos, productos lácteos, vísceras, carne de ganado bovino y porcino y carne procesada). Se conocen dos clases de colesterol: • Colesterol HDL (lipoproteínas de alta densidad), que es necesario para un buen rendimiento del organismo (colesterol bueno).

Capítulo 3

Nutrición

• Colesterol LDL (lipoproteínas de baja densidad), que es perjudicial para el sistema cardiovascular si sus niveles superan los 220 mg por decilitro de sangre, debido a que penetra las paredes arteriales depositándose en ellas. El organismo utiliza distintos tipos de grasas saturadas y al ser degradadas en el hígado se sintetiza el colesterol. En general, las grasas aportan al organismo el doble de la energía que los hidratos de carbono. Son usadas para construir membranas biológicas, sintetizar algunas hormonas como las sexuales y las corticosuprarrenales. Además incluyen algunas vitaminas, tales como A, D, E y K.

2.2 Hidratos de carbono También se denominan carbohidratos o glúcidos. Deben cubrir aproximadamente el 50% a 55% del aporte energético. Están compuestos de C, H y O. Los principales azúcares son la sacarosa, que se obtiene de dulces, galletas, etc., y los almidones que se obtienen del arroz, papas, trigos, etc. Estos compuestos son digeridos y absorbidos por el cuerpo, donde son procesados para liberar energía, o son almacenados como glucógeno (el almidón animal) que se almacena en el hígado y los músculos. También tenemos el caso de la celulosa que si bien no es digerible, su forma de fibra ayuda a evacuar el intestino (procede de la fruta, cereales y verduras). Los hidratos de carbono son principalmente sustancias de aporte energético inmediato o a corto plazo, tal como la glucosa, que en casos de abundancia se reservan como grasa. El hígado es el órgano encargado de almacenar la glucosa en forma de glucógeno. El glucógeno es un polímero de la glucosa, propio de células animales. El hígado es capaz de modificar su contenido de glucógeno de acuerdo con la actividad física del sujeto. Así, por ejemplo, cuando una persona realiza un ejercicio intenso, al tiempo cero contiene 18 gramos de glucógeno por kilo de músculo y al cabo de 90 minutos este contenido se ha reducido a 2 gramos. El rol del hígado en esta regulación es entregar glucosa hacia la sangre en condiciones de ayuno y ejercicio y retirar glucosa para almacenarla como glucógeno cuando hay exceso de ella en la sangre. En el caso de que este exceso de glucosa sea sostenido en el tiempo, la glucosa también es depositada en el tejido adiposo como grasa.

2.3 Proteínas

Es necesario prestar especial atención a los contenidos de lisina y metionina, ya que hay proteínas, especialmente las vegetales, que son seriamente deficientes en ellas. El triptofano y la treonina pueden ser escasos en proteínas

Preuniversitarios

El valor nutricional de un alimento proteico depende de su composición de aminoácidos. Si contiene un porcentaje menor que el necesario de alguno de los aminoácidos esenciales, su valor es menor comparado con uno que tenga una cantidad mayor.

CPECH

Aunque estas sustancias orgánicas deben cubrir solo el 15% del aporte energético, sin embargo, son elementos indispensables para las células. Cuando una proteína es ingerida y digerida hasta sus componentes esenciales aparecen los aminoácidos. Aminoácidos, que aparte de contener C, H, O y N poseen a veces S. Además las proteínas, según su clasificación, contienen en su estructura Zn, Fe y Cu. En la naturaleza existen 20 clases diferentes de aminoácidos, de los cuales 10 se denominan esenciales debido a que no tenemos la capacidad de sintetizarlos en nuestro organismo y, por lo tanto, se incorporan a través de la dieta, tales como la isoleucina, leucina, metionina, lisina, fenilalanina, treonina, triptofano. También existen otros dos aminoácidos, la cisteína y la tirosina, que se pueden obtener de la dieta o bien a partir de la transformación de la metionina y fenilalanina respectivamente (en sentido contrario no se puede). La histidina probablemente es también esencial en los niños, ya que la sintetizan en una cantidad insuficiente.

143

particulares como la gelatina, mientras que los demás aminoácidos esenciales, se encuentran en proporciones suficientes en todas las proteínas.

capítulo

3

Las proteínas se encuentran tanto en alimentos como la carne, el pescado, en productos lácteos y en vegetales, especialmente las legumbres y los cereales. Si se comen en combinación con otra proteína de segunda clase, un cereal con una leguminosa, se pueden compensar las deficiencias de cada una. Las proteínas tienen por función el crecimiento, la reparación de tejidos y constituyen las entidades moleculares de expresión de la información genética, entre otras funciones. Un adulto sano requiere aproximadamente unos 45 g de proteínas al día.

Actividades 1.   Menciona las funciones que desempeñan los lípidos, carbohidratos y proteínas en nuestro organismo. 2. Explica la relación entre el nivel de glucosa en la sangre, la actividad física y el glucógeno. 3. ¿Por qué una dieta rica en carbohidratos aumenta el tejido adiposo?

2.4 Vitaminas Vitaminas

Vitamina A (Retinol, Betacaroteno)

CPECH

Preuniversitarios

Vitamina B1 (Tiamina)

144

Vitamina B9 (Ácido Fólico)

Dónde está Retinol: aceite de hígado, mantequilla, queso, yema de huevos, atún. Betacaroteno: zanahorias, espinacas, melón, perejil tomates, duraznos, repollo de bruselas, damascos.

Avena, tocino, carne de cerdo, pan, germen de trigo, maní, leche, jamón.

Hígado, sardinas, champiñones, vegetales verdes, naranjas, nueces, legumbres, yema de huevos, cereales enriquecidos para el desayuno. Una fruta fresca o un jugo de frutas al día es un complemento perfecto.

Su función

Su carencia

Desarrollo de los huesos, mantención de mucosas, piel y tejidos. Previene infecciones respiratorias, problemas oculares. El betacaroteno es antioxidante y previene enfermedades como el cáncer.

Ceguera nocturna, piel reseca, caída de pelo, infecciones varias, dolencia de las articulaciones.

Se necesita para el buen funcionamiento del sistema nervioso, para la memoria, para evitar el estrés, el agotamiento, la depresión. Para personas que ingieren carbohidratos refinados (pan, azúcar, arroz, pastas), las de edad avanzada, los que comen una dieta reducida, y fumadores y consumidores de alcohol.

Desgano, mal humor, escaso rendimiento, debilidad muscular, parálisis, beriberi (daño cerebral, nervioso y muscular).

Participa en la síntesis del ADN, por tanto es vital durante el crecimiento. Previene las úlceras bucales, favorece el buen estado del cutis, retarda la aparición de canas, ayuda a aumentar la leche materna.

Anemia megaloblástica, mala absorción de los nutrientes. Se asocia a malformaciones en los fetos.

Capítulo 3

Nutrición

Vitaminas

Vitamina B12 (Cobalamina)

Vitamina C

Vitamina D

Vitamina E

Vitamina K

Dónde está

Su función

Su carencia

Alimentos de origen animal (carne, pollo, pescado, huevos, productos lácteos)

Esencial en la regeneración de la médula ósea y los glóbulos rojos, imprescindible en la síntesis del ADN y metabolismo del sistema nervioso. Mejora la concentración, la memoria, alivia la irritabilidad.

Anemia perniciosa, daño cerebral, deterioro mental, depresión, pérdida de memoria, paranoias.

Frutas cítricas, pimiento verde, repollo, coliflor, brócoli.

Producción de colágeno. Protege contra el cáncer, mejora la cicatrización, previene el resfrío y fortalece las defensas del organismo.

Escorbuto, hemorragia de las mucosas, fatiga y anemia.

Aceite de hígado de pescado, sardinas, arenque, salmón, atún, hígado, leche, mantequilla, yema de huevo.

Mantenimiento de huesos y dientes sanos, articulaciones y sistema nervioso. Prevención y tratamiento de la osteoporosis.

Raquitismo, huesos débiles, insuficiencia renal.

Aceite de maíz y maravilla, margarina, brócoli, espárragos, repollo, zanahorias, tomates, espinacas, paltas, ciruelas, manzanas, moras, plátanos.

Antioxidante, retarda el envejecimiento celular. Acelera la cicatrización de quemaduras. Vital para el metabolismo del hígado.

Anemia, destrucción de glóbulos rojos, degeneración muscular, desórdenes de la reproducción.

Vegetales verdes, repollo rojo, coliflor, frutas y semillas.

Para la formación de ciertas proteínas y necesaria para una coagulación normal.

Dificultad en la coagulación y tendencia a las hemorragias.

Hay que tener en cuenta: • La contaminación ambiental destruye la acción de la vitamina A. Para evitar esta oxidación, se recomienda ingerirla junto a alimentos ricos en vitamina E (paltas, brócoli, espárragos, espinacas, aceites de girasol y maíz). • La vitamina C expuesta al aire pierde su potencial. Si se consume un jugo de naranja media hora después de haberla exprimido, ya habrá perdido la mitad de su contenido vitamínico. Por esto se recomienda consumir en forma inmediata los zumos de frutas o verduras que contengan vitamina C. • La vitamina B12 no se encuentra en el reino vegetal. Por tanto, los vegetarianos o quienes poseen una dieta macrobiótica es conveniente que consuman algas marinas o champiñones, que son la mejor fuente de esta vitamina. • El consumo de anticonceptivos debe ir acompañado de la ingestión de una mayor cantidad de vitamina B6 para mantener el equilibrio hormonal.

Para estar sano solo basta ingerir una cantidad suficiente de vitaminas en la alimentación diaria. No es necesario un aporte suplementario, de hecho, aunque sean raras, las hipervitaminosis pueden ser perjudiciales. Por ejemplo, el exceso de vitamina A en las embarazadas puede generar malformaciones en el feto.

Preuniversitarios

• En los períodos previos a la menstruación conviene ingerir alimentos ricos en vitamina B12 y otras del complejo B, para combatir los síntomas del síndrome premenstrual.

CPECH

• Las mujeres embarazadas deben absorber ácido fólico (vitamina B9) en la cantidad adecuada y necesaria para la formación del feto.

145

capítulo

3

Actividades 1.   Investiga la fuente, la función y los signos de carencia de las siguientes vitaminas: a) B2 o riboflavina. b) B3 o niacinamida. c) B5 o ácido pantoténico. d) B6 o piridoxina. e) B8 o biotina.

2.5 Sales minerales El 96% del cuerpo está constituido por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, los cuales forman los carbohidratos, las proteínas, los lípidos y las vitaminas. El 4% restante está compuesto de minerales. Estos minerales se usan principalmente para regular y equilibrar nuestra química corporal. Las excepciones son el calcio, el fósforo y el magnesio que son los mayores constituyentes del tejido óseo. Estos tres más el sodio y el potasio, que controlan el nivel de agua en el cuerpo, se denominan macrominerales, porque necesitamos grandes cantidades cada día (de 300 a 3000 mg). Los minerales restantes se conocen como oligoelementos, porque se requiere de una pequeña cantidad de ellos (de 3 a 30 mg). Independientemente de la cantidad estos minerales son necesarios. Sal mineral

¿Qué hace?

Signos de deficiencia

Mejor fuente

Calcio

Fomenta un corazón y nervios sanos,coagulación de la sangre, contracción muscular, mejora la salud de la piel,los huesos y los dientes, alivia el dolor muscular y óseo, reduce los temblores y dolores menstruales.

Calambres o temblores musculares, insomnio o nerviosismo, dolor de las articulaciones o artritis, caries, presión sanguínea alta.

Quesos, almendras, levadura de cerveza, perejil, alcachofas, ciruelas, porotos secos cocinados.

Mantiene el equilibrio de agua en el organismo, previniendo la deshidratación, ayuda a que funcionen las neuronas, participa en la contracción muscular, incluido el corazón, se usa en la producción de energía y ayuda a transportar los nutrientes a la célula.

Mareos, calor agotador, baja presión sanguínea, pulso rápido, apatía mental, pérdida del apetito, calambres musculares, náuseas, vómitos, disminución de peso, dolor de cabeza.

Aceitunas, camarones, remolacha, jamón, apio, col, berro, frijol rojo.

Potasio

CPECH

Preuniversitarios

Sodio

146

Hierro

Deja entrar a los nutrientes al Latidos rápidos e irregulares, interior de la célula y permite la debilidad muscular, salida de los desechos, favorece la hormigueos, irritabilidad, salud de los nervios y músculos, náuseas, vómitos, diarrea, mantiene el equilibrio de los celulitis, baja presión líquidos en el cuerpo, ayuda a la sanguínea, confusión, secreción de insulina, participa en apatía. el funcionamiento cardiaco.

Champiñones, berros, col, rábanos, coliflor, apio, calabaza.

Como componente de la hemoglobina transporta oxígeno y dióxido de carbono. Como componente enzimático es esencial para la producción de energía.

Pasas, nueces, almendras, perejil, ciruelas, porotos secos cocidos.

Anemia, por ejemplo, piel pálida, lengua inflamada, fatiga, apatía, pérdida de apetito, náuseas, sensibilidad al frío.

Capítulo 3

Nutrición

Componente de más de 200 enzimas en nuestro cuerpo, así como también del ADN y ARN, esencial para el crecimiento. Ayuda a hacer frente al estrés, fomenta la salud en el sistema nervioso especialmente en el feto, ayuda a la formación de huesos y dientes.

Zinc

Sentido pobre del gusto y del olfato, marcas blancas en más de dos uñas, infecciones frecuentes, estrías, acné, bajo nivel de fertilidad, piel pálida, pérdida del apetito.

Ostras, jengibre, cordero, guisantes, camarones, nueces, yema de huevo, trigo integral, centeno, maní, almendras.

Actividades 1.   Investiga los mismos criterios de función, signos de deficiencia y mejor fuente para los minerales fósforo, magnesio, manganeso, molibdeno y cromo.

El selenio, mineral anticáncer. La carencia de este mineral se descubrió por primera vez en China a consecuencia de la enfermedad de Keshan, que afecta el corazón y que se da en lugares donde el suelo carecía de selenio. El selenio es un integrante vital de la enzima antioxidante glutation-peroxidasa. El aumento de selenio incrementa la enzima, lo que aumenta el potencial protector de este mineral.

2.6 Antioxidantes El oxígeno es la base de la vida, tanto animal como vegetal, sin él no podríamos liberar la energía que hay en los alimentos. Pero el oxígeno es químicamente reactivo y altamente peligroso. En reacciones bioquímicas normales, el oxígeno puede volverse inestable y capaz de oxidar a las moléculas vecinas. Esto puede dañar las células y provocar cáncer, inflamación, daño arterial y envejecimiento. Los radicales libres oxidados equivalen al residuo nuclear corporal y deben ser desarmados para alejar el peligro. Los radicales libres se generan en todos los procesos de combustión, incluyendo cuando se fuma, cuando se quema petróleo para crear gases de escape, en la radiación, cuando se fríe o se cocina un asado y en procesos corporales normales. Las sustancias capaces de desarmar los radicales libres son llamadas antioxidantes.

Preuniversitarios

Cada año se descubren nuevos antioxidantes en la naturaleza, tales como sustancias componentes de uvas, bayas, tomates, etc. Los β carotenos se pueden encontrar en los vegetales rojos, naranjas y amarillos, y en las frutas. La vitamina C también abunda en los vegetales y las frutas que se comen crudas, pero el calor las destruye rápidamente. La vitamina E se encuentra en los alimentos de semillas y sus aceites, como los guisantes, las habas, el maíz y los cereales integrales. Hay comidas con un excelente potencial antioxidante, tales como zanahorias, berros, guisantes, etc. siempre y cuando no se frían.

CPECH

El denominador común entre el proceso de envejecimiento y cierto grupo de enfermedades se conoce como daño oxidativo. Esto ha hecho que el uso de antioxidantes sea el centro de todas las miradas: son nutrientes que ayudan a proteger al cuerpo del daño de estas sustancias. Se han descubierto más de cien nutrientes antioxidantes, donde los máximos responsables son las vitaminas A, C y E, más b-caroteno, que se encuentra en las frutas y los vegetales.

147

capítulo

3

3. Consumo de energía y actividad física Sabías que... Existen enfermedades que están fuertemente asociadas a la carencia de antioxidantes: • Enfermedad de Alzheimer • Cáncer • Enfermedad cardiovascular • Diabetes • Hipertensión • Infertilidad • Sarampión • Enfermedades mentales • Enfermedad periodontal • Infecciones del aparato respiratorio • Artritis reumatoidea

Otro factor que incide el consumo diario de calorías es la actividad que se desempeña durante el día. De acuerdo con esta situación vamos a definir cuatro tipos de actividades: • Ocupaciones ligeras: oficinistas, dependientes de comercio, la mayoría de los profesionales y amas de casa con aparatos electrodomésticos. • Ocupaciones moderadamente activas: estudiantes, pescadores y muchos agricultores y obreros de la construcción, amas de casa sin electrodomésticos, obreros de industrias ligeras. • Ocupaciones muy activas: algunos agricultores, mineros, atletas, obreros de industrias pesadas, bailarinas y campesinas. • Ocupaciones excepcionalmente activas: leñadores, herreros y obreros de construcción. Necesidades energéticas ideales (Kcal).

Peso ideal (Kg)

CPECH

Preuniversitarios

40

148

Varones

Mujeres

Años de edad

Años de edad

25

45

65

25

45

65

-

-

-

1750

1650

1400

45

-

-

-

1900

1800

1500

50

2500

2350

1950

2050

1950

1600

55

2700

2550

2150

2200

2050

1750

60

2850

2700

2250

2350

2200

1850

65

3000

2800

2350

2500

2350

2000

70

3200

3000

2550

2600

2450

2050

75

3400

3200

2700

2750

2600

2150

80

3550

3350

2800

-

-

-

85

3700

3500

2900

-

-

-

Capítulo 3

Nutrición

Según estas actividades, podríamos estimar el consumo de calorías de acuerdo con la siguiente tabla: Consumo de energía de un hombre tipo (65 kg) a lo largo de 24 horas según ocupación.

Distribución de la actividad

Ocupación ligera (kcal)

Ocupación moderadamente activa (kcal)

Ocupación muy activa (kcal)

Ocupación excepcionalmente activa (kcal)

En la cama (8h) Trabajando (8h) Actividades no profesionales.

500 1100

500 1400

500 1900

500 2400

700 - 1500

700 - 1500

700 - 1500

700 - 1500

Gasto total de energía

2300 - 3100

2600 - 3400

3100 - 3900

3600 - 4400

Gasto promedio en 24 hrs.

2700

3000

3500

4000

Consumo de energía por una mujer tipo (55kg) a lo largo de 24 hrs. según la ocupación.

Distribución de la actividad

Ocupación ligera (kcal)

Ocupación moderadamente activa (kcal)

Ocupación muy activa (kcal)

Ocupación excepcionalmente activa (kcal)

En la cama (8h) Trabajando (8h) Actividades no profesionales.

420 800

420 1000

420 1400

420 1400

580 - 980

580 - 980

580 - 980

580 - 980

Gasto total de energía

1800 - 2200

2000 - 2400

2400 - 2700

2800 - 3200

Gasto promedio en 24 hrs.

2000

2200

2600

3000

Sin embargo, el peso ideal no siempre coincide con su peso deseable, por lo que los valores indicados en la siguiente tabla deben considerarse como referencia. Debido a que, el peso ideal no contempla la edad actual, periodo en que la persona haya estado con sobrepeso, hijos que haya tenido (en el caso de las mujeres) y otros factores adicionales.

Preuniversitarios

El peso ideal, corresponde a la cantidad de kilos que una persona presenta según su estatura, edad y sexo. Sin embargo, actualmente diversos especialistas en nutrición, lo definen como “aquel con el cual un individuo se encuentra a gusto, permitiendo que se desarrollen normalmente todas las funciones biológicas”.

CPECH

4. Cálculo del peso ideal

149

capítulo

3

Sin embargo, para tener un diagnóstico más preciso acerca del peso de una persona se aconseja consultar al especialista para una evaluación más precisa. Tabla de peso ideal La siguiente tabla muestra el peso ideal en kilógramos correspondiente a las alturas indicadas en metros. Altura Mujer Contextura

1,50 1,51 1,52 1,53 1,54 1,55 1,56 1,57 1,58 1,59 1,60 1,61 1,62 1,63 1,64 1,65 1,66 1,67 1,68 1,69 1,70 1,71 1,72 1,73 1,74 1,75 1,76 1,77

Hombre Contextura

Pequeña

Mediana

Grande

Altura

Pequeña

Mediana

Grande

44,0 – 48,0 45,0 – 48,5 46,0 – 49,0 46,3 – 49,3 46,7 – 49,7 47,0 – 51,0 47,5 – 52,0 48,0 – 53,0 48,7 – 53,3 49,4 – 53,7 50,0 – 54,0 50,5 – 54,5 51,0 – 55,0 51,7 – 55,7 52,4 – 56,4 53,0 – 57,0 54,0 – 60,5 55,0 – 60,0 55,7 – 60,3 56,4 – 60,7 57,0 – 61,0 57,5 – 62,0 58,0 – 63,0 587 – 63,7 59,3 – 64,3 60,0 – 65,0 61,0 – 66,0 62,0 – 67,0

47,0 – 53,0 47,5 – 53,5 48,0 – 54,0 48,3 – 54,3 48,7 – 54,7 49,0 – 55,0 50,0 – 57,5 51,0 – 57,0 51,7 – 58,3 52,4 – 58,7 53,0 – 58,0 53,5 – 59,7 54,0 – 61,0 54,7 – 61,7 55,4 – 62,4 56,0 – 63,0 56,5 – 64,5 57,0 – 64,0 57,7 – 64,7 58,3 – 65,3 59,0 – 66,0 60,0 – 67,0 61,0 – 68,0 61,7 – 68,7 62,3 – 69,3 63,0 – 70,0 64,0 – 71,0 65,0 – 72,0

50,0 – 58,0 51,0 – 58,5 52,0 – 59,0 52,3 – 59,3 52,7 – 60,7 53,0 – 60,0 53,5 – 63,0 54,0 – 62,0 54,7 – 62,7 55,3 – 63,4 56,0 – 64,0 57,0 – 65,0 58,0 – 66,0 58,7 – 66,7 59,4 – 67,4 60,0 – 68,0 61,0 – 68,5 62,0 – 69,0 62,3 – 69,7 62,7 – 70,3 63,0 – 71,0 64,0 – 72,0 65,0 – 73,0 65,7 – 74,0 66,3 – 75,0 67,0 – 76,0 68,5 – 77,0 70,0 – 78,0

1,55 1,56 1,57 1,58 1,59 1,60 1,61 1.62 1,63 1,64 1,65 1,66 1,67 1,68 1,69 1,70 1,71 1,72 1,73 1,74 1,75 1,76 1,77 1,78 1,79 1,80 1,81 1,82

50,0 – 54,0 50,3 – 54,3 53,0 – 55,0 52,3 – 55,3 52,6 – 55,6 53,0 – 56,0 53,5 – 56,5 54,0 – 60,0 54,3 – 60,3 54,6 – 60,6 56,0 – 60,0 56,5 – 60,5 57,0 – 61,0 57,7 – 61,7 58,4 – 62,4 59,0 – 63,0 60,0 – 64,0 61,0 – 65,0 61,7 – 65,7 62,4 – 66,3 63,0 – 67,0 63,5 – 68,0 64,0 – 69,0 64,7 – 69,7 65,4 – 70,4 66,0 – 71,0 67,0 – 72,0 68,0 – 73,0

53,0 – 58,0 54,3 – 60,3 54,0 – 60,0 54,3 – 60,3 54,6 – 60,6 56,0 – 61,0 56,5 – 61,5 57,0 – 62,0 57,3 – 62,3 57,3 – 62,6 58,0 – 64,0 59,0 – 65,0 60,0 – 66,0 60,7 – 66,7 61,4 – 67,4 62,0 – 68,0 63,0 – 69,0 64,0 – 70,0 64,3 – 70,7 64,7 – 71,3 65,0 – 72,0 65,7 – 73,0 67,0 – 74,0 67,7 – 74,7 68,4 – 75,4 69,0 – 76,0 70,0 – 77,0 71,0 – 78,0

56,0 – 63,0 58,3 – 63,3 58,0 – 65,0 58,3 – 65,3 58,6 – 65,6 50,0 – 66,0 59,5 – 66,5 61,0 – 68,0 61.3 – 68,3 61,6 – 68,6 62,0 – 70,0 63,0 – 71,0 64,0 – 72,0 64,7 – 72,7 65,4 – 73,4 66,0 – 74,0 67,0 – 75,0 68,0 – 76,0 68,3 – 76,7 68,7 – 68,7 69,0 – 78,0 70,0 – 79,0 71,0 – 80,0 71,7 – 81,0 72,4 – 82,0 73,0 – 83,0 75,0 – 84,0 77,0 – 85,0

CPECH

Preuniversitarios

Las diferencias de contextura que se dan entre las personas, obedece a sus diferencias de peso, porque en cada caso la masa muscular, masa adiposa y esqueleto se reparten de distinta manera.

150

La OMS (Organización Mundial de la Salud) propone el Índice de Masa Corporal (IMC) como una manera de conocer cuál es el peso ideal de una persona. El índice de masa corporal, conocido también como BMI (body mass index) indica el estado nutricional de la persona considerando dos factores elementales: su peso actual y su altura. Este índice es el primer paso para conocer el estado nutricional de cualquier persona. Su cálculo arroja como resultado un valor que indica si una persona se encuentra por debajo, dentro o sobre el peso establecido como normal para su tamaño físico.

Capítulo 3

Nutrición

Tú puedes realizar este cálculo. Para esto utiliza la siguiente fórmula: IMC= Peso (Kilogramos) Altura2 (Metros)

Multiplica lo que mides en metros y elévalo al cuadrado. Luego, divide los kilos por la cifra resultante anterior. Ejemplo: Si eres un varón y mides 1,70 m y pesas 60 kilos. Debes multiplicar 1,70 por 1,70 = 2, 89 m2 Ahora debes dividir 60 por 2,89 = 20,76 El Índice de Masa Corporal es 20,76. El valor obtenido ahora debes compararlo con la siguiente tabla:

Tabla de interpretación del IMC Valores Cch>Ch>c.

324

En los seres humanos, un ejemplo de serie alélica son los grupos sanguíneos principales A, B, AB y O, los cuales están determinados por un gen que posee 3 alelos: IA , IB e i. En esta serie alélica IA = IB > i, los genes IA e IB son codominantes entre sí y dominantes sobre i.

Capítulo 9

Herencia y variabilidad

Genotipo

Antígeno

Fenotipo (grupo sanguíneo)

A A

I I IA io

A A

A A

IB IB IB iO

B B

B B

IA IB

AyB

AB

I I o ii

Ninguno

O

o o

4.3 Estudios sobre los antígenos Rh Las primeras investigaciones genéticas acerca de la herencia del factor Rh hicieron pensar que en las poblaciones humanas había solo dos alelos controlando la presencia o ausencia del antígeno. Se creía que el gen Rh+ (presencia del antígeno) es dominante sobre gen Rh- (ausencia del antígeno). Los antígenos Rh han recibido un interés especial, por ser los causantes más frecuentes de incompatibilidad materno-fetal, por su compromiso en la determinación de anemias hemolíticas autoinmunes y por los accidentes transfusionales, pero no debidos a incompatibilidad por el sistema ABO. Las incompatibilidades materno-fetales causadas por los antígenos Rh conducen, en muchos casos, a la muerte del feto por destrucción de sus glóbulos rojos y se acompañan de un cuadro conocido como eritroblastosis fetal o enfermedad hemolítica del recién nacido (es una forma de anemia). Se produce en un feto Rh positivo, cuya madre es Rh negativa y su padre es Rh positivo (el cual contribuye con dicho alelo al hijo por ser heterocigoto). Si durante el parto pasa sangre fetal a la circulación sanguínea materna, el sistema inmune materno reconoce al antígeno como extraño y fabrica anticuerpos contra él. En el segundo embarazo, los anticuerpos pasan a través de la placenta a la circulación fetal, destruyendo los glóbulos rojos del feto. En la actualidad, a las madres con esta incompatibilidad se les da suero anti-Rh inmediatamente luego de haber dado a luz; esto destruye a los eritrocitos Rh positivos que hayan entrado a la sangre de la madre.

Actividades 1.

Una madre tiene un hijo del grupo A y ella es del grupo O. Indique cuáles son los probables genotipos del padre y por qué.

2.

Una mujer del grupo AB se casa con un hombre del grupo O, ¿cuál será la proporción genotípica y fenotípica de la descendencia?

3.

Además del grupo sanguíneo ABO, los humanos presentan el factor Rh. Hay personas que son Rh , lo que está determinado por la presencia de un alelo dominante, y otros que son Rh-, los cuales deben ser homocigotos recesivos. + Si se casa un hombre de grupo sanguíneo AB Rh- con una mujer de grupo A Rh , cuyo padre era del grupo 0 Rh-, ¿cuál será el probable fenotipo de la descendencia?

+

CPECH Preuniversitarios

4. Una mujer de grupo O se casa con un hombre de grupo AB y tienen una hija del grupo A, la cual se casa con un hombre del grupo B cuyo padre era del grupo AB y su madre del grupo O. Realice todos los cruzamientos e indique la probabilidad de que el último matrimonio tenga un hijo del grupo O.

325

capítulo

9

5. Concepto de raza La amplitud de la variabilidad genética en una población es un determinante principal de su capacidad para el cambio evolutivo. Puede mostrarse por experimentos de cría (selección artificial) que las poblaciones naturales albergan un amplio espectro de variaciones genéticas. La amplitud de la variabilidad puede ser cuantificada comprobando las estructuras de las proteínas y, más recientemente, mediante la secuenciación de las moléculas de ADN. Esto determina que dentro de una misma especie se pueden encontrar grupos de individuos que poseen características distintas. Es lo que se conoce como subespecie o, más comúnmente, raza. En el caso de la especie humana, al analizar la variación de un conjunto de caracteres es posible que las poblaciones de una región geográfica determinada se parezcan más a sus vecinos que a otras poblaciones geográficas más alejadas. Sin embargo, si se estudian tanto las características externas como los genes, los resultados indican que la variación es gradual conforme el gradiente geográfico y resulta arbitrario establecer cualquier límite, lo cual no permite subdividir a nuestra especie en compartimientos como las subespecies zoológicas. Los arquetipos raciales humanos no describen antepasados puros, más bien constituyen representaciones simbólicas de la variación actual en sus expresiones extremas. No es posible establecer cuando apareció este gradiente de variación, pero basados en datos paleontológicos y moleculares se puede decir que la diversidad que hoy se observa en nuestra especie es reciente. Si incluimos en el estudio el análisis de un conjunto amplio de caracteres incluyendo no solo aquellos que usualmente se toman para definir la pertenencia a una “raza”, se puede observar que en muchos casos, la variabilidad entre individuos de “una misma raza” es mayor que la que se observa entre individuos de “distinta raza”. Este análisis genético pone de manifiesto que la noción de raza en la especie humana carece de fundamento biológico, ya que las diferencias percibidas como esenciales (color piel, color cabello, etc.) son despreciables frente a la gran variabilidad existente entre individuos. Sin embargo, sí se puede plantear la existencia de las etnias. Actualmente la mayoría de los antropólogos coinciden en que las razas biológicas son un mito en nuestra especie. Sin embargo, la idea persiste en muchas formas; como el racismo. En vista de los actuales conocimientos de la diversidad genética humana, desde la biología es necesario dejar en claro que no existe ningún fundamento científico en posturas que invoquen la existencia de “razas” como una categoría natural o biológica. De acuerdo con lo anterior, definiremos a continuación tres conceptos importantes:

a. Subespecie

CPECH

Preuniversitarios

Subdivisión de una especie que puede estar aislada geográficamente y tener caracteres distintivos, pero no está reproductivamente aislada.

326

Es una población o grupo de poblaciones diferenciable de otras poblaciones de la misma especie por la frecuencia de los genes, las ordenaciones cromosómicas, o características fenotípicas hereditarias. Las subespecies muestran algunas veces un aislamiento reproductor incipiente, aunque no suficiente como para hacerlas especies diferentes. Las subespecies son razas a las que se le han asignado nombres taxonómicos distintivos.

b. Raza Grupo de poblaciones que pueden ser distinguidos por caracteres fenotípicos y el aislamiento geográfico de otros grupos o poblaciones de la misma especie. Las razas pueden o no ser consideradas como subespecies y lo son cuando las diferencias raciales son considerables y de importancia taxonómica. Es una población o grupo de poblaciones diferenciable de otras poblaciones de la misma especie por las frecuencias de los genes,

Capítulo 9

Herencia y variabilidad

las ordenaciones cromosómicas o características fenotípicas hereditarias. Una raza que ha recibido un nombre taxonómico es una subespecie.

c. Etnia Agrupación natural de hombres y mujeres con características comunes o similares presentes en la lengua, la cultura o la formación social y que, habitualmente, conviven en una territorio geográfico determinado. La etnia, por definición, es un concepto distinto al de raza, tribu, pueblo o nación. La diferencia fundamental con todos ellos es que la etnia es una forma de organizar la sociedad en función de esos rasgos comunes. Mientras la historia puede conformar una nacionalidad o un pueblo, la etnia es un concepto activo que por esa circunstancia ha llevado muchas veces a la definición de minoría étnica o minoría nacional. En la sociedad moderna, la etnia se distingue como la comunidad con lengua y cultura. Si la lengua es transmisora de cultura, es obvio que el lenguaje específico de esa comunidad es lo que le convierte en una etnia diferenciada del resto. En consecuencia, una etnia despojada de su lengua deja de serlo, aunque siga manteniendo su unidad como pueblo, nación o estado.

6. Clonación y generación de clones Se define como clon al gen, célula u organismo genéticamente idéntico a un ancestro original por reproducción asexual o biotecnología. Por ejemplo, segmentos de ADN insertado enzimáticamente en una plásmido o en un cromosoma de una bacteria y que se replica para formar muchas copias. Hoy en día el término clonación se extiende a la formación de copias de organismos multicelulares como plantas y animales, entre los que encontramos el ser humano.

6.1 Clonación de genes Este tipo de procedimientos caen en el campo de la biotecnología, la cual se refiere a todo uso comercial o alteraciones de células o moléculas biológicas para alcanzar metas prácticas y específicas, tales como: 1. Aprender más acerca de los procesos celulares, entre ellos la herencia y expresión de los genes. 2. Ofrecer una mejor comprensión y tratamiento de las enfermedades, en particular los trastornos genéticos. 3. Generar ventajas económicas y sociales como la producción de moléculas biológicas valiosas y mejoras en las plantas y animales para agricultura. Una herramienta fundamental de la genética es el ADN recombinante, el cual contiene partes o genes completos de diversos organismos en muchos casos de especies distintas. Se utiliza para su cultivo a bacterias, virus o levaduras, los cuales luego son usados para transferirlos a otras especies de plantas o animales.

En animales, el progreso de estas investigaciones ha sido más lento y menos productivo que en plantas. Así, por ejemplo, se intentó producir cerdos y vacunos con menos grasa y de mayor crecimiento, transfiriendo el gen de la hormona del crecimiento humano. Se obtuvo cerdos y vacunos de crecimiento más rápido, pero que padecían de úlcera, artritis, esterilidad y morían prematuramente. La investigación continúa adelante.

Preuniversitarios

Para crear animales transgénicos, el ADN clonado se inyecta en un óvulo fecundado, se devuelve a una madre sustituta para que se pueda desarrollar y se espera cumpla su período de crecimiento hasta el nacimiento.

CPECH

De esta forma, tenemos bacterias que sintetizan insulina humana, abaratando el costo del producto; plantas capaces de resistir herbicidas y plagas, incluso se intenta crear plantas capaces de cumplir funciones de vacunas económicas y fáciles de elaborar.

327

capítulo

9

Se clonan genes para la hormona de crecimiento de rata

Se clonan genes para la metalotioneína del ratón

Se combinan el gen para la hormona del crecimiento y el gen para la metalotioneína El ADN recombinado se inyecta en células embrionarias de ratón Gen para la hormona del crecimiento de rata Promotor de gen para la metalotioneína

El embrión se implanta en una madre sustituta y...

... se desarrolla normalmente

El ratoncito se trata con pequeñas cantidades de zinc

El zinc estimula la liberación de grandes cantidades de hormona del crecimiento de la rata...,

... que induce el desarrollo de un ratón adulto gigante (se muestra junto a un ratón normal)

6.2 Clonación natural

CPECH

Preuniversitarios

Organismos unicelulares como protistas y levaduras se reproducen asexualmente por mitosis, formando una descendencia idéntica al progenitor.

328

La reproducción asexual es una forma natural de formar clones usada, por ejemplo, en plantas. Se denomina reproducción vegetativa. Por ejemplo, a partir de retoños que crecen del sistema de raíces de un solo árbol progenitor. Estos renovales crecen formando arboledas que juzgamos como una población, pero está formada por un único individuo puesto que todos sus componentes son idénticos. Entre los animales que presentan reproducción asexual podemos mencionar el caso de la hidra, pariente de agua dulce de las medusas que replica una miniatura de sí misma, también por mitosis, que finalmente se separa de su progenitor y hace una vida independiente.

Capítulo 9

Herencia y variabilidad

6.3 Clonación artificial en plantas La clonación en plantas se basa en el uso de hormonas vegetales, por ejemplo, el uso de auxinas y citocininas, utilizadas sobre fragmentos de una planta que lleva a la formación de un conjunto de células que por la acción de las hormonas comienzan a diferenciarse en tejidos hasta formar una planta completa. En el esquema se muestra la interacción entre auxinas y citocinina sobre tejidos vegetal, sobre el cual concentraciones variables de estas homonas en un medio de cultivo da por resultado distintas reacciones de crecimiento. División celular con diferencición

División celular sin diferenciación

Explante inicial

Callo

Sistemas aéreos

Raíces

a. El explante inicial es un pequeño fragmento de tejido estéril de la médula de un tallo de tabaco, que se coloca sobre un medio nutritivo a base de agar. b. En un medio nutritivo de agar con 2 mg/L de auxina y 0.2 mg/L de citocinina las células se dividen y forman una masa de tejido indiferenciado que recibe el nombre de callo.

(a)

(b)

(c)

(d)

c. El crecimiento de raíces es estimulado por un medio con alta proporción de auxina sobre citocinina.

d. El crecimiento de sistemas aéreos es estimulado por un medio con baja proporción de auxinas sobre citocinina.

6.4 Clonación artificial en animales La clonación de animales está basado en el siguiente planteamiento: “un núcleo diferenciado tiene toda la información de la célula” y que, por lo tanto, es capaz de generar un organismo completo bajo las condiciones adecuadas. A principios del siglo XX, Hans Spemann demostró que el núcleo de una célula, proveniente de un embrión de 16 células de Tritón (anfibio), podía desarrollar un organismo completo. En 1950, Robert Brig. Y Thomas King realizaron un experimento más sofisticado empleando a un embrión de más días de rana.

CPECH

Posteriormente, en 1960 John Gurdon repitió el experimento que consistió en inactivar o eliminar quirúrgicamente el núcleo del óvulo de una rana y reemplazarlo por el núcleo de células de epitelio intestinal de una rana adulta, logrando el desarrollo de un renacuajo igual a la rana donadora del núcleo.

Preuniversitarios

329

capítulo

9

Óvulo no fecundado Se destruye el núcleo con radiación. Células intestinales Se extrae el núcleo

El núcleo de la célula intestinal se trasplanta al óvulo.

El desarrollo es normal

Rana normal

Xenopus sp.

CPECH

Preuniversitarios

A principios de 1997, el doctor Ian Wilmut y colaboradores lograron lo que ningún científico había logrado a la fecha: clonar un mamífero, usando el núcleo tomado de un tejido adulto y causaron un gran escándalo mundial con el nacimiento de la oveja Dolly.

330

Capítulo 9

Herencia y variabilidad

Oveja carinegra

Oveja Finn Dorset

Óvulo 1. Célula de la ubre de una oveja Finn Dorset se cultiva en un medio con bajos niveles de nutrimientos. Las células famélicas dejan de dividirse y entran en la fase G0 del ciclo celular en la que no se divide

Célula de la ubre.

Óvulo

Célula donadora de núcleo de la ubre.

ADN

Impulso eléctrico

Nace Dolly, una oveja Finn Dorset

Se extrae el núcleo.

2. Entretanto, se extrae por succión el núcleo de un óvulo no fecundado tomado de una oveja carinegra escocesa. Este óvulo suministrará citoplasma y organelos, pero no cromosomas.

La célula se divide y forma un embrión temprano Células fusionadas

3. El óvulo sin núcleo y la célula de ubre inactiva se colocan uno al lado de la otra en una caja de cultivo. Un impulso eléctrico estimula la fusión de las células e inicia la división celular mitótica.

4. Se deja el embrión en cultivo durante seis días, tiempo en el que se transforma en una esfera hueca de células. Después se implanta en el útero de una segunda oveja carinegra.

Implante en la oveja carinegra que sirve de madre sustituta. 5. La oveja carinegra da a luz una corderita Finn Dorset que es gemela genética de la oveja Finn Dorset.

Preuniversitarios

Sin embargo, lo importante, en este caso particular de la clonación de Dolly, es que plantea la posibilidad de la clonación humana.

CPECH

Un experimento de este tipo, es decir, la clonación de un adulto, permite a los científicos usar la reproducción asexual para aprovechar la variabilidad natural que la reproducción sexual brinda, eligiendo aquellos organismos mejor adaptados para ser clonados.

331

capítulo

9

Para que este experimento diera resultado se requirió de 227 intentos para que uno resultara en el nacimiento de Dolly. En teoría no hay razón por la que no se pudiera aplicar el método en seres humanos. Por ejemplo, la clonación de adultos podría dar origen a un bebé idéntico a su madre, a un abuelo, a un famoso deportista, un ganador del premio Nobel o a un asesino en serie, sin embargo, aunque el genotipo sea idéntico, no hay que olvidar que la expresión de la información genética llamada fenotipo depende también del ambiente en que el individuo se críe.

Actividades 1. Define los siguientes conceptos: a. Especie: b. Subespecie: c. Raza: d. Clon: 2. Respecto a la clonación de genes para hacer organismos transgénicos, realice un listado con los pro y los contra de esta tecnología. 3. Investiga qué tipo de reproducción asexual (clonación natural) existen en plantas y animales. 4. ¿Qué beneficio existe en la clonación artificial de una planta? 5. Investiga en libros de biología o internet qué se pudo descubrir con la clonación de la oveja Dolly: • ¿Dictan los genes de cada especie un tiempo de vida máximo? • ¿La vida de un clon será más corta que la del organismo original? • Aun teniendo los mismos genes el clon que el organismo original, ¿vivirá su vida igual que el organismo original?, ¿qué puede variar entre el clon y el organismo original que donó la información genética? 6. Realice una lista de los pro y los contra de una clonación humana.

7. Determinación y representación gráfica de los caracteres variables en la población

CPECH

Preuniversitarios

La información almacenada en cualquier gen se puede modificar por mutación, originando un alelo diferente. Por consiguiente, para cualquier gen, el número de alelos presentes en los individuos de una población no tiene por qué estar limitado a dos.

332

Cualquier individuo de un organismo diploide tiene como máximo dos loci génicos homólogos, que pueden estar ocupados por alelos diferentes del mismo gen. Sin embargo, en los miembros de una especie, puede haber muchas formas alternativas del mismo gen. Si observamos este hecho desde el punto de vista de la evolución, los genes que encontramos en las poblaciones vivas actualmente tuvieron ancestros, los cuales sufrieron cambios o mutaciones del ADN a lo largo del tiempo. Esto permite hacer estudios moleculares comparativos entre los grupos humanos modernos, remontándonos inevitablemente hacia nuestros antepasados comunes y, por ende, nos permite establecer el árbol filogenético de la especie humana.

Capítulo 9

Herencia y variabilidad

Una fuente de datos nada despreciable fue el estudio de hace más de 25 años de proteínas sanguíneas. Aun cuando estos estudios permitieron definir gradientes de frecuencias de grupos sanguíneos y otros marcadores genéticos, el estudio de las proteínas se vio cada vez más complementado a partir de los años ochenta por el análisis mucho más informativo del ADN, puesto que gracias a las potentes herramientas de estudio desarrolladas, la genética molecular puede analizar en su nivel más íntimo (la secuencia de nucleótidos) los eventos que han moldeado la herencia biológica de los grupos humanos. Por lo tanto, todos los seres humanos sin excepción poseen el mismo genoma y, por ende, poseen la misma información genética (o genes) para producir todos los componentes celulares. Sin embargo, existen pequeñas variantes dentro de este genoma. Se ha calculado que existe una diferencia de 1% de nucleótidos entre individuos, por lo cual hay un elevado número de alelos para un mismo gen, o bien varios millones de mutaciones en el ADN que se han acumulado con el tiempo, sin tener incidencia en la vida del individuo. El estudio de estas mutaciones gracias a la genética molecular ha permitido obtener más información a través de las variaciones a nivel de las proteínas, las cuales reflejan una pequeña parte de estas mutaciones. De acuerdo con los estudios que se han hecho hasta el momento, no se ha identificado una región de ADN en la cual se encuentren alelos únicos y exclusivos para una población humana, ni una población humana que no presente todos los alelos representativos de otras poblaciones. Lo que sí está claro es que dada la alta cantidad de alelos que existen, su frecuencia de distribución es la que puede variar, dando una relación de mayor o menor distancia genética entre dos o más grupos humanos, reflejadas en la proporción de diferencias moleculares entre ellos. Un ejemplo clásico lo podemos encontrar en el sistema de grupos sanguíneos ABO, altamente estudiado dada su importancia para las transfusiones de sangre. Los antígenos de este sistema son fácilmente detectables, y esto los constituye en excelentes marcadores genéticos. Por eso se estudian para hacer informes forenses, determinar paternidad dudosa o discutida, hacer estudios génicos de individuos, familias y poblaciones.

Actividades 1. A partir del siguiente esquema, establezca qué relación existe entre genotipo y fenotipo. Además, determine cuántos genotipos presenta cada grupo sanguíneo.

A nivel del organismo: un rasgo preciso, los grupos sanguíneos (fenotipos).

A

A

A

B

B

Grupo AB

B

0

0

Grupo 0

0

0

0

A

B

Preuniversitarios

0

Grupo B

CPECH

A nivel cromosómico (cromosomas 9) (genotipo).

Grupo A

333

capítulo

9

2. A continuación encontrará una tabla que representa la frecuencia de los alelos ABO de grupo sanguíneo en una población americana y europea, a partir de ella: • Construye un gráfico de barra con estos datos. • Formula una hipótesis que explique las diferencias observadas en el gráfico que acaba de construir. Frecuencias génicas encontradas en casos controles, la población de referencia y posibles ancestros europeos y amerindios Hombres Alelos

Casos

Controles

Mujeres Casos

Ancestros

Controles

Población de referencia

Europeos

Amerindios

Sistema ABO A

0,1721

0,2129

0,1924

0,1728

0,1724

0,2786

0,071

B

0,0711

0,0611

0,0425

0,0775

0,0580

0,0612

0,036

O

0,7562

0,7260

0,7651

0,7497

0,7696

0,6602

0,894

3. Investiga cuál es la frecuencia génica de los alelos ABO en Chile.

8. Genealogías

= Varón = Mujer

Una genealogía consiste en graficar las relaciones familiares de un individuo que presenta una característica, cuya transmisión hereditaria se está estudiando.

= Sexo Desconocido = Individuos Afectados

Este individuo se denomina “propositus” y será comparado con el resto de los individuos que conforman su familia.

= Heterocigoto

La relación es horizontal si los individuos son de la misma familia y vertical si incluye parientes de otras generaciones. Cada miembro de la hermandad (fratria) se incluye en la genealogía de izquierda a derecha y se señala con un número arábico; los individuos de distintas generaciones se ordenan de arriba hacia abajo y se enumeran con números romanos.

= Mujer Portadora

= Mellizos

= Gemelos

La construcción de árboles genealógicos involucra el uso de una determinada simbología:

= Aborto

CPECH

Preuniversitarios

= Matrimonio

334

8.1 Representación de una genealogía Para facilitar el análisis de las características representadas en una genealogía, es posible utilizar las características que a continuación se señalan para cada modelo de herencia mendeliana simple:

= Matrimonio Consanguíneo = Individuo con el que se inicia el estudio

números romanos

= Generaciones

números arábicos

= Individuo de cada generación



Capítulo 9

Herencia y variabilidad

8.2 Herencia autosómica 8.2.1 Herencia dominante autosómica 1. El rasgo se transmite en forma continua de una generación a otra. 2. Cada uno de los individuos que presentan dicho rasgo proviene de un progenitor que también presenta dicha característica. 3. Tanto en hombre como en mujeres se encuentra la característica en la misma proporción. Aquellos individuos que no presentan la característica no la transmiten a su descendencia. I 1

2

4

5

II 1

2

1

2

1

2

3

6

7

8

9

10

6

7

8

III 3

4

5

IV 3

4

5

6

8

7

8.2.2 Herencia recesiva autosómica 1. La característica en cuestión es poco frecuente en la descendencia. 2. Si los dos progenitores presentan la característica, tendrán una descendencia de 100% con dicha característica. 3. Si los dos progenitores son portadores, darán una descendencia con una proporción fenotípica de 1 : 4 para cada nacimiento.

I 1

II

2

3

1

2

2

3

4

5

6

3

4

5

6

III

1

2

3

5

4

5

6

6

7

8

Preuniversitarios

IV

4

CPECH

1

335

capítulo

9

8.3 Herencia ligada al sexo 8.3.1 Herencia dominante ligada al sexo 1. Las madres que presentan las características teniendo un genotipo heterocigoto (Aa) la transmiten al 50% de sus hijos o hijas. 2. Los individuos machos afectados transmiten sus características solo a sus hijas. 3. La proporción de mujeres hijas afectadas es mayor que la de los hijos varones. 4. Aquellas mujeres afectadas que presentan condición homocigota transmiten el rasgo a todos sus hijos e hijas. 5. La herencia dominante ligada al cromosoma X no puede ser distinguida de la herencia autosómica dominante observando la progenie de mujeres afectadas, sino por la observación de la descendencia masculina. I 1

2

II 1

2

3

4

5

III 1

2

3

3

4

5

4

5

6

7

IV 1

V

1

2

2

3

4

8.3.2 Herencia recesiva ligada al cromosoma X 1. 2.

CPECH

Preuniversitarios

3.

336

4. 5. 6.

Si el carácter es poco frecuente, los padres y otros parientes del afectado no lo presentarán, a excepción de los tíos maternos y otros parientes varones de la línea materna. Los varones que presentan dicha característica no la transmiten a sus hijos, pero tienen hijas portadoras que sí lo transmiten a la mitad de sus hijos. Las mujeres portadoras no manifiestan la característica y la transmiten a sus hijos, pero tiene hijas portadoras que sí la transmiten a la mitad de sus hijos. Cada uno de los hijos afectados (varones) es hijo de una madre portadora, a excepción de mutantes. Las mujeres que sí manifiestan la característica provienen de un padre afectado y una madre portadora. La frecuencia de esta característica es mayor en los hombres que en las mujeres.

Capítulo 9

Herencia y variabilidad

I 1

2

5

II 1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

6

7

III

IV

Sabías que... Cuando la expresión de un gen se altera por factores del ambiente o por otros genes, son 2 los resultados posibles. En primer lugar, el grado en que se expresa un genotipo en particular en el fenotipo de un individuo puede variar. Esta expresividad variable se puede observar en la polidactilia (presencia de dedos supernumerarios, tanto en las manos como en los pies), que es causada por un alelo dominante. Frecuentemente, existe gran variabilidad en la expresividad entre los miembros de una familia, dando como resultado que ciertos individuos tengan dedos supernumerarios en pies y manos, mientras que otros tengan solamente una parte de un dedo supernumerario en un pie. En segundo lugar, la proporción de individuos que muestra el fenotipo correspondiente a un genotipo particular puede ser menor que la esperada; el genotipo muestra penetrancia incompleta. Por ejemplo, se sabe que los individuos que llevan el alelo para polidactilia pueden tener manos y pies absolutamente normales.

Actividades 1. Este árbol genealógico representa cómo se manifiesta una enfermedad genética en una familia. Al respecto contesta:

1

2

I

1

2

4

3

1

2

Preuniversitarios

III

CPECH

II

337

capítulo

9

a. ¿Cuál es el genotipo más probable para cada miembro de la familia? I1:



II3:

I2:



II4:

II1:



III1:

II2:



III2:

b. ¿En qué forma de herencia se manifiesta esta enfermedad? 2. Construye un árbol genealógico a partir de los siguientes datos: Un hombre afectado de una enfermedad genética se casa con una mujer normal y tiene dos hijos, un hombre y una mujer, ambos normales. La mujer se casa con un hombre normal, sin embargo, tiene un hijo hombre afectado. Al investigar sobre la familia del hombre afectado, se pudo establecer que este era hijo de una mujer normal, y que tiene 2 hermanas normales y un aborto espontáneo. Indique de qué tipo de herencia cree Ud. que se trata.

9. Mutaciones En los organismos vivos, el material genético (ADN) está continuamente sujeto a alteraciones espontáneas o inducidas por agentes químicos y físicos, denominadas mutaciones. De acuerdo con el tipo y tamaño del cambio, a las mutaciones se las clasifica en: mutación puntual o puntiforme, mutación cromosómica y mutación genómica o poliploidía.

9.1 Mutación puntiforme o génicas Las mutaciones puntiformes, que corresponden a mutaciones génicas que suponen pequeños cambios en su estructura molecular, llevan a cambios en la ordenación de los nucleótidos en una sección particular de la molécula de ADN. Se distinguen 2 tipos principales de mutaciones génicas:

CPECH

Preuniversitarios

a. Mutaciones por sustitución de pares de bases

338

Son cambios de un par de bases por otro. • Transición: Cuando se reemplaza una base nitrogenada púrica por otra púrica, o una pirimídica por otra pirimídica. Las transiciones se producen durante la replicación, cuando se altera el principio de complementariedad. -G-C-A-C

-G-C-G-C

-C-G-T-C

-C-G-C-G

Capítulo 9

Herencia y variabilidad

• Transversión: Ocurre cuando se reemplaza una base púrica por otra pirimídica, o una pirimídica por otra púrica. Las transversiones se producen por la aparición de huecos en la formación de enlaces entre 2 pirimidinas contiguas. Los más frecuentes son los dímeros de timina. -G-C-A-C

-G-C-G-C

-C-G-T-C

-C-G-A-G

Las sustituciones provocan la alteración de un único triplete y no alteran el orden de la lectura de los demás tripletes. Solo suelen modificar un aminoácido de la proteína resultante, por lo que no tienden a ser perjudiciales.

b. Mutaciones por corrimiento del orden de lectura Estas mutaciones son debidas a la inserción o pérdida de uno o más pares de bases nitrogenadas. Se denominan adiciones o deleciones, respectivamente. Estas mutaciones producen un corrimiento en el orden de lectura y, por tanto, pueden alterar muchos aminoácidos. Sus consecuencias suelen ser graves. Constituyen el 80% de las mutaciones genéticas espontáneas.

9.2 Mutaciones cromosómicas Son las mutaciones que provocan cambios en la estructura interna de los cromosomas. Se distinguen los siguientes tipos:

a. Mutaciones en la estructura de los cromosomas A B C D E

F G H deleción

A B C E

F G H

A B C D E

F G H inversión

A B C F

E D G H

A B C D E

• La deleción es la pérdida de un segmento cromosómico. Si el fragmento es muy grande puede tener efectos patológicos e incluso letales. Por ejemplo, el síndrome cri du chat produce niños con microcefalia, retraso mental y que, generalmente, no llegan a adultos.

• La inversión es el cambio de sentido de un fragmento del cromosoma. Si el segmento invertido incluye el centrómero se denomina inversión pericéntrica; si no, inversión paracéntrica. Las inversiones se detectan por técnicas de bandeo cromosómico.

• La duplicación es la repetición de un segmento de un cromosoma. Las duplicaciones permiten aumentar el material genético y, gracias a posteriores mutaciones, pueden determinar la aparición de nuevos genes durante el proceso evolutivo.

F G H duplicación

A B C B C D E

F G H

MN O C D E

R

F G H

translocación

A B C D E

F G H

A B P O

R

Preuniversitarios

MN O P Q

CPECH

• La translocación es el cambio de posición de un segmento de cromosoma. Cuando es entre cromosomas no homólogos se denomina translocación recíproca. Cuando hay traslación de un segmento a otro lugar del mismo cromosoma o de otros cromosomas, sin reciprocidad, se denomina transposición.

339

capítulo

9



Las inversiones y las translocaciones no suponen diferencias para el individuo, ya que no se produce pérdida ni ganancia de material genético, pero sí pueden provocar alteración en los descendientes.



Un ejemplo es la translocación de 15/21; 21/22 o 21/21 que produce Síndrome de Down, clínicamente similar a la trisomía.

9.3 Mutaciones genotípicas a. Aneuploidías Es la alteración en el número normal de ejemplares de uno o más tipos de cromosomas, debido a una segregación errónea durante la meiosis (no-disyunción cromosómica). Se denominan nulisomías, monosomías, trisomías, tetrasomías, etc, cuando en lugar de dos cromosomas de cada par no hay ninguno o hay uno, tres, cuatro, etc. El síndrome de Turner (mujeres XO) es un ejemplo de monosomía y el Síndrome de Down es un ejemplo de trisomía del par 21.

b. Euploidías Es la alteración en el número normal de dotaciones cromosómicas. Incluye la monoploidía y la poliploidía. La monoploidía o haploidía es la existencia de una sola dotación cromosómica, es decir, un solo cromosoma de cada par. Las bacterias y abejas (zánganos) son monoploides. La poliploidía es la existencia de más de 2 ejemplares de cada tipo de cromosomas. Pueden ser triploidías, tetraploidías, etc. Son frecuentes en plantas y raras en animales. El 47% de las angiospermas son poliploides. Las formas poliploides tienen hojas y frutos de mayor tamaño.

9.4 Agentes mutagénicos Se refiere a aquellos factores que aumentan sensiblemente la frecuencia normal de la mutación. Sus principales agentes son: • Radiaciones: Se dividen en ionizantes y no ionizantes. - Las radiaciones ionizantes, que incluyen los rayos X y las radiaciones α, β, γ, propias de las reacciones nucleares, provocan alteraciones de las bases nitrogenadas e incluso rompen los enlaces fosfodiéster con la consiguiente ruptura del ADN y, por tanto, de los cromosomas.

CPECH

Preuniversitarios

- Las radiaciones no ionizantes, como los rayos ultravioleta que favorecen la formación de enlaces covalentes entre dos pirimidinas contiguas (dímeros de timina).

340

• Sustancias químicas: Las más importantes son el ácido nitroso, que desamina ciertas bases, por ejemplo, pasan la citosina a uracilo; la hidroxilamina, que añade grupos hidróxido; y los agentes alquilantes, que añaden grupos metilo, etilo, etc. Todos estos procesos modifican las bases nitrogenadas para favorecer el emparejamiento con bases diferentes de las complementarias.

Capítulo 9

Herencia y variabilidad

Conceptos fundamentales

1.

Clonación: Se define como clon al gen, célula u organismo genéticamente idéntico a un ancestro original por reproducción asexual o biotecnología, por ejemplo, segmentos de ADN insertado enzimáticamente en una plásmido o en un cromosoma de una bacteria y que se replica para formar muchas copias, hoy en día el término clonación se extiende a la formación de copias de organismos multicelulares como plantas y animales, entre estos últimos, el ser humano.

2.

Fenotipo: Corresponde a la expresión de los genes en los organismos vivos influenciada por el medioambiente.

3.

Gen: Es la unidad de herencia que contiene la información de los caracteres de los seres vivos. Corresponde a una secuencia de ADN.

4.

Gen dominante: Corresponde a los genes que se expresan tanto en heterocigosis como en homocigosis. En genética, se anotan con letras mayúsculas.

5.

Gen recesivo: Corresponde a los genes que se expresan solo en homocigosis. En genética, se anotan con letras minúsculas.

6.

Genes ligados: Genes que se ubican en un mismo cromosoma.

7.

Genes alelos: Corresponde a cada una de las alternativas que puede tener un gen de un carácter. Se consideran alelos a aquellos genes que se ubican en un mismo locus en un par de cromosomas homólogos y que codifican la misma información.

8.

Genotipo: Constitución genética de los seres vivos.

9.

Homocigoto: Corresponde a los individuos que tienen en cada cromosoma homólogo el mismo tipo de alelo, por ejemplo AA.

10. Heterocigoto: Corresponde a los individuos que tienen en cada cromosoma homólogo un alelo distinto, por ejemplo Aa. 11. Raza: Grupo de poblaciones que pueden ser distinguidos por caracteres fenotípicos y el aislamiento geográfico de otros grupos o poblaciones de la misma especie. Las razas pueden o no ser consideradas como subespecies y lo son cuando las diferencias raciales son considerables y de importancia taxonómica. Población o grupo de poblaciones diferenciables de otras poblaciones de la misma especie por las frecuencias de los genes, las ordenaciones cromosómicas o características fenotípicas hereditarias. Una raza que ha recibido un nombre taxonómico es una subespecie.

CPECH Preuniversitarios

341

3:1

unidad de herencia...

Dihibridismo

9:3:3:1

proporciones típicas...

Determinación del sexo

Heterocigoto

Recesivo

Homocigoto

Alelos distintos

Fenotipo

determina el...

Ambiente

más...

Genotipo

cuando son...

Alelos iguales

su conjunto...

Dominante

Gen son... Alelos cuando...

Determinan una misma característica o bien...

Ocupa un mismo locus en un par de cromosomas homólogos

Preuniversitarios

Génetica es...

Sexuales

Monohibridismo

formas de cruzamiento...

Dominancia completa

Modelo mendeliano

Rama de la biología que estudia los aspectos relacionados con el material genético, entre ellos la forma de transmisión.

Diferencias con respecto al modelo de Mendel

de tipo...

Cromosomas

Alelos múltiples

como ejemplos... Herencia intermedia donde ocurre...

se disponen en...

Alteración de las proporciones mendelianas

Ligamiento

capítulo

Genes

Autosómicos

1 par

Sexo masculino: XY

342

en la especie humana... 22 pares

Sexo femenino: XX

CPECH

9

Capítulo 9

Herencia y variabilidad

Ejercicios Ejercicios Resueltos

1. Una madre espera cuatrillizos. ¿Qué probabilidad existe que los 4 nacimientos sean de sexo masculino? A) B) C) D) E)

1/4 1/2 1/8 1/16 1/32

Correcta: D. Habilidad Comprensión. Defensa: Se considera que la probabilidad de tener un hijo varón es de 1/2 (50%). Aquí son 4 sucesos independientes a la hora de calcular y, por tanto, cada probabilidad se multiplica. En consecuencia: 1/2 x 1/2 x 1/2 x 1/2 = 1/16 probabilidad para los 4 varones.

2. De acuerdo con la teoría cromosómica de la herencia enunciada por Sutton, podemos postular que los genes I) están ubicados en los cromosomas. II) responsables del dihibridismo están localizados en cromosomas distintos. III) ligados están en un mismo cromosoma. Es (son) correcta(s) solo l. solo II. solo l y II. solo lI y III. l, ll y III.

Y posee un brazo más corto. X no aporta genes. Y no tiene alelos al carácter ligado. X en estado homocigoto es letal. Y no aporta genes ligados.

Correcta: C. Habilidad: Comprensión. Defensa: Esta es la causa real que se manifiesten los genes ligados al sexo, ya que en el cromosoma Y no existen genes alelos a esta zona del cromosoma X.

4. Una mujer normal, cuyo padre era daltónico, se casa con un hombre normal sin antecedentes de la enfermedad. ¿Cuál(es) de las siguientes alternativas puede(n) ser sus descendientes? I) Una hija portadora y un hijo normal. II) Una hija daltónica y un hijo daltónico. III) La mitad de los varones normales y la otra mitad daltónico. A) B) C) D) E)

Solo I Solo II Solo III Solo I y II Solo I y III

Correcta: E. Habilidad: Comprensión. Defensa: No pueden existir mujeres daltónicas porque el padre es normal, la madre es portadora y, por ellos los varones pueden ser normales o daltónicos.

Preuniversitarios

Correcta: A. Habilidad: Reconocimiento. Defensa: Las afirmaciones II y III son correctas pero no están asociadas a la teoría cromosómica de Sutton.

A) B) C) D) E)

CPECH

A) B) C) D) E)

3. Los rasgos hereditarios que se transmiten ligados al sexo se manifiestan con mayor frecuencia en los hombres, porque el cromosoma

343

capítulo

9

Ejercicios

5. En un cruzamiento de conejos se obtienen 36 conejos de pelo negro rizado, 35 conejos de pelo negro liso. Si el color de pelo negro es dominante (N) sobre blanco (n) y el pelo rizado (R) es dominante sobre liso (r), los probables genotipos parentales son A) B) C) D) E)

NnRr x NnRr. NNRr x NNrr. NNRR x nnrr. Nnrr x nnRr. nnRR x NNrr.

Correcta: B. Habilidad: Comprensión. Defensa: NNrRr x NNrr es el unico en que la probabilidad de tener pelo negro es 100% (NN x NN) . En A) se pueden dar 4 fenotipos (9:3:3:1); en C) no existirían conejos de pelos liso (RR x rr); en D) existirían de pelo blanco (Nn x nn); y en E) no existirian conejos de de pelo liso (RR x rr).

2. La hemofilia y el daltonismo son enfermedades de herencia ligada al sexo. Según esto, ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es INCORRECTA? A) El gen para el daltonismo se expresará siempre en el hombre. B) La condición homocigotica del gen daltonismo permitirá su expresión en la mujer. C) La hemofilia es letal para la mujer. D) La condición heterocigoto del gen daltonismo permitirá su expresión en la mujer. E) El gen para la hemofilia se expresará siempre en el hombre. 3. El examen del cariotipo de un paciente reveló la presencia de 47 cromosomas en lugar de los 46 normales. Esta situación es compatible con I) Síndrome de Down. II) Síndrome de Turner. III) Síndrome de Klinefelter.

Ejercicios propuestos Es (son) correcta(s) 1. Algunas de las dificultades que presenta el estudio de la herencia humana es (son) I) pocas generaciones por siglo. II) sus fenotipos están influidos por el medioambiente. III) la mayor parte de los individuos son homocigotos.

CPECH

Preuniversitarios

Es (son) correcta(s)

344

A) B) C) D) E)

solo I. solo ll. solo I y II. solo l, II y lll. I, II y III.

A) B) C) D) E)

solo l. solo ll. solo l y ll. solo l y lll. l, ll y lll.

4. Cuando un individuo herocigoto para 2 pares de genes, ubicados en cromosomas diferentes, con dominancia y recesividad, se cruza con otro también heterocigoto para los 2 pares de genes debe esperarse que I) se produzcan 9 clases fenotípicas. II) aparezcan 4 clases fenotípicas. III) las proporción genotípica sea 9:3:3:1. A) B) C) D) E)

Solo I Solo II Solo I y III Solo II y III I, II y III

Capítulo 9

Herencia y variabilidad

Ejercicios 5. Si al cruzar dos plantas, una alta con otra enana, y el resultado de este cruzamiento es de un 50% altas y un 50% enanas, se asegura que el genotipo de los progenitores sería A) homocigoto dominante y homocigoto recesivo. B) ambos heretocigotos. C) ambos homocigotos recesivos. D) homocigoto recesivo y heterocigoto. E) indeterminado.

Respuestas correctas

CPECH Preuniversitarios

345

Comprensión

D

5

Comprensión

B

4

Reconocimiento

D

3

Comprensión

D

2

Comprensión

C

1

Alternativa

Número

Habilidad

346

CPECH

Preuniversitarios

Capítulo 10

ORGANISMO Y AMBIENTE Aprendizajes Esperados

Conocer los conceptos relevantes comprendidos en el funcionamiento de los principales niveles de organización biológica. Conocer y comprender cómo se realiza el intercambio de energía a través del ecosistema. Comprender la importancia de la fotosíntesis en el intercambio de energía del ecosistema. Comprender la importancia de mantener el equilibrio dinámico en la naturaleza y el rol que cabe al hombre en su conservación. Conocer el concepto de biodiversidad. Comprender y analizar los principales factores que determinan y afectan la biodiversidad. Reconocer los principales factores que alteran la biodiversidad en nuestro país y en el resto del planeta.

La ecología estudia el ambiente abiótico así como el biótico. Las comunidades y su ambiente abiótico constituyen los ecosistemas, lo que comprende todas las interacciones entre las comunidades y el ambiente biótico.

capítulo

10

Organismo y ambiente

Introducción Nuestro planeta está habitado por una gran diversidad de especies vivientes. Esta gran variedad de seres vivos está inmersa en un medio ambiente que establece una serie de limitantes físico-químicas que condicionan y determinan su sobrevivencia. En ecología existen dos términos con los cuales trabajaremos en este capítulo, uno es el concepto de factores bióticos, que son aquellos factores que poseen vida (como poblaciones de animales, vegetales, hongos y bacterias) y los factores abióticos que son los factores que no tienen vida, como el clima, el suelo, la temperatura, la humedad, etc. De lo anterior se deduce que los seres bióticos no son organismos aislados; por el contrario, están constantemente interactuando entre ellos y con el medio abiótico. La ciencia que estudia la relación que existe entre los organismos y el medio que los rodea es la ecología. Sin embargo, esta ciencia tiene varias subdivisiones, entre las que destacaremos la autoecología, la cual se preocupa de estudiar las condiciones intraespecíficas e interespecíficas. Los ecólogos intentan cuantificar las variables que afectan a los organismos en la naturaleza, construir hipótesis que expliquen la distribución y la abundancia observadas de los organismos, así como realizar y someter a prueba las predicciones basadas sobre sus hipótesis.

1. Bases físicas de la vida Todos los organismos vivos están dependiendo de una serie de condiciones físicas tales como temperatura, presión atmosférica y radiación. Estos tres factores abióticos son indispensables para que la vida continúe normalmente.

1.1 Temperatura

CPECH

Preuniversitarios

La mayoría de los seres vivos solo puede existir dentro de estrechos rangos de temperatura. Dentro del margen señalado anteriormente, podemos distinguir tres niveles fundamentales: temperatura máxima, mínima y óptima. Lo anterior resulta de vital importancia, considerando que las temperaturas extremas impiden que el metabolismo se desarrolle normalmente.

348

Sin embargo, existen organismos, como las bacterias, que pueden resistir temperaturas por sobre los 85°C, así como hay ciertos nemátodos que pueden soportar temperaturas extremadamente bajas. No obstante lo anterior, la mayoría de los organismos están adaptados a la temperatura en la cual sus procesos vitales se lleven a cabo con la máxima eficiencia, es decir, una temperatura óptima.

Capítulo 10

Organismo y ambiente

1.2 Presión atmosférica La presión está muy relacionada con el oxígeno disponible. A mayor presión atmosférica, mayor concentración de oxígeno y viceversa, de manera que cada especie deberá habitar el lugar que más se adapte a sus características fisiológicas.

1.3 Radiación La radiación solar que llega a la corteza terrestre tiene distintas longitudes de onda, las que van a influir y condicionar la existencia de las diversas especies. Por ejemplo, la radiación ultravioleta es necesaria para la acción de la vitamina D; no obstante, un exceso de esta radiación puede ocasionar serios daños a la piel.

2. Niveles de organización de los seres vivos 2.1 Poblaciones Una población es un grupo de organismos de la misma especie que se cruzan entre sí y habitan en un área geográfica particular en un tiempo determinado.

2.2 Comunidades Como todos los seres vivos requieren de otros seres vivos iguales a ellos o de otras especies, surge la comunidad o biocenosis, que corresponde al conjunto de poblaciones, animales y vegetales que se relacionan entre sí en un lugar determinado.

3. Incorporación de materia y energía a las plantas: fotosíntesis La vida en la Tierra está basada en el carbono y el intercambio de energía. Todas las criaturas vivientes están hechas de moléculas complejas construidas sobre la base del átomo de carbono, el cual es capaz de unirse fuertemente con otros átomos, formando moléculas largas y complejas. El carbono necesario para la construcción de esas moléculas proviene de varias fuentes. Los animales, como el ser humano, lo obtienen de la materia vegetal y animal que consumen; no obstante, la fuente primaria de carbono es el CO2 atmosférico.

6CO2 + 6H2O + energía lumínica  

 C6H12O6+6O2

Preuniversitarios

La fotosíntesis es el proceso por el cual los vegetales, utilizando la energía de la luz solar, llevan a cabo una serie de reacciones químicas por las cuales se transforma el CO2 en azúcares simples y además se libera O2. A continuación se puede observar la ecuación general de este proceso:

CPECH

La energía necesaria para convertir el carbono inorgánico en carbono orgánico es la energía lumínica, que es capturada por los organismos fotosintéticos, quienes la usan para formar carbohidratos y oxígeno libre a partir de dióxido de carbono y agua. Existe solo un proceso capaz de hacer esta transformación, la fotosíntesis.

349

capítulo

10 Sabías que... La fotosíntesis de las algas es similar a la que se produce en las plantas terrestres, pero con una excepción importante: las algas no tienen estomas, por lo que el CO2 y el bicarbonato (HCO3) disueltos en el agua difunden directamente a través de las paredes celulares externas.

La fotosíntesis en los eucariontes ocurre dentro de organelos conocidos como cloroplastos. Dentro de las membranas del cloroplasto está contenida una solución de compuestos orgánicos e iones, conocida como estroma, y un sistema complejo de membranas internas fusionadas que forman sacos llamados tilacoides.

Cutícula Epidermis superior Parénquima en empalizada Parénquima esponjoso

Estoma Núcleo

Haz conductor Epidermis inferior Cutícula

Tricomas

Vacuola Citoplasma Cloroplasto

Membrana externa

Espacio intermembranoso

Membrana interna

Cloroplasto

Estroma

CPECH

Preuniversitarios

Tilacoide

350

Grana (pilas de tilacoides)

La captura de energía luminosa para ser usada por los organismos fotosintéticos se refiere principalmente a que la luz debe ser absorbida. Para esto se requiere una serie de pigmentos (moléculas capaces de absorber luz). Los pigmentos que intervienen en la fotosíntesis de los eucariontes incluyen las clorofilas (pigmentos verdes) y los carotenoides (pigmentos anaranjado-rojizos), los cuales están agrupados en sistemas de pigmentos antena llamados fotosistemas (fotosistema I y fotosistema II). Los fotosistemas responsables de la captura de la luz están situados en las membranas de los tilacoides.

Capítulo 10

Organismo y ambiente

3.1 Fases de la fotosíntesis La fotosíntesis se divide en dos etapas o fases: la fase dependiente de la luz (fase clara) y la fase independiente de la luz (fase oscura).

3.1.1 Fase dependiente de la luz En esta fase la energía radiante del sol es capturada por los pigmentos presentes en los fotosistemas.

Algunos pigmentos absorben luz de todas las longitudes de onda y, por lo tanto, parecen negros. Otros solamente absorben ciertas longitudes de onda, transmitiendo o reflejando las longitudes de onda que no absorben.

Los electrones de las moléculas de clorofila a son lanzados a niveles energéticos superiores y, en una serie de reacciones, su energía adicional es usada para formar ATP a partir de ADP y para reducir una molécula transportadora de electrones conocida como NADP+ formando NADPH. Además, también se rompen moléculas de agua, suministrando electrones que reemplazan a los que han sido lanzados desde las moléculas de clorofila a. La escisión de las moléculas de agua (denominada fotólisis del agua) es la causa de la obtención de oxígeno libre, el cual difunde hacia el exterior. En resumen • Como consecuencia de la incidencia de luz en los fotosistemas I y II, los electrones de los centros de reacción (clorofilas a) se excitan. Los electrones resultantes de la excitación del fotosistema II se transfieren a moléculas transportadoras de electrones que unen ambos sistemas, llegando de esta manera al fotosistema I. • Los electrones resultantes de la excitación del fotosistema I se transfieren a moléculas transportadoras de electrones, llegando finalmente al NADP+, el cual se reduce a NADPH. • La luz también produce la fotólisis de una molécula de agua (escisión de una molécula de agua), la cual libera 2 átomos de hidrógeno, 1 átomo de oxígeno y dos electrones. Estos últimos son transferidos al fotosistema II. • Como consecuencia del transporte de electrones se produce un bombeo de protones (iones de H+) desde el estroma al espacio tilacoidal. Este transporte proporciona la energía necesaria a la enzima ATP sintetasa para que se forme ATP.

CPECH Preuniversitarios

351

capítulo

10 Aceptor primario de electrones 2e

Aceptor primario de electrones 2e

2e

Nivel de energía

2e 2e

Energía de Tra nsp la luz ort 2e a dor Gra die es nte de de ele 2e pro ctro ton nes e s 2e

Energía de la luz

P + ADP ATP

Fotosistema II Moléculas de pigmentos en la antena

Moléculas 2e reactiva de clorofila a (P680)

H2O 2H + 1/2 O2 +

Tra n de spor ele tad ctr ore on s es

2e

2e

Fotosistema I Moléculas de Moléculas pigmentos en la reactivas de antena clorofila a (P700)

NADP+ + H+ NADPH

A las reacciones independientes de la luz en la estroma Ciclo de Calvin

3.1.2 Fase independiente de la luz Aunque esta fase no requiere de luz, sus reacciones necesitan de los productos de la fase anterior. El ATP y el NADPH formados en la primera etapa se utilizan para reducir el carbono del CO2 a un azúcar simple, como la glucosa. Así, la energía química almacenada temporalmente en las moléculas de ATP y de NADPH se transfiere a moléculas adecuadas para el transporte y el almacenamiento de energía. La incorporación de CO2 en compuestos orgánicos se realiza a través de una serie de reacciones cíclicas conocidas como ciclo de Calvin (reacciones fijadoras de CO2), las cuales ocurren a nivel del estroma de un cloroplasto.

CPECH

Preuniversitarios

Además de la glucosa, en el estroma del cloroplasto se fabrican aminoácidos, ácidos grasos, almidón y en el citosol sacarosa, que es la forma en que las plantas transportan el azúcar, a través de su savia.

352

Capítulo 10

Organismo y ambiente

Membrana externa del cloroplasto Membrana interna del cloroplasto

CO2

Energía de la luz

P + ADP ATP

Ciclo de Calvin

H+ + NADP+ NADPH

2e H2O

2H + 1/2 O2 +

Reacciones dependientes de la luz (en la membrana del tilacoide)

Glúcidos

Reacciones independientes de la luz (en el estroma)

3.2 Factores que afectan la fotosíntesis Así como la luz, la temperatura y otros factores influyen en el proceso fotosintético, existen otros factores que afectan este proceso, los cuales clasificaremos como factores externos y factores internos. a. Factores externos • Luz: la influencia de la luz depende de su longitud de onda (calidad)y cantidad. - Longitud de onda: Los complejos antena que captan la energía luminosa, lo pueden hacer a diferentes longitudes de onda. Sin embargo, si se ilumina una planta con una longitud de onda superior a 680 nm el fotosistema II no actúa. Longitudes de onda entre 280 y 315 nm conocida como luz ultravioleta pueden entorpecer la capacidad fotosintética y el crecimiento de las plantas, las cuales se ven enfrentadas por el aumento de la luz ultravioleta a causa de contaminantes de origen humano que afectan la capa de ozono. - Cantidad de luz: Las plantas que reciben menos luz, por ejemplo, las que se encuentran a la sombra realizan con menor eficiencia la fotosíntesis. Sin embargo, cuando la intensidad de luz es excesiva, se detiene el proceso fotosintético.

-

Preuniversitarios

Tasa fotosintética

+

CPECH

-

Intensidad luminosa

+ (Watts/m2)

353

- Concentración de CO2: El CO2 es la molécula utilizada por las plantas para producir distintas sustancias orgánicas. La falta de él disminuye la productividad y en exceso el proceso se satura (porque depende de enzimas). Si la intensidad luminosa es suficiente y constante, al aumentar la cantidad de CO2 aumenta el rendimiento fotosintético, hasta que se alcanza un valor máximo. El co2 también presenta fluctuaciones diarias y estacionarias; por ejemplo, aumenta durante la noche, cuando aumenta la respiración; en cambio, durante el día las plantas retiran CO2 del aire y su concentración disminuye bruscamente. Durante el período de crecimiento la concentración atmosférica de CO2 también se reduce. +

capítulo

10

Tasa fotosintética

30 ºC

-

20 ºC

-

+

Concentración de CO2

Intensidad luminosa alta

CPECH 354

Intensidad luminosa baja

-

Preuniversitarios

Tasa fotosintética

+

• Temperatura: Las plantas poseen una temperatura óptima para realizar la fotosíntesis, más allá de la cual la tasa fotosintética disminuye, el aumento de la temperatura produce un aumento del rendimiento de la fotosíntesis debido al incremento de la actividad de las enzimas, que es máxima, a un determinado valor de temperatura, pero sobrepasado este valor, la actividad enzimática disminuye, y con ello el rendimiento fotosintético. La temperatura, al igual que la humedad y la luz, es un factor ambiental muy variable, de hecho varía a lo largo del año, por lo que existen plantas que pueden realizar fotosíntesis adaptadas a diferentes temperaturas.

10

20

30

40

Temperatura en ˚C

Capítulo 10

Organismo y ambiente

• Agua: Cuando el clima es excesivamente seco, los estomas se cierran para evitar la pérdida de agua, lo que dificulta el paso de agua y CO2 con la consiguiente disminución de la actividad fotosintética, provocando que la hoja se seque y caiga, llegando incluso a matar a la planta.

b. Factores internos Corresponden principalmente a la estructura de la hoja, por ejemplo se incluye el grosor de la cutícula y/o de la epidermis, el número de estomas y los espacios entre células del mesófilo. Estos factores influyen directamente en la difusión del CO2 y O2, así como en la pérdida de agua.

Sabías que... La fotosíntesis realizada en una planta se mide indirectamente por el CO2 consumido o por el O2 liberado. El aumento de la concentración de O2 tiene un efecto inhibitorio sobre la fotosíntesis.

• Estomas: La difusión de los gases, incluido el vapor de agua, hacia el interior y el exterior de la hoja es regulada por los estomas. Los estomas se abren y se cierran por la acción de las células oclusivas (o guarda), debido a cambios en la turgencia de estas células.

Estomas

Abierto

Células oclusivas

Cerrado

CPECH Preuniversitarios

355

capítulo

10 Actividades 1. ¿Por qué la fotosíntesis requiere de luz solar y CO2? 2. ¿Qué función cumplen los pigmentos en la fotosíntesis? 3. Explica cómo se produce el O2 durante la fotosíntesis. 4. Explica el rol del ATP y NADPH en la fotosíntesis. 5. Describe en términos generales los principales acontecimientos involucrados en la fotosíntesis. 6.

¿Qué efecto tiene la temperatura en la fotosintesis? Explica brevemente.

7. Explica el efecto de la variación en la intensidad luminosa anual sobre el proceso fotosintético. 8. ¿Qué efecto genera la concentración de CO2 en la fotosíntesis? 9. Explica la relación que existe entre los estomas y la fotosíntesis. 10. Si colocas bajo una campana de vidrio una planta y un ratón de laboratorio, y los dejas encerrados por varios días, ¿qué ocurriría?

4. Ecosistema En este punto conviene destacar que el ambiente abiótico o biotopo que ocupa una determinada comunidad comprende el espacio en que vive el organismo, la temperatura, la radiación, la humedad ambiental, presión atmosférica, sustancias orgánicas e inorgánicas, etc. Por otro lado, el componente biótico o biocenosis (elementos vivos) del ecosistema comprende a los productores, consumidores y a los desintegradores o microconsumidores. Esta combinación de componentes bióticos y abióticos, a través de los cuales fluye la energía y circulan los materiales, se conoce como ecosistema. En relación al componente biótico se distinguen 2 tipos de organismos: a. Los autótrofos

CPECH

Preuniversitarios

Son aquellos organismos capaces de utilizar diferentes formas de energía y utilizarlas para sintetizar sustancias orgánicas a partir de materias inorgánicas. Ejemplo: fotosíntesis y quimiosíntesis.

356

b. Los heterótrofos Corresponden a aquellos organismos que degradan, asimilan y desintegran las sustancias orgánicas necesarias para satisfacer sus requerimientos vitales. Como todo sistema, el ecosistema requiere de una fuerza impulsora, siendo esta fuerza la energía. La fuente de energía determina en gran medida las características de un ecosistema. Es así como los principales tipos de energía que mueven a un ecosistema son la energía solar y la producida por los combustibles químicos.

Capítulo 10

Organismo y ambiente

4.1 Niveles tróficos

Productividad Primaria

a. Productores

Se absorbe dióxido de carbono del aire

Fotosíntesis

Se absorbe agua del suelo, se utiliza en la fotosíntesis y se almacena en las células

Se desprende oxígeno

Se sintetiza azúcar y se utiliza en lo tejidos vegetales

tejidos vegetales crecimiento

Se captura energía de la luz solar

Se absorben nutrimentos minerales inórganicos (nitrato, fosfato) del suelo y se utilizan en los tejidos vegetales

Los principales productores u organismos autótrofos son las plantas verdes y algas, las que a través de la fotosíntesis pueden transformar la energía luminosa en energía química. Estos organismos fotosintéticos usan energía luminosa para fabricar carbohidratos y otros compuestos, que son fuentes de energía química y materia orgánica para el ecosistema. La cantidad de vida que puede soportar un ecosistema queda establecida por la energía captada por los productores. La energía que almacenan los productores y que ponen a disposición de los otros miembros del ecosistema en un tiempo dado, se denomina productividad primaria neta y corresponde a la diferencia entre la productividad bruta menos el costo de todas las actividades metabólicas de los organismos en cuestión. Productividad bruta: Es una medida de la tasa a la cual los organismos asimilan energía en un nivel trófico determinado.

b. Consumidores La energía ingresa en el mundo animal a través de las actividades de los herbívoros (animales que comen plantas o algas). Un herbívoro puede ser un ratón de campo, un conejo, etc. (cada tipo de ecosistema tiene su propia dotación de herbívoros). Este nivel es conocido como consumidores primarios y forman el segundo nivel trófico. Los carnívoros como el águila, las arañas y el puma, entre otros, se denominan consumidores secundarios y forman el tercer nivel trófico. A veces, algunos carnívoros se comen a otros carnívoros y, cuando lo hacen, forman el cuarto nivel trófico, los consumidores terciarios. Otro tipo particular de consumidores son los detritívoros carroñeros. Estos son organismos que se alimentan de los desechos o detritos de una comunidad (hojas, ramas y troncos de árboles muertos, heces fecales, exoesqueletos, etc.), incluyen a animales como buitres, cóndor, cangrejos, lombrices de tierra, etc. Los detritívoros se pueden considerar consumidores que utilizan presas muertas en lugar de vivas.

Preuniversitarios

Representados por hongos y bacterias, se sustentan de despojos o desechos, y se han especializado en aprovechar fuentes de energía química como la celulosa y productos de desecho nitrogenado, que no son utilizables por los animales. Son muy importantes, puesto que permiten que algunos elementos químicos de la materia orgánica vuelvan al ecosistema (saprobiontes).

CPECH

c. Descomponedores

357

4.2 Flujo de energía

capítulo

10

Existen dos leyes físicas que están relacionadas con el flujo de la Energía: La Primera y Segunda Ley de Termodinámica. • Primera Ley de Termodinámica: Hace mención a la conservación de la materia y la energía. Establece que la energía no se crea ni se destruye, sino solo se transforma. De esta manera la energía proveniente de la luz solar (energía radiante) es transformada en energía química en los vegetales a través del proceso de fotosíntesis. Esta energía química será utilizada por la planta como alimento y degradada en el proceso de respiración. • Segunda Ley de Termodinámica: Establece que una parte de la energía que se encuentra disponible para realizar trabajo y se transforma en calor al pasar de una forma a otra. Esta energía escapa hacia el ambiente, perdiéndose. Las transformaciones de energía en el mundo de los seres vivos, al igual que en el mundo físico, son muy bajas, pues al ir transformándose, una pequeña cantidad de ella se va perdiendo como calor. Por esta razón, para realizar las “actividades biológicas” los organismos continuamente necesitan del aporte energético, el cual en primer término proviene del sol. Es decir, la cantidad de energía que parte y la cantidad de energía que llega al último nivel trófico son significativamente distintas. En consecuencia, la transferencia de energía se realiza en forma ordenada en un flujo unidireccional.

Actividades 1.

¿En qué grupo de organismos bióticos clasificarías a las bacterias quimiosintetizadoras?

2.

¿Cuál sería la principal fuente impulsora del ecosistema de una ciudad y de un bosque respectivamente?

3.

¿Cuál es el proceso que determina que un organismo sea autótrofo?

4.

¿Se puede inferir que la energía solar es innecesaria para el ecosistema de una ciudad?

5.

Términos pareados: En el espacio coloca la letra del concepto de la columna A que esté más relacionado con la oración de la columna B. B _____ Elaboran alimento a partir de sustancias inorgánicas.

b. Descomponedores

_____ Unidad funcional que incluye a los organismos bióticos y abióticos.

c. Heterótrofos

_____ Principal fuerza impulsora de la mayoría de los ecosistemas.

d. Energía solar

_____ Conjunto de cadenas alimentarias.

e. Trama alimentaria

_____ Digieren y asimilan las sustancias orgánicas.

358

f. Autótrofos

_____ Permiten reciclar ciertos elementos químicos al ecosistema.

Preuniversitarios

a. Ecosistema

CPECH

A

Organismo y ambiente

Capítulo 10

4.3 Transferencia de la energía Las relaciones energéticas entre los niveles tróficos determinan la estructura de un ecosistema en función de la cantidad de organismos y de la cantidad de biomasa presente, por lo que el flujo de energía con grandes pérdidas en cada pasaje al nivel sucesivo se puede representar en forma de cadena, trama y pirámide.

a. Cadena alimenticia El paso de energía de un organismo a otro acurre a lo largo de una cadena alimenticia o trófica, es decir, una secuencia de organismos relacionados unos con otros, por su forma de alimentación, como presa y depredador. El primero es comido por el segundo; el segundo, por el tercero, y así sucesivamente en una serie de niveles alimentarios o niveles tróficos. Cadena alimentaria a) Cadena alimentaria terrestre simple

a) Consumidor terciario (4° nivel trófico)

Consumidor primario (2° nivel trófico) Consumidor secundario (3er nivel trófico) Productor (1er nivel trófico) Consumidor secundario (3er nivel trófico)

b)

Fitoplancton Productor (1 nivel trófico) er

b) Cadena alimentaria marina simple

Zooplancton Consumidor primario (2° nivel trófico)

Las tramas tróficas no son lineales. Los recursos se comparten, en especial en los inicios de la cadena. La misma planta sirve de comida para una gran variedad de mamíferos e insectos, y el mismo animal sirve de alimento a varios depredadores, de esta manera las cadenas trófica se conectan para formar una red trófica cuya complejidad varía entre diferentes ecosistemas y dentro de ellos.

Preuniversitarios

b. Red o trama alimentaria

CPECH

Consumidor terciario (4° nivel trófico)

359

capítulo

10 Trama alimentaria

c. Eficiencia en la transferencia de energía Como ya se vio anteriormente, una ley fundamental de la termodinámica es que la utilización de la energía nunca es totalmente eficiente. Por ejemplo, cuando un automóvil quema gasolina, alrededor del 75% de la energía liberada se pierde inmediatamente en forma de calor. Esto también ocurre en los seres vivos siendo representada esta situación en forma gráfica a través de la utilización de pirámides. • Pirámide de energía: Muestra el flujo de energía entre los niveles tróficos de un ecosistema. Los productores (plantas y otros autótrofos) ubicados en la base de la pirámide representan la mayor cantidad de energía; luego los herbívoros, luego siguen los carnívoros, etc.

Los organismos autótrofos pierden una cierta cantidad de la energía solar que reciben durante su vida. Al ser ingerido por un herbívoro, el consumidor primario no puede producir ninguna energía extra, sino que dependerá de la concentrada en la planta. El herbívoro gastará energía en una serie de actividades, de manera que solo una ligera cantidad de energía es concentrada en el herbívoro. Si el herbívoro es comido por un carnívoro, solo un mínimo porcentaje del potencial de energía del herbívoro pasará al consumidor secundario.

CPECH

Preuniversitarios

Kcal por m2 por año

360

13

Carnívoro secundario Carnívoro primario

316

6 67 Producción neta

Respiración Herbívoro

Productor

1.890

11.977

1.478

8.833

Capítulo 10

Organismo y ambiente

• Pirámide de biomasa: Representa la cantidad de peso seco que contiene cada nivel trófico. Ciertos estudios demuestran que para alimentar 4.5 terneras se requieren alrededor de 20 millones de plantas de alfalfa. Estas 4,5 terneras aportarán unos 1.000 kg de carne que permitirán suministrar energía por 12 meses a un niño de 12 años que solo pesa 50 kg. Peso seco (gramos po m2) Carnívoros

0,1

Herbívoros

0,6

470,0

Productores

• Pirámide de número: Representa la cantidad de organismos que contiene cada nivel trófico en una cadena alimenticia. Si consideramos el número de organismos que habita en una determinada zona, encontraremos que los productores son significativamente más numerosos que los herbívoros, así como los herbívoros serán más numerosos que los carnívoros. Por último, estos serán más numerosos que los consumidores de tercer orden. Consumidores terciarios Consumidores secundarios Consumidores primarios

Número de individuos

Productores

Al igual que las pirámides de números, las de biomasa indican solo la cantidad de material orgánico presente en un momento, no dan la cantidad total de material producido o, como hacen las pirámides de energía, la tasa a la cual se produce. Un efecto secundario negativo de la ineficiencia en la transferencia de energía, junto con la producción y liberación de sustancias químicas tóxicas al medio ambiente, es el fenómeno de ampliación biológica.

La ampliación biológica es el proceso mediante el cual las sustancias tóxicas se acumulan en concentraciones cada vez más altas en los niveles tróficos superiores en una cadena alimenticia. El DDT es probablemente la sustancia tóxica más conocida. En el año 1940 las propiedades del nuevo insecticida conocido como DDT (Dicloro Dietil Tricloroetanol) parecían casi milagrosas. En los trópicos salvó millones de vidas, eliminando los mosquitos que transmitían la malaria. El DDT es de larga duración, por lo que una sola aplicación puede seguir matando.

CPECH Preuniversitarios

A mediados de la década de 1950 la Organización Mundial de la Salud roció DDT en la isla de Borneo para controlar la malaria. Una oruga que se alimentaba de los techos de paja de las casas casi no resultó afectada, mientras que la avispa que se alimentaba de ella fue destruida; esta situación provocó que las orugas aumentaran su población sin control, consumiendo los techos de paja. Las lagartijas que se alimentaban de insectos envenenados acumularon concentraciones altas de DDT en su cuerpo. Tanto ellas como los gatos que se alimentaban de estas lagartijas morían de envenenamiento. Cuando se eliminaron los gatos, explotó la población de ratas y las aldeas se vieron amenazadas por un brote de peste, transmitida por las ratas sin control. El brote de esta enfermedad se evitó llevando gatos nuevos de aldeas cercanas.

361

capítulo

10 El DDT y otras sustancias que sufren ampliación biológica tienen dos propiedades que las hacen peligrosas: no se descomponen fácilmente en sustancias inofensivas, y son solubles en las grasas (liposolubles), pero no en agua. Por lo tanto, se acumulan en los cuerpos de los animales, especialmente en la grasa, en lugar de ser descompuestos y excretados por la orina. Como la transferencia de energía de los niveles tróficos más bajos a los más altos es poco eficiente, los herbívoros deben comer grandes cantidades de material vegetal, y a su vez los carnívoros deben comer muchos herbívoros, etc. Como el DDT no se excreta, el depredador acumula la sustancia de todas las presas durante muchos años, por lo que el DDT alcanza los niveles más altos en los depredadores de los niveles superiores de la cadena alimenticia.

Actividades En la siguiente trama alimentaria, ubica los organismos que representan los diversos niveles tróficos.

arañas pequeñas

arañas de tamaño medio  escarabajo

caracoles pulmonados

grillos

ácaros depredadores

colémbolos

hojarasca milpiés

a) Productores:

ácaros oribátidos

______________________________________________________________________

b) Consumidores primarios: ______________________________________________________________________ c) Consumidores secundarios: ______________________________________________________________________ d) Consumidores terciarios:

______________________________________________________________________

CPECH

Preuniversitarios

4.4 Ciclos biogeoquímicos

362

Existe en la corteza terrestre una gran variedad y cantidad de elementos y compuestos orgánicos, muchos de los cuales son vitales para el funcionamiento de los sistemas vivientes. A estos elementos se llaman biogénicos y se les puede clasificar en dos grandes grupos: macronutrientes y micronutrientes. • Macronutrientes: Son compuestos esenciales del protoplasma y se requieren en cantidades significativas; por ejemplo, el carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, potasio, calcio, magnesio, azufre y fósforo, incluyendo además algunos compuestos, como el agua. • Micronutrientes: Son aquellos elementos y compuestos que, siendo también importantes, se requieren en cantidades pequeñas ejemplo: fierro, manganeso, cobre, zinc, sodio y cloro. Todos estos elementos se mueven cíclicamente entre el biotopo y la biocenosis.

Capítulo 10

Organismo y ambiente

A continuación se destacan los ciclos biogeoquímicos más importantes.

4.4.1 Ciclo de Agua El agua es un compuesto indispensable para la realización de una serie de procesos vitales y además una fuente de hidrógeno. Como lo indica el siguiente esquema, el agua se evapora en ríos, lagos y océanos, ascendiendo a la atmósfera. Por acción de los vientos la masa de aire húmedo es desplazada a diversas regiones. Bajo ciertas condiciones de temperatura el vapor de agua se condensa, originando las precipitaciones y nevadas. El agua al caer al suelo puede seguir diversos caminos o ser absorbida por la tierra formando corrientes subterráneas (napas subterráneas). También puede incorporarse a ríos y lagos, o bien es utilizada por plantas y animales. Ciclo del agua Nubes Nubes

Precipitación

Evaporación

Evaporación

Interceptación

Transpiración l

erficia

tía sup

en Escorr

Infiltración

Uso doméstico

terránea

Agua sub

Percolación Acumulación profunda

4.4.2 Ciclo del Nitrógeno

Preuniversitarios

Una parte del nitrógeno puede incorporarse por actividad volcánica, con la energía de los relámpagos desde la atmósfera.

CPECH

La fuente más abundante de nitrógeno en nuestro planeta es la atmósfera, en donde se encuentra en forma de gas N2 en un 78%. Sin embargo, dado que la mayor parte de las plantas y animales son incapaces de captar directamente este gas y de incorporarlo a sus estructuras y metabolismo, dependen del nitrógeno presente en los minerales del suelo. Por lo tanto, a pesar de la abundancia de nitrógeno en la atmósfera, la escasez de nitrógeno en el suelo suele ser un factor limitante del crecimiento de un vegetal. El proceso por el cual esta cantidad limitada de nitrógeno circula y recircula a través del mundo orgánico y el físico se conoce como ciclo del nitrógeno.

363

10

capítulo

Las etapas del ciclo son: a. Amonificación Los descomponedores degradan la materia orgánica que contiene nitrógeno, liberando el exceso como ión amonio (NH4+) o como amoníaco (NH3), el que se incorpora a algunas plantas para formar parte de compuestos nitrogenados.

b. Nitrificación

Sabías que... Los pocos organismos capaces de incorporar N2 a compuestos orgánicos son procariontes, y se les llama “Fijadores de N2”. Son bacterias (Rhizobium sp) y cianobacterias, muchas de las cuales viven simbióticamente con las raíces de algunos vegetales, como las leguminosas (porotos, garbanzos, etc.). Otras son de vida libre, principalmente acuáticas. Procesos como la erosión, el sobrecultivo o el arrastre de nitratos por lluvias retiran constantemente nitrógeno del medio, disminuyendo la cantidad disponible de nitrógeno para las plantas.

Algunas bacterias comunes en el suelo son capaces de oxidar el amonio o el amoníaco, extrayendo así la energía necesaria para su sobrevivencia. Las nitritobacterias son bacterias encargadas de realizar la siguiente reacción: 2NH3 + 3O2 ---> 2NO2- + 2H+ + 2H2O Amoníaco Nitrito El nitrito es tóxico para muchas plantas, siendo inusual su acumulación. Otro grupo de bacterias conocidas como nitratobacterias realizan la transformación de nitritos (NO2-) en nitratos (NO3-): 2NO2- + O2 ---> 2NO3Nitrito Nitrato Aunque las plantas pueden utilizar el amoníaco directamente, el nitrato es la forma más común en que ellas disponen del nitrógeno.

Ciclo del nitrógeno

Acción volcánica Plantas y tejidos animales Aminoácidos y residuos orgánicos

Plantas terrestres (síntesis de aminoácidos)

Amonificación

CPECH

Preuniversitarios

Asimilación

364

Fijación de nitrógeno

Nitrógeno atmosférico (N2) Desnitrificación

Amonio o amoníaco Nitrificación

Nitritos Nitratos Agua del suelo

Pérdida a los sedimentos profundos

NO2-

NO3

-

Plancton

Peces marinos

Capítulo 10

Organismo y ambiente

c. Asimilación Los nitratos ingresan a las raíces y, dentro de las células, se reducen nuevamente a amonio, que se incorpora a los compuestos orgánicos. Este proceso, a diferencia del anterior, requiere de energía.

4.4.3 Ciclo del Fósforo El fósforo es un elemento esencial de las moléculas biológicas, incluyendo al ATP, siendo además un componente importante de huesos y dientes. Las reservas de fósforo en los ecosistemas son las rocas, donde se encuentra unido al oxígeno en forma de fosfato. El ciclo de fósforo es sedimentario, porque no entra en la atmósfera. Como las rocas están expuestas y se erosionan, el agua de las lluvias disuelve al fosfato, el cual es absorbido fácilmente por las raíces de las plantas y otros autótrofos, y se incorpora a moléculas biológicas como el ATP. De los productores, el fósforo pasa a la red alimentaria. En todos los niveles se excreta el fosfato excesivo. Los descomponedores regresan el fósforo restante en los cuerpos muertos al suelo y al agua en forma de fosfato. Aquí puede ser reabsorbido por los autótrofos o enlazarse con el sedimento y después reincorporarse a las rocas. Ciclo del fósforo Fosfatos en la orina Animales terrestres

Heces Tejidos animales Descomponedores (bacterias y hongos)

Plantas

Agua Fosfatos perdidos en el agua por el drenaje

Fosfatos en solución, en conchas y en esqueletos animales

Fosfatos en la orina Descomponedores (bacterias y hongos)

Tejidos de plantas y algas

Conchas y esqueletos

Tejidos animales y heces

Preuniversitarios

Parte del fosfato disuelto en el agua dulce se lleva a los océanos. Aunque una gran parte de este fosfato termina en los sedimentos del fondo, parte es absorbido por productores marinos y con el tiempo se incorpora en los cuerpos de los invertebrados y los peces.

CPECH

Pérdidas o sedimentos profundos

365

capítulo

10 4.4.4 Ciclo del Carbono

El ciclo del carbono involucra a dos procesos fundamentales, como la respiración y la fotosíntesis. Los organismos autótrofos a través de la fotosíntesis fijan el CO2 y lo transforman en carbohidratos; luego la planta puede ser ingerida por un herbívoro, siendo los compuestos orgánicos degradados y resintetizados en nuevas moléculas por el herbívoro. Posteriormente este animal puede servir de alimento a un carnívoro, ocurriendo nuevamente la digestión y síntesis de nuevos compuestos orgánicos. Durante su vida plantas y animales, a través de la respiración, liberan CO2 a la atmósfera como producto de desecho, y una vez que mueren, la materia orgánica que los constituye, por acción de bacterias descomponedoras, es degradada hasta CO2, liberándose este gas a la atmósfera. CO2

Atmósfera

Fotosíntesis

Atmósfera

CO2 Respiración CO2 Respiración

Biomasa vegetal y animal

Biomasa

CO2

Animales

Respiración

Hojarasca

Detritos/ materia orgánica del suelo Materia orgánica

Descomposición

5. Equilibrio ecológico

CPECH

Preuniversitarios

En una determinada comunidad cada especie tiene su propio nicho ecológico, lo que hace que las poblaciones que constituyen el ecosistema tiendan a permanecer en equilibrio, manteniéndose así relativamente constante la relación numérica entre las especies que forman las diferentes poblaciones. Todo esto contribuye a que se resuelvan satisfactoriamente las necesidades de alimentación y espacio vital que requiere cada individuo.

366

No obstante, estos equilibrios naturales pueden ser alterados por perturbaciones que no siempre son muy profundas. Por ejemplo, si un año resulta más húmedo que lo habitual en una región árida, se estimula el desarrollo de la vegetación, trayendo como consecuencia el aumento de la población de roedores, que provocará un aumento de la población de aves de rapiña. Si al año siguiente la pluviosidad es normal, los autótrofos disminuyen, ocasionando una merma en la población de roedores por falta de alimentos, lo mismo que ocurre con los consumidores secundarios. El ejemplo anterior demuestra que el equilibrio ecológico es absolutamente dinámico, ya que está oscilando continuamente dentro de ciertos límites.

Capítulo 10

Organismo y ambiente

6. Influencia del hombre en el ecosistema El hombre, al igual que cualquier especie, tiene un nicho ecológico en la comunidad de seres vivos a la cual pertenece. Es un consumidor de todos los órdenes, así como también puede ser consumido por algún depredador. Sus restos, al morir, sirven de alimento a los microorganismos. Sin embargo, el hombre, además, tiene otra función ecológica derivada de su capacidad de razonar, permitiéndole actuar en forma voluntaria sobre los recursos que el medio le ofrece (recursos naturales). 6.1

Recursos naturales

Los recursos naturales incluyen todos aquellos componentes que son útiles al hombre: agua, suelo, flora, fauna, sustancias orgánicas e inorgánicas. En la medida que el hombre utilice racionalmente estos recursos, constituirán una fuente de bienestar para el mundo y sus habitantes. Los recursos naturales pueden clasificarse en dos grupos: renovables y no renovables.

a. Recursos naturales renovables Son todos aquellos cuya utilización no implica necesariamente su agotamiento, ya que tienen la facultad de conservar su capacidad productiva, siempre y cuando sean utilizados racionalmente. Tal es el caso del agua, suelo, bosques, praderas y vida silvestre. • La Flora: Los vegetales son muy útiles para el ser humano, no solo para la alimentación sino que para múltiples usos. Una de las formas en que el ser humano ha aprovechado este recurso es en la silvicultura, la cual tiene por finalidad mantener los bosques para una continua producción de bienes y servicios, por ejemplo, madera para la fabricación de muebles o para la producción de celulosa (entre otros usos). • La Fauna: La fauna, al igual que la flora, representa mucho más que recursos para nuestras necesidades alimenticias o de abrigo. Por ejemplo, fauna útil para la agricultura, está representada por los “controladores biológicos”, que son especies enemigas naturales de otras especies que representan plagas o producen daños en los cultivos. Ejemplo de esta fauna son las aves rapaces, como la lechuza, algunos mamíferos carnívoros como el Zorro Culpeo y variados tipos de insectos. También se considera a los polinizadores como fauna útil para la agricultura, como por ejemplo las aves, las abejas y las avispas.

b. Recursos naturales no renovables

CPECH

Comprenden a las materias inorgánicas, razón por la cual carecen de capacidad reproductiva. De tal manera que una explotación intensa trae necesariamente su exterminio, con las consiguientes consecuencias para el país y sus habitantes. Por lo tanto, la utilización de estos recursos debe ser más racional para no agotarlos en un tiempo breve.

Preuniversitarios

367

capítulo

10 6.2 Impacto del ser humano sobre el ecosistema Sabías que... La cantidad de agua del planeta corresponde aproximadamente a 1.500.000.000 km3, de los cuales los océanos ocupan el 75% de su superficie. El resto corresponde al agua dulce (ríos y lagos) que ocupan 93.000 km3 (representa el 0,006%).

La extinción de las especies es un fenómeno natural que se ha dado continuamente en el curso de la evolución, pero la intervención humana, modificando y contaminando el hábitat natural, ha acelerado este proceso.

a. Impacto sobre el agua El agua es imprescindible para la vida, sin embargo, está siendo constantemente contaminada. Por ejemplo, en el océano abierto, los barcos que surcan los mares tiran por la borda millones de contenedores de plástico diariamente; tiras de plástico que sostienen a latas de bebidas o cerveza, material de empaque, entre otros, son arrastrados por el agua y por el aire desde la tierra hacia los océanos, lugar donde se acumulan. El plástico es consumido por tortugas, gaviotas, delfines, focas y ballenas, las cuales frecuentemente mueren después de consumirlas. También ha servido como terreno para tirar desperdicios nucleares. Además debemos considerar la contaminación causada por el petróleo, a través de derrames de barcos petroleros, escurrimientos por manejos inadecuados en la tierra, filtraciones de pozos petroleros costeros y filtraciones naturales. Por último, la creciente demanda de peces para alimentar a una población humana en crecimiento, junto a tecnologías de pesca más eficientes, ha resultado en la disminución de importantes grupos de peces. Las tierras húmedas (pantanos, manglares) y las fuentes de agua dulce, como ríos, lagos y lagunas, han sido utilizadas en forma indiscriminada, especialmente para el consumo humano o para la actividad agropecuaria e industrial.

CPECH

Preuniversitarios

El uso de compuestos químicos nitrogenados y fosfatados provenientes de detergentes, jabones y otros productos, puede provocar un fenómeno -especialmente en aguas de poca circulación, como bahías, estuarios cerrados o semicerrados, orillas de ríos- conocido como eutroficación. Este fenómeno corresponde al sobreenriquecimiento de las aguas, que provoca un explosivo crecimiento de algas y otros organismos con ciclos de vida cortos. La muerte de estos causa un incremento de bacterias y otros descomponedores, los cuales reducen la cantidad de oxígeno, agotando este recurso para la vida acuática. Como consecuencia final, toda la vida acuática perece.

368

b. Impacto sobre el aire El aire limpio, o sea, sin contaminantes, está compuesto principalmente por nitrógeno (78%) y por oxígeno (21%). El porcentaje restante de gases lo constituye el dióxido de carbono, argón, y otros como el vapor de agua (0,01% a 0,038%).

Capítulo 10

Organismo y ambiente

En forma permanente hay liberación de gases contaminantes hacia la atmósfera, los que se mezclan y se distribuyen por todo el planeta, no importando su lugar de emisión. Entre las principales fuentes contaminantes están las industrias, los hogares, los automóviles, buses y otros medios de transporte, cuyas emisiones gaseosas tienden a disminuir la concentración de ozono (O3) de la estratósfera y a aumentar el de la troposfera (parte de la atmósfera más cercana a la Tierra), donde es un gas contaminante y principal componente del smog urbano. Entre los principales contaminantes de la atmósfera se encuentran: • Dióxido de carbono (CO2): Constituye solo una pequeña fracción de la atmósfera de la Tierra, aproximadamente 0,035%, pero en los últimos 100 años ha ido aumentando, principalmente como consecuencia del aumento en la combustión de combustibles fósiles. Los análisis recientes han mostrado que la destrucción de las selvas también contribuye al aumento de los niveles de CO2 en la atmósfera. El CO2 tiene una propiedad importante por lo que su acumulación es preocupante, ya que atrapa calor. Este gas actúa como el cristal en un invernadero, permitiendo que entre la energía en forma de luz solar, pero absorbe y conserva esa energía una vez que se ha convertido en calor. Varios gases de invernadero comparten esta propiedad, incluyendo al metano, los clorofluorocarbonos y el óxido nitroso.

Este gas, junto con otros gases, absorbe la radiación infrarroja, lo que provoca un aumento en la temperatura del planeta (efecto invernadero). El CO2 disminuye la formación natural del ozono (O3) en la estratósfera y aumenta su velocidad de formación artificial en la troposfera. Efecto Invernadero Energía solar

Solo parte del calor radiado desde la Tierra escapa al espacio

Acumulación de gases de invernadero en la estratósfera La mayor parte del calor es absorbido por gases de invernadero y radiado de regreso a la Tierra Calor radiado desde la Tierra

Absorbida como calor por la Tierra

Estratosfera

Troposfera Tierra

Preuniversitarios

Muchos científicos creen que el efecto invernadero posiblemente cause un aumento de 1,5º a 4,5º en la temperatura global promedio para finales del siguiente siglo. Otra consecuencia, preocupante de la tendencia de calentamiento es el cambio en la distribución global de la temperatura y de las precipitaciones. Sin embargo, a pesar del conocimiento mundial del efecto invernadero, los avances son lentos debido a que los principales países emisores son renuentes a imponer restricciones que serían impopulares en sus territorios (como por ejemplo, restringir el uso del automóvil) y además sufren presiones de particulares en contra de cambios tecnológicos rápidos.

CPECH

Sabías que...

369

• Metano (CH4) y monóxido de carbono (CO): Su origen es natural y humano. El CO disminuye la capacidad de captar oxígeno, lo cual afecta, por ejemplo, las funciones cerebrales, pudiendo provocar la muerte.

capítulo

10

• Hidrocarburos halogenados: Son compuestos orgánicos cuya estructura contiene Cloro, Flúor o Bromo, siendo comúnmente denominados compuestos clorofluorocarbonados (CFC). Se originan solo de la actividad humana, principalmente por el uso de aerosoles y refrigerantes. Son muy estables en la troposfera y tienen una vida media muy larga. Los CFC son los responsables directos de la destrucción de la capa de ozono en la estratósfera. • Dióxido de azufre (SO2) y plomo: Provienen, principalmente, de los automóviles y de la actividad industrial. Sus efectos dañinos posibles son a nivel del sistema circulatorio, nervioso y reproductor.

• El óxido nitroso y dióxido de azufre: Son causantes de la lluvia ácida. Estos compuestos se relacionan principalmente con el uso de combustibles fósiles, como por ejemplo el petróleo, como fuente de energía. Cuando los óxidos de nitrógeno se combinan con el vapor de agua en la atmósfera, se convierten en ácido nítrico y el dióxido de azufre se convierte en ácido sulfúrico. Días después y a veces a miles de kilómetros de la fuente, caen lo ácidos, ya sea disueltos en lluvia o como partículas secas microscópicas. Los ácidos corroen los edificios, dañan los árboles y las cosechas y dejan a los lagos sin vida. La lluvia ácida también puede matar a microorganismos descomponedores, con lo que se impide el regreso de nutrientes al suelo. Las plantas, envenenadas y privadas de nutrientes, se debilitan y se hacen más vulnerables a las infecciones y a los ataques de insectos.

Un ejemplo dramático del efecto de las lluvias ácidas en los seres vivos se presenta en Holanda, en donde las aves canoras no se están reproduciendo bien, ponen huevos con cascarones delgados, en los cuales se desarrollan embriones con deformaciones en los huesos, evidencia de la deficiencia de calcio. Los investigadores han descubierto que estas aves obtienen la mayor parte de su calcio de los caracoles, cuyas conchas son ricas en este mineral. Sin embargo, durante los últimos 20 años las poblaciones de caracoles han desaparecido casi por completo, como resultado de la lluvia ácida. Por lo tanto, las aves canoras podrían ser las próximas en desaparecer. La capa de ozono se encuentra aproximadamente a 30 km de altura en la atmósfera y su función es protegernos de los rayos ultravioleta provenientes del sol, evitando que estos alcancen la superficie terrestre. Por lo tanto, su deterioro traería consecuencias nefastas para la vida. La sobreexposición a los rayos ultravioletas sin ningún tipo de protección puede causar mutaciones en el material genético, afectar al sistema inmune y provocar cáncer a la piel. En el caso de las plantas, disminuye su capacidad fotosintética. Radiación ultravioleta

CPECH

Preuniversitarios

Radiación ultravioleta

370

Ozono presente

Ozono ausente

Capítulo 10

Organismo y ambiente

c. Impacto sobre la vida silvestre El hombre ha alterado el balance de las poblaciones naturales en ciertas áreas con la introducción de nuevas y exóticas especies para controlar pestes y depredadores. El hombre, sin lugar a dudas, actúa de manera determinante en el equilibrio de la naturaleza. Sin embargo, esta acción muchas veces modifica negativamente el medio, ocasionando graves alteraciones al equilibrio natural, amenazando dramáticamente su propia existencia. • Sobre la agricultura: - Devastación de praderas y deforestación. - Sobre-explotación de recursos naturales. - Utilización de pesticidas no biodegradables (como por ejemplo, el DDT).

Sabías que... Estados de Conservación Según la experiencia internacional, no es posible fijar un número poblacional que límite cada categoría de conservación ni tampoco una superficie mínima de hábitat para decir que una especie está en peligro de extinción o no. Se debe usar el criterio y consenso de los especialistas en flora y fauna para fijar el estado de conservación de cada especie.

• Contaminación ambiental: - Eliminación inadecuada de basuras. - Eliminación de productos tóxicos por industrias, vehículos motorizados y en la actividad doméstica, provocando con ello contaminación atmosférica.

6.3 Conservación de los recursos Para conservar los recursos renovables se requiere de un trabajo responsable en todos los niveles de la sociedad. La población, en general, debe respetar los recursos utilizándolos en forma racional y evitando contaminar el ambiente. Las empresas que explotan recursos deben cumplir las normativas vigentes de conservación, elaborando planes de manejo que no pongan en riesgo el ambiente ni la disponibilidad de recursos, tanto en el presente como en el futuro. El Estado debe implementar políticas para la conservación de recursos y garantizar su aplicación.

CPECH Preuniversitarios

En la actualidad Chile cuenta con un “Sistema Nacional de Áreas Silvestres Protegidas del Estado (SNASPE)”, que consiste en proteger y manejar estos ambientes naturales para conseguir los objetivos de protección y conservación. Comprende a todas las áreas declaradas Parques Nacionales, Reservas Nacionales, Monumentos Nacionales, entre otros, administradas por la Corporación Nacional Forestal (CONAF), dependiente del Ministerio de Agricultura.

371

capítulo

10 7. Biodiversidad De acuerdo a la Ley de Bases Generales del Medio Ambiente: “la biodiversidad o diversidad biológica es la variabilidad entre los organismos vivos que forman parte de todos los ecosistemas terrestres y acuáticos. Incluye la diversidad genética dentro de una misma especie, entre especies y entre ecosistemas”. Las especies son las diferentes clases de vegetales, animales y microorganismos que pueblan la Tierra. A través de miles de millones de años han aparecido nuevas especies, mientras que aquellas que no pudieron adaptarse a los continuos cambios de las condiciones ambientales se extinguieron. En nuestro planeta, hay unos 30 millones de especies, pero hasta ahora la biodiversidad que se ha descrito y clasificado se estima en alrededor de 1.750.000 especies, aunque según algunos científicos es posible que existan hasta 100 millones de especies sin identificar todavía. De la cifra conocida, la mayoría (750.000) son insectos, 41.000 vertebrados y 250.000 plantas; el resto se compone de una compleja gama de invertebrados, hongos y microorganismos. La mayoría de las especies se encuentran cerca del Ecuador, mientras que cerca de los polos hay muchas menos. La diversidad de especies tiene su punto culminante en las selvas tropicales y en los arrecifes de coral. Por ejemplo, en una hectárea de bosque tropical de América Latina puede haber de 40 a 100 especies de árboles, mientras que en una hectárea de bosque en el este de América del Norte solo hay de 10 a 30 especies.

Actividades 1. Define el término biodiversidad.

CPECH

Preuniversitarios

2. ¿En qué sector de nuestro planeta existe una mayor biodiversidad de especies? Fundamente su respuesta.

372

7.1 Biodiversidad en Chile En Chile la biodiversidad no se caracteriza por ser numerosa, pero sí por poseer un alto nivel de endemismo (propio del país) en comparación con otros países de clima similar (clima templado). La posición geográfica aislada del territorio nacional, la variedad de climas, el tamaño reducido del área continental y la historia del poblamiento faunístico son las causas de esto.

Capítulo 10

Organismo y ambiente

Pero además de las especies, los ecosistemas también poseen características endémicas. El 25% de las ecorregiones vegetacionales son endémicas, así como el 70% de las ecorregiones de ambientes dulce-acuáticas.

7.2 Peligros y amenazas de la biodiversidad La extinción de especies es un proceso natural, pero con el inicio de la actividad agrícola hace 10 mil años, la expansión de los asentamientos humanos y el desarrollo del comercio y la industria, esta aumentó notablemente. Hoy cada 30 minutos se extingue una especie en el mundo, lo que representa un constante agotamiento de la riqueza biológica del planeta. Algunos autores sugieren que para el año 2025 podrían desaparecer hasta la mitad de las especies actualmente existentes; pérdida que sería muy difícil de compensar, ya que se necesitan entre 2.000 a 100.000 generaciones para que evolucione una nueva especie. La mayor amenaza a la biodiversidad es la transformación, alteración y destrucción de ecosistemas naturales producto de los cambios en el uso del suelo, generalmente para cultivar la tierra. La deforestación para estos fines, especialmente de los bosques tropicales lluviosos, constituye una de las principales causas de pérdida de biodiversidad. Estos bosques consumen gran parte del dióxido de carbono, uno de los principales gases de efecto invernadero y generador del calentamiento global. En los bosques tropicales lluviosos vive entre un 50% a 90% de las especies y su importancia radica no solo en su rica biodiversidad, sino también en la variedad de culturas humanas. Otro ecosistema muy delicado y con gran diversidad son los arrecifes de coral, los humedales y pantanos, lugares de gran productividad biológica, usados por las aves acuáticas para la cría y la alimentación y el descanso en sus emigraciones. Otras graves amenazas son: • • • •

Introducción o invasión de especies exóticas. Sobreexplotación de especies con fines comerciales, con la consecuente destrucción de hábitat de plantas y animales. Contaminación del suelo, aire y agua. Crecimiento demográfico e incremento en el consumo de recursos, lo que implica alteración de ecosistemas naturales y generación de desechos. • Cambios climáticos globales. Se suman a estas causas la falta de un enfoque ecologista que dé cuenta de la complejidad e interdependencia de sus componentes; las deficientes políticas en la gestión y manejo de los recursos naturales; los efectos del comercio internacional; los desequilibrios en la distribución del ingreso; las fallas en la asignación de los derechos de propiedad, etc.

CPECH Preuniversitarios

373

capítulo

10 Actividades Algunas causas de deterioro ambiental y su contribución relativa Causas de deterioro ambiental

Contribución relativa

Acción humana (incendio, deforestación)

22,8 %

Erosión por agua

19,3%

Aumento área urbana e industrial

16,7%

Alteración por químicos

15,8%

Otros

25,4%

Total de problemas ambientales identificados

1.288

Total de problemas relacionados con pérdida de suelo

144

Fuente: Comisión nacional del medio ambiente (CONAMA)

En base a los datos entregados en la tabla anterior, desarrolla las siguientes preguntas: 1. Realiza una comparación en cuanto a orden de importancia, entre las diversas causas de deterioro ambiental.

2. Clasifica las diversas causas de deterioro ambiental natural y artificial. Explique además los efectos del deterioro ambiental sobre la biodiversidad.

Pérdida de biodiversidad en Chile

CPECH

Preuniversitarios

En Chile las principales causas de pérdida de la biodiversidad son la extracción de recursos naturales, los cambios en el uso del suelo y la contaminación urbana, industrial y agrícola. A lo largo de la historia estas presiones han llevado a tener un pasivo ambiental, con signos de alteración del territorio a nivel nacional, regional y local. Las principales expresiones de estos deterioros acumulados son la erosión de los suelos, la disminución de los caudales y la sedimentación en algunos ríos a niveles tales que no pueden cumplir con sus funciones ecológicas; las bajas en los desembarques pesqueros; las pérdidas de hábitat, naturales, incluyendo bosque nativo; y la degradación del paisaje. Además, por su ubicación y características geográficas, Chile es particularmente vulnerable y directamente afectado por los fenómenos ambientales globales como la exposición a la luz ultravioleta debido al agotamiento de la capa de ozono y a los fenómenos de inestabilidad climática provocados por la corriente “Del Niño” y por el cambio climático.

374

Capítulo 10

Organismo y ambiente

Actividades En base a la siguiente información, desarrolla algunas preguntas que a continuación se presentan. Ejemplos de especies introducidas en Chile y sus efectos ecológicos Especies introducidas

1.

Efectos sobre la flora y fauna

Mirlo

Parasita los nidos de aves nativas

Liebre y conejo

Compiten por alimentos con mamíferos nativos, sobrepastorean la vegetación, constituyen nuevas presas para los depredadores nativos.

Rata Noruega (Guarén), Rata negra (Pericote), Ratón (Laucha)

Comen y ensucian granos almacenados para consumo humano y animal, depredan sobre aves nativas y sus huevos, transmiten enfermedades al ser humano.

Visón

Depreda sobre fauna nativa.

Jabalí

Destruye la vegetación y consume huevos y crías de fauna nativa.

Ciervo, Gamo, Cabra silvestre

Destruyen la vegetación nativa.

Indica las ventajas y desventajas que para nuestro país representa la introducción de especies exóticas.

2. Formula una hipótesis predictiva del efecto a futuro que podría tener en Chile la introducción de especies nativas.

7.3 Protección de los ecosistemas naturales Proteger los ecosistemas es de vital importancia, dado los bienes y servicios que estos proporcionan. Entre las funciones naturales que estos desempeñan se encuentran: purificación del agua y el aire, control de la erosión, regeneración del suelo, protección de cuencas, regulación de la temperatura, absorción y reciclaje de nutrientes y desechos, polinización y dispersión de semillas vía insectos, aves y mamíferos, entre otros. Junto con esto, los ecosistemas satisfacen las necesidades humanas básicas y son esenciales para la supervivencia humana en el futuro, ya que estos proporcionan: • Recursos para la agricultura, silvicultura, acuicultura y ganadería. • Recursos medicinales y farmacéuticos. • Materias primas para los procesos industriales de bienes y servicios (turismo).

La aparición de los organismos genéticamente modificados (OGMs) ha generado un importante debate internacional sobre el tema de la bioseguridad y el impacto adverso que estos pueden tener en la salud humana

Preuniversitarios

Los bienes y servicios de los ecosistemas son la base de las economías nacionales, proporcionan empleo y generan bienestar social y ambiental. La reducción de la productividad de los ecosistemas tiene efectos directos sobre las economías locales y puede tener elevados costos sociales y ambientales, afectando de modo más fuerte a los grupos más vulnerables.

CPECH

• Valor recreativo, estético o científico.

375

y en la diversidad de especies, particularmente en aquellas de importancia alimentaria y comercial en el aspecto mundial. El debate gira en torno al establecimiento de mecanismos de precaución, para evitar riesgos derivados de la comercialización de OGMs que puedan provocar un efecto de “contaminación” o “erosión” genética.

capítulo

10

7.4 Estrategias de protección de la biodiversidad Si bien nadie duda de la dependencia de los seres humanos de los ecosistemas, integrar las consideraciones sobre su capacidad productiva en las decisiones relacionadas con el desarrollo es una tarea difícil, pues requiere revisar algunos aspectos básicos sobre la manera de medir y planificar el crecimiento económico. La pobreza obliga a muchas personas a pasar por alto los límites naturales de los ecosistemas de los cuales dependen, aun cuando estén conscientes. Así, al mismo tiempo que crecen las demandas por los servicios prestados por los ecosistemas, las actividades humanas disminuyen su capacidad para satisfacerlas en el futuro. Las estrategias globales para proteger la biodiversidad apuntan a: • Mantener los procesos ecológicos esenciales y los sistemas que sostienen la vida, de los que dependen las actividades económicas y la supervivencia humana. • Preservar la diversidad de especies y la diversidad genética. • Asegurar que todo uso de especies y de ecosistemas sea sustentable. Todo esto quedó establecido en la Estrategia Mundial de Conservación, desarrollada en 1980 y ampliada en 1991 por la Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza (IUCN en sus siglas en inglés), el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) y la Fundación Mundial para la Conservación de la Vida Silvestre (WWF en inglés). Junto con esto, existen también acuerdos internacionales relativos a la biodiversidad, las especies y los ecosistemas, que plantean medidas o estrategias de protección y resguardo para distintos fines. Chile ha firmado y ratificado los acuerdos más importantes en esta materia. Por otro lado, el consenso internacional acerca de la necesidad de proteger las especies y sus hábitat ha llevado a que distintos países planeen estrategias locales para alcanzar este objetivo. La manera más común de hacerlo es a través de sistemas de parques, refugios, reservas, etc. En el mundo reciben esta protección alrededor de 7 mil hectáreas (4.8% de la superficie terrestre) y 300 están designadas como Reservas de la Biosfera por la UNESCO. La conservación de la biodiversidad tiene por objetivo establecer un nivel adecuado de protección para la totalidad de los ecosistemas relevantes del país.

CPECH

Preuniversitarios

La participación de la comunidad, la empresa privada y la administración pública, son fundamentales para decidir en conjunto qué es lo que se quiere proteger y las razones para ello, y cooperar activamente para lograr este objetivo.

376

Capítulo 10

Organismo y ambiente

Actividades 1. ¿Qué medidas se están tomando en nuestro planeta para evitar la reducción de la biodiversidad? 2. En Chile, ¿qué medidas se están tomando para conservar la biodiversidad? 3. ¿Qué medidas tú tomarías actualmente para contribuir a conservar la biodiversidad de nuestro país?

8. Principios básicos de conservación y manejo sustentable de recursos renovables 8.1 conservación La conservación es una disciplina que busca conseguir el uso prudente y aprovechamiento de los recursos naturales renovables de forma inteligente que permita la obtención del máximo beneficio que son capaces de lograr, pero asegurando su mantención e incremento a través del tiempo gracias a su capacidad de regeneración. Esta disciplina no solo busca, enumera y describe los problemas ambientales, como por ejemplo, que el aire está más contaminado, o que el70% del agua pura es desperdiciada en actividades industriales o agrícolas, también la conservación influye en la toma de decisiones, tanto políticas como personales, en cómo aprovechar mejor la energía, respetar el derecho a la vida de todos los organismos que habitan el planeta y no atacarlos solo por diversión. Chile requiere desarrollar estrategias que le permitan aprovechar sus recursos naturales, que le den acceso a competir en este mundo globalizado, que amplía el número de mercados acrecentando las oportunidades de mejorar las condiciones sociales de su población, pero cuidándose de las amenazas de peligro que esto trae, por esta razón debe realizar esta explotación en el marco de una relación entre el humano y su medio, que asegure un desarrollo sustentable en el corto, mediano y largo plazo. Desarrollo Sustentable De acuerdo a la ley de Bases del Medio Ambiente N° 19.300, publicada en el diario oficial del 9 de marzo de 1994, Artículo N° 2, letra g:

CPECH

Desarrollo sustentable: Es el proceso de mejoramiento sostenido y equitativo de la calidad de vida de las personas, fundado en medidas apropiadas de conservación y protección del medioambiente, de manera de no comprometer las expectativas de las generaciones futuras.   Para cumplir con las bases de la ley del medioambiente es necesario conocer el estado de conservación de las especies nativas, así como cuáles son las medidas de protección tomadas.

Preuniversitarios

377

capítulo

10 a. Categorías de estado conservación de las especies • Extintas en su distribución natural: Se considera que una especie está extinta en su distribución natural, cuando no ha sido localizada en su hábitat a lo menos durante los pasados 50 años.

Ejemplo de especies en extinción son: el zarapito boreal, el sándalo de Juan Fernández del archipiélago del mismo nombre, el toromiro de la Isla de Pascua, el azulillo de la cuenca de Santiago, y el cactus de la costa de la Región del Libertador Bernardo O’Higgins.

• En peligro: Son aquellas especies de las que existe un escaso número de ejemplares en la naturaleza y cuya existencia está seriamente amenazada si los factores causales, naturales y humanos, continúan afectándolas. Se incluyen especies cuyas poblaciones se han reducido a un nivel crítico o cuyo hábitat ha disminuido tan drásticamente, que se hallan en riesgo inminente de extinción.

Como ejemplo de especie en peligro de la flora, se encuentra el belloto del Sur, que se distribuye en la VI, VII y VIII región y la avellanita que redistribuye en la V región y Región metropolitana.



Como ejemplo de especie en peligro de la fauna, se encuentra la chinchilla de cola corta, el huemul que se redistribuye desde VIII, X, XI y XII región, la nutria de río o huillín desde el río Cachapoal, antiguamente se distribuía desde la VI Región hasta Magallanes, pero ha sido marginada a solo algunos ríos del sur de Chile y el sapo de rulo que habita en el altiplano de Chile.

• Vulnerables: Son aquellas especies que podrían pasar a la categoría de en peligro en el futuro próximo, si las causales de su disminución continúan existiendo. Incluye a especies cuyas poblaciones están disminuyendo por sobreexplotación, destrucción intensiva del hábitat u otras alteraciones del medioambiente.

Como ejemplo de especie vulnerable de la flora, se encuentra la Palma chilena, que se distribuye desde la IV a VII y RM, el ciprés de la Cordillera que se distribuye desde la V a X y RM, la araucaria que se distribuye desde la VIII a X Región y el Alerce de la X Región.



Como ejemplo de especie vulnerable de la fauna se encuentra la Vicuña, que habita principalmente la I Región; la vizcacha, que habita principalmente la I Región; el Puma, que habita la gran mayoría de las unidades del Sistema Nacional de Áreas Silvestres

CPECH

Preuniversitarios

• Raras: Se refiere a especies que aparentemente siempre han sido escasas, que están en los últimos estados de su extinción natural; o especies con distribución muy restringida, con pocas defensas y escaso poder de adaptación.

378



Como ejemplo de especie rara de la flora, se encuentra el Anisillo de distribución entre la II y III región; el Arrayán de hoja roja, que se distribuye entre la IV y V; y el Radal enano, que se distribuye entre la VII a IX Región.



Como ejemplo de especie rara de la fauna, se encuentra la perdiz copetona que habita desde Chile Chico a la Región de Aysén, la perdiz austral que habita en Aysén y Magallanes, garza cuca que habita entre Antofagasta (Paposo) y Magallanes.

• Insuficientemente conocidas: Son especies que se suponen incluidas en alguna de las categorías mencionadas anteriormente, pero cuyo estatus se definirá de acuerdo a futuras investigaciones. • Fuera de peligro: Considera a especies que presentan un estado de conservación satisfactorio o a aquéllas que estuvieron en una de las categorías anteriores, pero que en la actualidad están relativamente seguras debido a las efectivas medidas de conservación.

Capítulo 10

Organismo y ambiente

b. Causas de la disminución de la Flora y Fauna de Chile Entre las principales causas de la disminución de la flora y fauna autóctona, está el uso de suelos forestales para la agricultura y ganadería, la destrucción del hábitat por medio de la disminución del bosque nativo, la desecación de humedales para su habilitación como terrenos de agricultura y ganadería, la introducción de especies foráneas que compiten sin control natural por alimento y espacio con las especies nativas, sin contar con las enfermedades que traen a nuestros territorios, contra las cuales nuestra flora y fauna no tienen defensas. También es importante mencionar como causas que disminuyen la flora y fauna, la expansión urbana, los incendios forestales y la explotación indiscriminada por tala en el caso de los bosques y la caza y la captura de animales. Las especies animales más afectadas son la chinchilla, la nutria, el guanaco, el zorro, el gato silvestre y los lobos marinos por sus pieles. El guanaco, el huemul, la vicuña, el pudú, la vizcacha por su carne. El guanaco, la vizcacha y la torcaza por caza deportiva. Estos solo son algunos ejemplos entre otros muchos, del porqué nuestra flora y fauna está en permanente peligro, si no hacemos algo ahora.

c. Consecuencias de la disminución de flora y fauna La flora y fauna cumple funciones irremplazables en la mantención del equilibrio del ecosistema. Al disminuir y desaparecer la flora, los hábitat, naturales se deterioran, los suelos se erosionan, hasta llegar a la desertificación, los cauces de agua se pierden o bien se producen inundaciones, el ciclo del agua se ve completamente alterado, así como el oxígeno y el carbono, se pierden materias primas. La materia orgánica e inorgánica, al no haber descomponedores, no lleva a cabo sus ciclos, esto produce que los suelos se empobrezcan. Se modifican los suelos por falta de especies cavadoras. Desde el punto de vista económico se perderían materias primas para la industria, la farmacología y la artesanía. También se perdería la influencia que tiene la flora y fauna nativa en la recreación, alimentación rural y ecoturismo, entre otras actividades relacionadas con la economía del país.

d. Programas de protección y recuperación de la Flora y Fauna de Chile La flora y fauna nativa de Chile presentan un deterioro grave, muchas de sus especies vegetales y animales están en peligro de extinción o extintas. Para enfrentar esta situación se han estructurado algunos programas de trabajo, tanto por el estado en la Corporación Nacional Forestal (CONAF) como asociaciones particulares como el Comité pro defensa de la flora y fauna de chile (CODEFF), que son los dos ejemplos que estudiaremos con más detalle.

Finalmente, su meta es elaborar un plan de manejo racional para el uso sostenido de cada especie una vez que las poblaciones se hayan recuperado.

Preuniversitarios

También persigue establecer las causas directas e indirectas que originan los problemas de conservación, el lugar del que son originarias y el estado de conservación de las especies. Formar lugares con especies, poblaciones y comunidades de flora y fauna de interés para ser incorporadas al Sistema Nacional de Áreas Silvestres Protegidas del Estado (SNASPE), y lograr la reintroducción de especies en problemas en localidades dentro de su área de distribución natural o bien en las Áreas Silvestres Protegidas.

CPECH

CONAF tiene un programa de trabajo cuyas metas son desarrollar proyectos de investigación y manejo de especies con problemas de conservación. Para cumplir estas metas se han dedicado a determinar las especies que presentan problemas de conservación y establecer la situación actual de sus poblaciones, recabar antecedentes biológicos y ecológicos de las especies junto con el establecimiento de sistemas de vigilancia y monitoreo de las poblaciones, especialmente en las que se encuentran dentro de las Áreas Silvestres Protegidas.

379

capítulo

10 Sabías que... Sistema Nacional de Áreas Silvestres Protegidas del Estado (SNASPE): Es un conjunto de ambientes naturales, terrestres o acuáticos, que el Estado protege y maneja para lograr su conservación. El sistema está compuesto por Parques Nacionales, Reservas Nacionales y Monumentos Naturales. Parque nacional: Es un área generalmente extensa, donde existen diversos ambientes únicos o representativos de la diversidad ecológica natural del país, no alterados significativamente por la acción humana, capaces de autoperpetuarse. En los parques nacionales las especies de flora y fauna, y las formaciones geológicas, son de especial interés educativo, científico o recreativo. Reserva nacional: Es un área cuyos recursos naturales es necesario conservar y utilizar con especial cuidado, por ser susceptibles de sufrir degradación o por su importancia en el resguardo del bienestar de la comunidad. Monumento natural: Es un área generalmente reducida, caracterizada por la presencia de especies nativas de flora y fauna o por la existencia de sitios geológicos relevantes desde el punto de vista escénico, cultural educativo o científico.

CPECH

Preuniversitarios

CODEF impulsó en 1997 la Red de Áreas Protegidas Privadas (RAPP) en nuestro país, entidad que reúne a más de 100 miembros, que corresponden a particulares, fundaciones, ONG, inmobiliarias, universidades y otros organismos del sector privado, a lo largo del país, quienes realizan actividades de conservación en áreas silvestres de dominio privado, logrando hoy en día contar con 133 áreas silvestres y 386.571,5 ha bajo protección. Además esta iniciativa promueve el intercambio de experiencias y de información, capacitación y acceso a la asistencia técnica y legal. Con el principal objetivo que sus miembros cuenten con Planes de Manejo para áreas protegidas, protejan legalmente sus predios y obtengan incentivos que fortalezcan, estimulen y fomenten la conservación de áreas silvestres.   CODEFF da apoyo técnico para la planificación de áreas silvestres protegidas, líneas base de flora y fauna, planes de manejo, monitoreo, educación, ecoturismo, manejo sustentable de bosque, entre otros.

380

Entre los muchos ejemplos de su actividad, solo mencionaremos entre las áreas protegidas de CODEFF, la reserva Río Claro de la Región de Aysén, ésta es un área Silvestre Protegida de 500 has, manejadas conjuntamente con la Corporación Nacional Forestal, CONAF. Fue adquirida por CODEFF, en 1991, con fondos de la Sociedad Zoológica de Frankfurt. Está ubicada en la Región de Aisén del General Carlos Ibáñez del Campo, Provincia y Comuna de Coyhaique. Distante a 16 km. de la ciudad de Coyhaique, en dirección sur-oeste, colinda con el Parque Nacional Río Simpson, perteneciente al Sistema Nacional de Areas Silvestres Protegidas del Estado, SNASPE. Su importancia se relaciona con la protección y conservación del hábitat de huemules, bosque nativo mixto coigüe-lenga y numerosas especies en peligro de extinción. CODEFF también participa de un plan para la Conservación del Huemul del Sur, elaborado por CONAF y CODEFF, que se lleva acabo gracias a la cooperación de muchas personas e instituciones, su finalidad es establecer corredores biológicos y zonas de amortiguamiento para permitir la intercomunicación entre sectores de vida silvestre separados físicamente, estos puntos serian el sector de Nevados de Chillán y Laguna de La Laja, de más de 500.000 ha.

Capítulo 10

Organismo y ambiente

Como último ejemplo de la actividad de CODEFF, mencionaremos su Centro de Rehabilitación de Fauna Silvestre, CRFS, que fue creado en 1992, para tener un lugar físico en donde albergar y rehabilitar animales silvestres heridos, entregados o decomisados por las autoridades pertinentes según la ley de caza, para luego liberarlos en su hábitat natural. Se ubica en el Sector del Cajón del Maipo, alrededor de 30 km. de Santiago, anualmente atiende un promedio de 100 individuos, entre ellos loros, zorros, felinos, pudúes, quiques, culebras y otros reptiles. Una vez lograda su rehabilitación, es decir, que están aptos para volver a sus ambientes, se mantienen en jaulas de preliberación y finalmente son liberados en áreas silvestres protegidas, en coordinación con SAG y CONAF.   En conjunto, los Parques y Reservas Nacionales más los Monumentos Naturales representan una superficie de 14.123.571 hectáreas, lo que equivale al 19% del territorio nacional (continental e insular). Categoría de manejo PARQUES NACIONALES RESERVAS NACIONALES MONUMENTOS NATURALES TOTAL SISTEMA

N° unidades 31 48 15 94

SUPERFICIE (ha) 8.718.260 5.389.432 17.879 14.125.271

8.2 Sistema de Evaluación de Impacto Ambiental (SEIA). Partes constituyentes del SEIA a. Nociones de Evaluación de Impacto Ambiental La presente información está basada en el Manual de Evaluación de Impacto Ambiental, CONAMA, 1994. La protección ambiental, está enfocada a un desarrollo sustentable, que promueve la conservación de recursos naturales como la tierra, el agua y los recursos genéticos, pero a la vez, su uso técnicamente apropiado, económicamente viable y socialmente aceptable, que permita satisfacer las necesidades crecientes de la población y lograr el desarrollo requerido de un país. Si bien es cierto parece ser que el crecimiento económico y la protección del ambiente son antagónicos, con buenos planes de manejo ambiental y leyes que los limiten pueden ser aspectos complementarios. De fracasar esta complementariedad los efectos adversos pueden ser desastrosos, pero si se logra un justo equilibrio y si las políticas e instituciones son eficaces los efectos adversos se pueden reducir en forma pronunciada, y conseguir un aumento de los ingresos proporcional a los recursos que se requieren para una mejor protección ambiental. Por esto es tan importante la evaluación de impacto ambiental, puesto que constituye una de las herramientas de protección ambiental, apoyada por una institucionalidad acorde a las necesidades de los distintos países, fortalece la toma de decisiones a nivel de políticas, planes, programas y proyectos.

Preuniversitarios

La evaluación de impacto ambiental, se entiende como un proceso de análisis que anticipa los futuros impactos ambientales negativos y positivos de acciones humanas permitiendo seleccionar las alternativas que, cumpliendo con los objetivos propuestos, maximicen los beneficios y disminuyan los impactos no deseados.

CPECH

b. Marco conceptual del proceso de evaluación de impacto ambiental

381

capítulo

10 Esta evaluación puede ser llevada a cabo no tan solo para proyectos de grandes inversiones, tales como embalses, carreteras y plantas de energía, sino que también a actividades de desarrollo que involucren planes y programas de ordenamiento territorial, políticas y alternativas de acción. También es necesario evaluar los impactos de las acciones de desarrollo de mayor nivel, como es el caso de planes, programas y políticas.

c. Características del proceso de evaluación de impacto ambiental en el marco de la toma de decisiones Un proceso de evaluación de impacto ambiental debe ser diseñado para compatibilizar la protección ambiental y la ejecución de actividades humanas con el propósito de no deteriorar la calidad de vida de la población, permitir un uso sostenido de los recursos naturales y, al mismo tiempo, no constituir un impedimento o traba de acciones que contribuyan al desarrollo de un país. Obviamente dicho proceso debe estar sustentado por una ley y/o reglamento jurídico. El reglamento jurídico debe establecer procedimientos administrativos únicos que establezcan las formas de llevar a cabo el proceso, los roles y responsabilidades institucionales involucradas, la coordinación de actividades, los plazos límites para llevarlo a cabo y las formas de participación ciudadana, entre otras. De tal forma un proceso de evaluación de impacto ambiental debe incluir una serie de características que 1o hacen intrínsecamente una herramienta objetiva, eficaz e integral, en cuanto a lograr un análisis interdisciplinario de una acción determinada. Entre estas características debemos mencionar que debe permitir establecer un conocimiento técnicocientífico amplio e integrado de los impactos e incidencias ambientales de acciones humanas; debe identificar anticipadamente los efectos ambientales negativos y positivos de acciones humanas y diseñar en forma oportuna acciones que minimicen los efectos ambientales negativos y que maximicen los efectos positivos; debe permitir a la autoridad tomar decisiones de aprobación, rechazo o rectificación con pleno conocimiento de los efectos negativos y positivos que implica una acción humana; debe permitir a la autoridad ejercer un debido control sobre la dimensión ambiental de las acciones, a fin de garantizar que ellas no perjudiquen el bienestar y salud de la población y finalmente lograr la participación coordinada de los distintos actores involucrados.

CPECH

Preuniversitarios

d. Ventajas del proceso de evaluación de impacto ambiental

382

Las ventajas de realizar un proceso de impacto ambiental, y que lo concibe como un instrumento apropiado para lograr una adecuada protección ambiental, son permitir la previsión de los impactos negativos y positivos de una acción sobre la población y el medioambiente, permitir el conocimiento o entendimiento de los principales acción humana para lograr una comprensión profunda y extensa en una determinada localización, permite la racionalización de la toma de decisiones, ya que se orienta a la definición de un curso de acción futuro para resolver problemas, satisfacer necesidades y aprovechar oportunidades de un determinado sistema territorial; permite la coordinación adecuada, puesto que conocer los impactos ambientales de una acción permite una interacción multidisciplinaria que requiere de una coordinación intersectorial para abordarlos desde un punto de vista global; permite la eficiencia del uso de los recursos públicos y privados, por cuanto se analizan las alternativas de acción que evitan o disminuyan impactos en el medio ambiente, reduciendo la necesidad de destinar recursos en acciones correctivas posteriores y permite la participación ciudadana y búsqueda de consenso ya que a través de su incorporación en un proceso de evaluación de impacto ambiental la comunidad se interioriza sobre los impactos, tanto ambientales como socioeconómicos y culturales, de una determinada acción, evitando los de carácter negativos sobre su entorno inmediato y conflictos posteriores.

Capítulo 10

Organismo y ambiente

e. Acciones que requieren de un Estudio de Impacto Ambiental En general, requieren un estudio de impacto ambiental, actividades o proyectos que por su tamaño, localización, proceso productivo, emisiones al aire, agua y suelo, incidencia sobre los recursos naturales, efectos ambientales entre otros, pueden causar impactos en el bienestar de la población humana o en su entorno, o que afecten los recursos naturales y el funcionamiento de los ecosistemas. Ejemplos de algunas de las actividades o proyectos recurrentemente evaluados son: La agricultura,con sus planes de ordenación rural; proyectos de regadío agrícola; actividades forestales, incluidas forestaciones, reforestaciones y explotaciones; actividades de producción animal aves, cerdos, bovinos, etc; recuperación de tierras del mar; etc. La industria extractiva, con sus perforaciones en profundidad, geotérmicos, para el almacenamiento de residuos nucleares y para abastecimiento de agua; extracción e instalaciones para procesamiento de turba, carbón, petróleo, gas, minerales metálicos y no metálicos, fábricas de cemento; etc. La industria energética, con sus instalaciones industriales para la producción y transporte de energía eléctrica, instalaciones para almacenar combustibles; aglomeración industrial de carbón; enriquecimiento y reelaboración de combustibles residuos radioactivos; etc.

CPECH Preuniversitarios

383

capítulo

10 Conceptos fundamentales

1.

Abiótico: Corresponde al factor ecológico que representa el entorno inerte en el que se desenvuelven los organismos vivos.

2.

Amplificación biológica: Proceso mediante el cual las sustancias tóxicas se acumulan en concentraciones cada vez más altas en los niveles tróficos superiores en una cadena alimenticia.

3.

Biótico: corresponde a los componentes vivos como seres humanos, animales y plantas.

4.

Biodiversidad: Variedad de especies presentes en un ecosistema determinado con sus características genéticas.

5.

Cadena alimentaria: Paso de energía de un organismo a otro que ocurre a lo largo de una secuencia lineal alimentaria o trófica, es decir, una secuencia de organismos relacionados unos con otros como presa y depredador.

6.

Ciclo biogeoquímico: Movimientos de materiales a través de reacciones químicas en toda la biosfera.

7. Comunidad: Conjunto de poblaciones de plantas, animales y microbios que se interrelacionan ocupando un mismo tiempo y lugar. 8.

Ecosistema: relación entre el medio abiótico y biótico.

9.

Equilibrio ecológico: Mantención relativamente constante de la relación numérica entre las especies que forman las diferentes poblaciones, en una determinada comunidad donde cada especie tiene su propio nicho ecológico.

10. Fotosíntesis: Es el proceso por el cual los vegetales, utilizando la energía de la luz del sol, lleva a cabo una serie de reacciones químicas por las cuales se transforman el CO2 en azucares simples y además libera O2 a partir de CO2 y agua. 11. Población: grupo de organismos de la misma especie que potencialmente pueden interactuar y entrecruzarse, además viven en un mismo tiempo y lugar. Una población esta reproductivamente aislada de otros grupos semejantes.

CPECH

Preuniversitarios

12. Trama alimentaria: corresponde a la interconexión de varias cadenas alimentarias cuya complejidad varía entre diferentes ecosistemas y dentro de ellos.

384

Preuniversitarios

Agua

Hidrología

Circulan entre el medio ambiente y los seres vivos

Nitrógeno

de...

Ciclos Biogeoquímicos

o...

Carbono

constituyen un medio para el...

Clima

Biotopo

Respiración celular

Fotosíntesis

Contaminación, uso combustibles fósiles, tala indiscriminada, calentamiento global, uso de CFC, etc.

CO2 circula como...

Comunidad

Comunidad del lago Peñuelas año 1998.

Actividad humana

Población

Especie

Egretta thula

afecta al...

Población de garzas del lago Peñuelas del año 1998.

Dusicylon culpaeus

Gambusia affinis

Población de pejerreyes del lago Peñuelas del año 1998.

Odontesthes regia

Ciclo de la materia

CPECH

Suelo

Organismo

Garza chica

Zorro culpeo

Gambusia

Pejerrey

Productores

afecta a la...

Ecosistema

= Energía

Consumidores

que son..

Niveles tróficos

Descomponedores

= Materia

organizadas en...

poblaciones

formada por...

Biocenosis o comunidad

Biosfera

Capítulo 10

Organismo y ambiente

385

capítulo

10 Ejercicios

Ejercicios resueltos 1. A altas intensidades luminosas la tasa fotosintética aumenta, al incrementarse la temperatura. Sin embargo, en plantas de climas templados, 35°C es una temperatura límite a partir de la cual la fotosíntesis podría estar descompensada. Este hecho usted lo puede explicar porque I) una temperatura superior a los 35ºC favorece la apertura de los estomas y aumenta la tasa fotosintética más de lo necesario. II) la intensidad luminosa no sigue aumentando después de los 35ºC, por lo que no hay suficiente energía luminosa. III) a temperaturas superiores a 35ºC la actividad enzimática disminuye y con ello el rendimiento fotosintético. Es (son) correctas(s)

CPECH

Preuniversitarios

A) solo I. B) solo II. C) solo III. D) solo I y II. E) solo II y III.

386

Correcta: C. Habilidad: Aplicación. Defensa: El alza de temperatura provoca que las enzimas que participan de la fotosíntesis en un principio aumenten su función, pero al seguir aumentando la temperatura por sobre los 35ºC en adelante estas disminuyen su función. También se produce el cierre de los estomas para evitar la pérdida de agua por transpiración a través de ellos, por lo que también hay poco CO2 disponible para continuar la fotosíntesis.

2. Equilibrio ecológico puede entenderse por A) la igualdad del número de predadores y presas. B) el balance entre las necesidades de la comunidad y las ofertas del medio. C) la constancia de la biomasa en el tiempo. D) la constancia del número de individuos en el ecosistema. E) la constancia en la relación entre autótrofos y heterótrofos. Correcta: B. Habilidad: Comprensión. Defensa: Si existe balance entre las necesidades y ofertas del medio significa que los distintos organismos del medio están en equilibrio.

3. La eutroficación es un fenómeno que se caracteriza por I) ser provocado por compuestos contaminantes ricos en nitrógenos y fosfatos. II) producirse en aguas de poca circulación, como bahías, lagos, etc. III) producirse por reducción de O2, agotando este recurso para la vida acuática. Es (son) correctas(s) A) B) C) D) E)

solo I. solo I y II. solo I y III. solo II y III. solo I, II y III.

Correcta: E. Habilidad: Reconocimiento. Defensa: La eutroficación corresponde al sobreenriquecimiento de las aguas, producido por un explosivo crecimiento de algas y otros organismos con ciclos de vida cortos. La muerte de estos causa un incremento de bacterias y otros descomponedores, los cuales reducen la cantidad de oxígeno, agotando este recurso para la vida acuática. Como consecuencia final, toda la vida acuática perece.

Capítulo 10

Organismo y ambiente

Ejercicios 4. ¿Cuál(es) de los siguientes factores afecta(n) la biodiversidad de nuestro país? I) Extracción inadecuada naturales. II) Uso del suelo. III) Contaminación agrícola. A) B) C) D) E)

de

recursos

Solo I Solo II Solo III Solo I y III I, II y III

Correcta: D Habilidad: Reconocimiento. Defensa: Los principales factores que afectan la biodiversidad de nuestro país son la extracción inadecuada de recursos naturales, la contaminación urbana, industrial y agrícola, entre otros.

5.

Respecto del ecosistema, es correcto afirmar que I)

su estructura está determinada por factores bióticos y abióticos. II) las transferencias energéticas siguen las leyes de la termodinámica. III) la energía que ingresa circula en forma cíclica. A) B) C) D) E)

Ejercicios propuestos 1. El nitrógeno es absorbido por las raíces de las plantas principalmente en forma de A) nitrato. B) nitrito. C) nitrógeno orgánico. D) amoníaco. E) nitrógeno inorgánico.

2. En relación al flujo de energía a través del ecosistema, es FALSO afirmar que A) decrece sucesivamente a medida que desciende la pirámide. B) el productor solo traspasará al herbívoro un mínimo de energía. C) al carnívoro solo le es concedida por el herbívoro una parte de la energía. D) parte de la energía se libera en forma de calor. E) crece sucesivamente a medida que desciende la pirámide.

Solo l Solo lll Solo l y ll Solo ll y lll l, ll y lll

CPECH Preuniversitarios

Correcta: C. Habilidad: Comprensión. Defensa: La estructura de un ecosistema está determinada por factores bióticos (seres vivos) y factores abióticos (factores físicos del medio ambiente) y las transferencias siguen la 1ª y 2ª ley de la termodinámica. Mientras que la energía tiene un flujo lineal y NO cíclico, la energía una vez que pasa por un nivel trófico no vuelve atrás, a menos que iniciemos una nueva transferencia a partir de los productores.

387

capítulo

10 Ejercicios

3. Está muy bien establecido que ciertos tipos de algas parduzcas (organismo fotosintético) llamadas “zooxantelas” pueden vivir dentro del cuerpo de algunos tipos de corales (animales). Las algas viven en la cubierta del tubo digestivo de cada uno de los pólipos del coral.

Durante el día, el alga lleva a cabo fotosíntesis, como cualquier otra planta. Mientras tanto, el pólipo utiliza el O2 liberado por las algas y los azúcares que se han producido en la fotosíntesis, proceso conocido como respiración a partir del cual se genera energía y se libera CO2. Las algas usan CO2 y liberan oxígeno durante la fotosíntesis. Considerando esta información, usted puede afirmar que I) los pólipos de coral liberan la energía que utilizan las algas parduzcas en su fotosíntesis. II) los pólipos de coral liberan el dióxido de carbono utilizado por las algas parduscas en su fotosíntesis. III) los pólipos de coral y las algas forman un sistema de intercambio de energía que favorece a ambos. Es (son) correcta(s)

4. Las asociaciones naturales de los organismos vivos cumplen con A) una necesidad benéfica para su supervivencia. B) una función adaptativa hacia el medio existente. C) una necesidad de potenciar sus recursos naturales. D) una necesidad evolutiva. E) una forma de relacionarse colaborando con el equilibrio ecológico.

5. La comunidad de lagunas subterráneas se caracteriza por presentar solo organismos consumidores y desintegradores. Dicha comunidad es dependiente, entonces, de A) los organismos productores subterráneos. B) la cadena de organismos consumidores de la comunidad. C) la materia orgánica proveniente del medio exterior. D) los organismos desintegradores de la comunidad. E) los factores abióticos del ecosistema de lagunas subterráneas.

A) solo I. B) solo II. C) solo III. D) solo I y II. E) solo II y III.

Comprensión

E

4

Aplicación

E

3

Comprensión

A

2

Reconocimiento

A

1

Alternativa

Número

Habilidad

CPECH

Comprensión

C

388

5

Preuniversitarios

Respuestas correctas

Bibliografía General • Biología Molecular de la Celula. 3era Edición Albert B., Bray D., Raff M., Lewis J., Robert K., Watson J. Editorial Barcelona Omega- 1994. • Biología. 5º edición Curtis H., Barnes N. Editorial Médica Panamericana- 2001 • Actualizaciones en Biología. 10a edición Castro R., Handil M., Rivolta G. Editorial Universitaria de Buenos Aires- 1991 • Biología Celular y Molecular. 12a edición De Robertis y De Robertis. Editorial El Ateneo- 1998 • Biología de las Plantas Raven. Hevert. Eichhorn. Editorial Reverté- 1992 • Biology, Concepts and Applications. 3a edición Starr C. Editorial Wadsworth -1996 • Tratado de Fisiología médica. 6a edición A.G. Guyton • Fisiología Humana. 6a edición A.J. Vander • Biología. 5a edición 1993 Curtis H., Barnes N. S. Editorial Médica Panamericana. 1993 • Biology, concepts and applications. 3a edición 1996. Starr C. • Claves para la Vida, La Salud. 1a edición Barsa International Publishers, Inc., 1999 • Tomo IV: Sistema Endocrino y Enfermedades Metabólicas. Reimpresión. Netter F. • Colección Ciba de ilustraciones Médicas; Atlas de enfermedades infecciosas. 1ª edición. J. Neugebaner • Principios de Anatomía y Fisiología. 9a Edición. G. Tortora - 2002. • Contribuciones Científicas y Tecnológicas Editada por el Departamento de Investigaciones Científicas y Tecnológicas, Universidad de Santiago de Chile, año XXIX. Agosto 2001 Nº 128 • Zoología. 6a Edición. Cockrum Mc Cauley • Biología “La Vida en la Tierra” 6a edición - 2003. T. Audesirk y G. Audesirk. Editorial Pearson Educación.

CPECH Preuniversitarios

389