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CIENCIAS (BIOLOGÍA)

MÓDULO 4 Eje temático: Organización, Estructura y Actividad Celular

Genoma, genes e ingeniería genética

El conocimiento de que la expresión de un gen determina la formación de proteínas que se relaciona con la manifestación de un fenotipo en particular, hizo que en el mundo científico surgiera la interrogante acerca de cuál es la

naturaleza de los genes. La respuesta a esta interrogante se relaciona con una serie de investigaciones experimentales. Una de las primeras que

entregó antecedentes fue realizada por F. Griffith (1928) en neumococos, bacteria que provoca la neumonía. La cepa “capsulada” produce la enfermedad y la cepa “no capsulada” no la provoca. Este trabajo

experimental aportó la idea de un factor transformante que convertía las bacterias no capsuladas en capsuladas. La secuencia de trabajo

experimental de Griffith se resume en la siguiente imagen (fig. 1).

Fig. 1: Experimentos de Griffith

Composición química del ADN

El ADN (ácido desoxirribonucleico) es un polímero de alto peso molecular formado por la combinación de cuatro monómeros (nucleótidos). Cada nucleótido está conformado por moléculas más pequeñas: una base

nitrogenada (purina o pirimidina), un azúcar (desoxirribosa) y un grupo fosfato (Fig. 2). Los cuatro tipos de nucleótidos difieren solamente en el tipo

de base nitrogenada, la cual puede ser una de las purinas (adenina o guanina) o una de las pirimidinas (citosina o timina).

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Grupo fosfato

Base nitrogena

da

Pentosa

Fig. 2: Esquema de un nucleótido

El conocimiento de los componentes del ADN y otros antecedentes permitió

a los científicos Watson y Crick construir un modelo tridimensional de la molécula. Este modelo propone la presencia de dos cadenas de nucleótidos entrelazadas en forma de doble hélice. Cada una de estas hebras se une por

las bases nitrogenadas mediante puentes de hidrógeno, siguiendo un patrón fijo: la adenina se une a la timina y la guanina a la citosina (Fig. 3).

Fig. 3: a. Modelo de la doble hélice del ADN; b. Disposición de los

nucleótidos en el ADN

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El modelo descrito permite explicar cómo se pueden sintetizar nuevas

moléculas de ADN: la ruptura de los puentes de hidrógeno permite que una de las cadenas sirva de molde para formar una cadena complementaria. En

este proceso participa una serie de enzimas, una de ellas es la ADN polimerasa, que controla el enlazamiento de los nucleótidos en las cadenas

complementarias. El ADN es capaz de determinar el fenotipo de un organismo a través de un

proceso denominado expresión génica. Mediante dicho proceso la información contenida en el ADN es utilizada para especificar la constitución

de las proteínas de la célula. Las proteínas que se sintetizan influyen en el fenotipo, desde rasgos visibles hasta otros observables sólo bioquímicamente.

El proceso que permite sintetizar proteínas a partir del ADN no es directo;

se requiere la participación del ARN (ácido ribonucleico), el cual se diferencia del ADN en que el nucleótido posee un uracilo en vez de timina y que el azúcar es una ribosa (similar a la desoxirribosa pero con un grupo

hidroxilo extra).

Para que se sintetice una proteína se requieren los siguientes eventos (Fig. 4):

Fig. 4: Esquema del proceso de transcripción y traducción

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1. Transcripción: la información contenida en el ADN se copia en el ARN

mensajero (ARNm). De esta manera es el m ARN el que sale del núcleo y posibilita que se sinteticen las proteínas en el citoplasma (Fig. 5).

Fig. 5: Esquema de la transcripción

2. Traducción: la información transcrita en el ARNm se utiliza para determinar la secuencia de aminoácidos de una proteína. Una secuencia de

tres bases consecutivas del ARNm, específica para un aminoácido, se denomina codón. Los ribosomas se unen al ARNm y lo recorren, lo cual permite que el ARNt (ARN de transferencia) se una en secuencia y coloque

de manera adecuada los aminoácidos (Fig. 6).

Proteína

Aminoácido

t ARN

ARNm

Ribosoma

Fig. 6: Esquema de la traducción

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Ejercicios

1. ¿Qué moléculas forman un nucleótido?

2. ¿Qué tipos de enlaces químicos están presentes en el ADN? 3. Si una cadena de ADN está conformada por las siguientes secuencias de

bases nitrogenadas: ATCGAA, ¿cuál es la cadena complementaria? 4. A partir de la siguiente cadena de ADN: A A T C C G C A T construye la

molécula de ARNm.

5. Menciona y describe los distintos tipos de ARN.

6. ¿Qué significa que el código genético sea universal y degenerado?

7. ¿Qué función cumplen los tripletes sin sentido? 8. A continuación se indica la secuencia de bases nucleotídicas para un

ARNm:

ARNm 5’ –A – G – C – G – U – U – C – U – A – A – G – C – G – C – C - 3’

• Indica el número de codones de este ARNm. • ¿Cuántos aminoácidos tendría el polipéptido que codifica?

Eje temático: Procesos y Funciones Vitales

Sistemas de defensa

Los microorganismos se encuentran por todas partes. Diariamente estamos en contacto con ellos, pues los comemos, bebemos y

respiramos. Sin embargo, rara vez nos invaden, se multiplican o producen infección en los seres humanos. Incluso cuando lo hacen, la infección es a veces tan leve que no provoca síntomas.

El hecho de que permanezcan como organismos inofensivos o que

invadan y causen una enfermedad en el huésped, depende tanto de la naturaleza del microorganismo como de las defensas del cuerpo humano.

En la antigüedad se produjeron grandes pestes que provocaron una enorme

cantidad de muertes en la población. Por ejemplo, entre 1347 y 1352 murieron 25 millones de personas a causa de la peste bubónica. Otra enfermedad, la viruela, también fue causa de muerte masiva en la

población. Esta enfermedad se manifiesta con fiebre, cansancio y con alteraciones dermatológicas. En China se utilizaba la inhalación de costras

provenientes de pacientes que habían contraído la enfermedad como método preventivo. Otra práctica era efectuar rasguños en la piel y

depositar allí el material. Los individuos sometidos a estas prácticas presentaban los síntomas

iniciales y se recuperaban, en cambio, otros morían. Con estas prácticas se da inicio a los conocimientos y estudios sobre la inmunología. La palabra

inmune, en el contexto biológico, significa estar exento de enfermedad; los seres vivos animales contamos con un sistema inmune que nos protege de

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los agentes patógenos que provocan enfermedades.

Los principales componentes del sistema inmunitario son la médula ósea y el timo, órgano donde se inicia respectivamente la proliferación de los

linfocitos B y T (tipos de glóbulos blancos), que son células que participan en la respuesta inmunitaria. Los otros integrantes de este sistema son los

vasos y ganglios linfáticos, abundantes en el bazo y en las amígdalas (Fig. 7).

Médula ósea: sitio de

maduración de células B

Fig. 7: Órganos del sistema inmune

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Las defensas del organismo contra la infección incluyen barreras naturales como la piel, mecanismos inespecíficos como ciertas clases de glóbulos

blancos y fiebre, y mecanismos específicos, como los anticuerpos (Fig. 8).

INMUNIDAD

INNATA ADAPTATIVA

BARRERAS

NATURALES

FAGOCITOS

COMPLEMENTO

Fig. 8: Componentes del sistema

inmunitario

CELULAR

HUMORAL

8

Inmunidad innata y sus componentes

Este tipo de inmunidad te protege del ingreso o permanencia de microorganismos u otras partículas extrañas en tu organismo. Los

principales componentes de esta inmunidad son las barreras físicas, mecánicas o químicas, y células fagocitarias (neutrófilos, macrófagos) (Fig. 9). Estos componentes se caracterizan por estar presentes desde el

nacimiento del individuo, ser inespecíficos y no dejar memoria después de su acción.

Barreras naturales

La piel evita la invasión de muchos microorganismos si no existe alguna lesión, picadura de insecto o quemadura. El organismo también cuenta con

las membranas mucosas, que revisten las vías respiratorias e intestino. Estas membranas producen secreciones que combaten los microorganismos y evitan infecciones. Además de las mucosas, las vías respiratorias constan

de cilios que expulsan las partículas y microorganismos hacia el exterior. También actúan como barreras el ácido estomacal, el reflejo de la tos y

enzimas en las lágrimas y grasas de la piel. Fagocitos y complemento

Cuando las barreras naturales no controlan el ingreso de patógenos,

se activan otros mecanismos de defensa inespecíficos. Este tipo de respuesta es mediada por:

Fagocitos: que incluyen neutrófilos y macrófagos y se caracterizan por activarse de forma inmediata cuando cualquier sustancia extraña

penetra en el organismo (por ejemplo, después de una herida). La activación consiste en la movilización de estas células hacia el foco de la lesión, luego reconocen y toman contacto con la sustancia

extraña y la destruyen mediante el proceso de fagocitosis y posterior lisis intracelular.

Complemento: “complementa” la acción de otros mecanismos de defensa. Consiste en proteínas presentes en el plasma que,

luego de activarse, sus acciones pueden incluir lisis de la pared celular, recubrimiento de patógenos para facilitar la acción de

fagocitos y atracción de linfocitos al sitio de la infección.

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Fig. 9: Componentes de la respuesta inespecífica

Los mecanismos de defensa inespecíficos aportan un buen sistema de

protección. Sin embargo, en muchas ocasiones no es suficiente para defender eficazmente al organismo. Por fortuna éste dispone de otros mecanismos de defensa, como es la respuesta inmune adaptativa.

Inmunidad adaptativa ¿Has notado que algunas enfermedades infecciosas que padeciste en tu

infancia no se han repetido? La causa de esto se relaciona con la inmunidad adaptativa, que tiene la capacidad de reconocer una enorme

variedad de sustancias extrañas (antígenos) de manera específica y “recordarlas” (memoria), permitiendo una respuesta más rápida a nuevas exposiciones de un mismo agente patógeno.

En la activación de la inmunidad adaptativa se requiere que actúen las

células presentadoras de antígenos (CPA), las cuales exhiben fragmentos de patógenos en la superficie, para que sean reconocidos por linfocitos B y T. Las CPA pueden ser macrófagos, células dendríticas y linfocitos B.

Existen dos tipos principales de inmunidad adaptativa:

Humoral: está a cargo de los linfocitos B y se caracteriza por la

producción de anticuerpos, un grupo complejo de proteínas denominadas inmunoglobulinas (Ig). Ante la presencia del antígeno los linfocitos B se activan produciéndose dos tipos de células: plasmáticas y de memoria. Las

células plasmáticas producen los anticuerpos con los que se combate la infección, mientras las células de memoria solo actúan después de la

segunda infección.

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Celular: participan los linfocitos T, los cuales se originan en la médula ósea, pero adquieren la capacidad de ser inmunocompetentes en el timo.

Los linfocitos T, gracias a la producción de proteínas, se encargan de destruir células infectadas por virus o aquellas que han sido modificadas

(como las cancerosas). Los linfocitos T actúan cuando virus o bacterias sobreviven en células infectadas. Los antígenos quedan expuestos en las

células afectadas como verdaderos marcadores permitiendo que las células T citotóxicas (T8) reconozcan específicamente la estructura de la célula que expone estos antígenos y de esta manera se activen los linfocitos. La

activación produce la proliferación de células T y la diferenciación de las células hijas en clones de células de memoria; estas células son inactivas

durante la infección inicial, pero se activan en una segunda exposición al antígeno extraño.

Eje temático: Biología Humana y Salud

Vacunas

En más de una oportunidad te han vacunado. Como sabes, las vacunas previenen el contagio de enfermedades

infecciosas. La vacunación se relaciona con la inmunidad activa, ya que el organismo genera una inmunorrespuesta contra los antígenos contenidos en la vacuna, formando

células de memoria que actúan ante la presencia del patógeno.

Antibióticos

En 1928 Alexander Fleming descubrió el primer antibiótico, la penicilina,

cuando por accidente observó en una placa de cultivo que una bacteria no pudo sobrevivir en presencia de un hongo contaminante. No fue sino hasta 1930 que la penicilina pudo ser extraída y purificada de este hongo.

Los antibióticos son sustancias químicas producidas por hongos o

artificialmente, que pueden tener diversos efectos sobre las bacterias. Los antibióticos pueden ser:

Bacteriostáticos: detienen el crecimiento de las bacterias. Por ejemplo: cloranfenicol y tetraciclina.

Bactericidas: destruyen las bacterias. Por ejemplo, las penicilinas.

Los antibióticos pueden generar resistencia en las bacterias, lo que quiere decir que los gérmenes se hacen insensibles a determinados antibióticos y,

por lo tanto, su uso deja de servir para atacar una infección.

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Ejercicios

1. Indica cuándo la piel deja de ser una barrera defensiva.

2. Explica la acción de las membranas mucosas y de los cilios.

3. Explica la acción fagocitaria de los macrófagos. 4. ¿De qué manera el sistema del complemento nos defiende de agentes

invasores? 5. Realiza una comparación entre la inmunidad humoral y celular.

III. Biología humana y salud: el grupo sanguíneo

El grupo sanguíneo corresponde a los diversos tipos en que se ha clasificado la sangre de las personas en relación con la compatibilidad de los glóbulos rojos y suero entre dos individuos.

Existen cuatro tipos de grupos sanguíneos:

GRUPO A: es aquel tipo de sangre cuyos glóbulos rojos tienen el antígeno A y en cuyo plasma encontramos el anticuerpo Anti-B.

GRUPO B: sus glóbulos rojos tienen el antígeno B y su plasma los anticuerpos Anti-A. GRUPO AB: los glóbulos rojos tienen los dos tipos de antígenos: A y B; pero

el plasma no tiene ningún anticuerpo. GRUPO O: en este grupo sanguíneo los glóbulos no tienen antígenos, pero

el plasma tiene los anticuerpos Anti-A y Anti-B.

Rechazo inmune En los medios de comunicación a menudo se solicita sangre

con determinadas características o se comenta la importancia de la donación de órganos de personas fallecidas. Los transplantes de

órganos y/o tejidos, y las transfusiones sanguíneas, pueden generar una reacción de rechazo por el sistema inmune del receptor. La siguiente tabla muestra las relaciones compatibles entre donante y

receptor de acuerdo al grupo sanguíneo (Fig.11).

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Fig. 11: Compatibilidad entre donantes y receptores de acuerdo al

grupo sanguíneo.

Al final del embarazo y especialmente durante el parto, la sangre del

recién nacido puede pasar a la circulación sanguínea de la madre. Si hay diferencias en los antígenos de grupo sanguíneo entre la madre y

el hijo, los hematíes del hijo serán reconocidos como extraños por la madre, estimulándose la producción de anticuerpos con la intención de destruir las células

extrañas.

Esto da lugar a la Enfermedad Hemolítica del Recién Nacido (EHRN), que puede estar originada por diferentes tipos de reacciones; la más grave es la producida por la incompatibilidad Rh (el Rh es otra proteína que puede o no

estar presente en la superficie de los glóbulos rojos). Esta reacción se presenta con mayor frecuencia cuando una madre con sangre factor Rh

negativo concibe un bebé con un padre Rh positivo. Cuando el factor Rh del bebé es positivo, al igual que el del padre, pueden presentarse problemas si los glóbulos rojos del bebé llegan a la madre, que es factor Rh negativo.

IA io

IA IA

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Eje temático: Organismo y Ambiente interacciones entre organismos

En la interacción del hombre con el ambiente muchas veces se producen

problemas ambientales, los cuales pueden ser de dos tipos: Los originados por un inadecuado manejo de los recursos naturales: La población mundial ha ido en constante aumento, produciéndose,

además, un incremento en sus necesidades. Para cubrirlas, el hombre debe ocupar los recursos naturales. Sin embargo, si el consumo de estos no está

en equilibrio con su capacidad de recuperación, se produce una sobreexplotación, en la cual desaparecen tantos individuos que la población no puede mantenerse por sí sola. Entre las consecuencias de la

sobreexplotación podemos mencionar:

ƒ la deforestación. ƒ la desertificación.

ƒ la pérdida de biodiversidad.

ƒ la escasez de agua potable.

Los originados por la contaminación:

La contaminación es la presencia de sustancias nocivas y molestas en el

aire, el agua y los suelos. Estas sustancias son depositadas por la actividad humana en tal cantidad, que pueden interferir la salud y el bienestar del hombre y de los ecosistemas. Existen diversos tipos de contaminación:

ƒ Biológica: se presenta cuando encontramos en el ecosistema seres

vivos (generalmente microorganismos) ajenos a él o en

concentraciones superiores a las normales y que puedan llegar a causar algún daño al ecosistema o a la salud humana.

ƒ Química: se presenta cuando en el ecosistema existen sustancias

químicas ajenas a él o que se encuentran en concentraciones

superiores a las normales y pueden llegar a causar algún daño en el ecosistema o en la salud humana.

ƒ Física: se presenta cuando en un ecosistema hay presencia de una

energía (generalmente calor y ruido) ajena a él o en concentraciones superiores que puedan llegar a ocasionar cambios en el ecosistema o

daños a la salud humana. Poblaciones y comunidades

En una comunidad biológica encontramos una gran cantidad de poblaciones distintas, como por ejemplo población de aves, insectos y arácnidos, entre

otros. Las poblaciones son un conjunto de organismos de una misma especie (por lo tanto, pueden reproducirse entre sí), que ocupan un mismo

espacio en un tiempo determinado. Una de las características de las poblaciones es su densidad, la cual puede aumentar o disminuir por

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parámetros o variables como natalidad, mortalidad, inmigración o emigración. Sin embargo, el tamaño de las poblaciones de seres vivos se

mantiene en equilibrio, oscilando ampliamente en torno a un valor medio.

El crecimiento de una población bajo condiciones ideales del ambiente, es decir, sin factores limitantes (por ejemplo, cuando una especie coloniza un nuevo espacio y no hay restricciones en los recursos, espacio, ni

competencia por ellos), corresponde a un crecimiento exponencial (curva en J), el cual comienza inicialmente en forma lenta, haciéndose luego más y más rápido (fig. 12). Este tipo de crecimiento lo presentan organismos

reconocidos como estrategas “r”, cuyas poblaciónes mantienen un crecimiento exponencial hasta desaparecer bruscamente cuando las

condiciones cambian, se caracterizan por ser organismos pequeños, de corto ciclo de vida, con gran cantidad de descendencia y poco cuidado de sus crías.

Densidad

Tiempo

Fig. 12: Crecimiento exponencial de las poblaciones

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En la naturaleza el tipo de crecimiento exponencial no es el más frecuente,

pues las poblaciones no crecen indefinidamente debido a que la resistencia ambiental se opone a la expresión del potencial biológico de una población

(capacidad de una población para aumentar su densidad). El ritmo de crecimiento en estas poblaciones decrece a medida que aumenta la densidad de población y se aproxima a un valor máximo denominado

“capacidad de carga” (K), para el cual el crecimiento se hace 0. En estas condiciones las poblaciones presentan un crecimiento logístico

(curva en S): primero la población crece en forma lenta, luego el crecimiento es acelerado y finalmente se desacelera (Fig. 13). Este tipo de

crecimiento suelen presentarlo organismos reconocidos como estrategas “K”, que se caracterizan por ser de tamaño grande, ciclo de vida largo, reproducción tardía y cuidado de sus crías.

Densidad

K (capacidad de carga)

Tiempo

Fig. 13: Crecimiento poblacional que incorpora resistencia ambiental.

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Ejercicio

1. Representa la curva de crecimiento exponencial. 2. Menciona organismos de estrategia r.

3. Representa la curva de crecimiento logística. 4. Menciona organismos de estrategia K.

En términos generales, la población humana ha aumentado en forma exponencial debido al descenso de la tasa de mortalidad. Sin embargo, hay diferencias en las tasas de crecimiento entre los países

desarrollados y los subdesarrollados. Además, la sobrevivencia de los individuos a distintas edades varía según el estado de desarrollo, por

lo que existen poblaciones en expansión, estables y en disminución.

Ejercicios

1. ¿Cuáles son las posibles causas del crecimiento exponencial de la población humana?

2. ¿Qué tipo de diagrama representa la estructura de edades de la población chilena?

Sucesión ecológica como expresión de la dinámica de la comunidad Las comunidades biológicas presentan estructuras características (biomas) en

cualquier parte del mundo (desierto, sabana, selva, etc.). Una comunidad no surge de forma repentina, sino gradualmente. Este proceso se conoce como sucesión ecológica, que es el reemplazo de

algunos elementos del ecosistema por otros en el transcurso del tiempo. Así, una determinada área es colonizada por especies vegetales cada vez más

complejas. Si el medio lo permite, la aparición de musgos y líquenes es sucedida por pastos, luego por arbustos y finalmente por árboles. Podemos distinguir dos tipos de sucesión ecológica:

Primaria: se inicia con organismos que colonizan lugares en los que antes de su llegada no existía suelo vegetal. Este tipo de proceso puede durar miles de años.

Secundaria: ocurre por la destrucción de una comunidad por el efecto de incendios o sobrepastoreo, por ejemplo. En este caso el ambiente contiene

nutrientes y residuos orgánicos que facilitan el crecimiento de los vegetales.

Sucesión ecológica

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Una vez que se ha alcanzado un estado de equilibrio, las modificaciones se dan entre los integrantes de una misma especie: por ejemplo, los árboles

nuevos reemplazan a los viejos. Debemos tener presente que la velocidad de recuperación es extremadamente lenta, sobre todo si se ha afectado la biodiversidad de tal

manera que implique la extinción de especies y el agotamiento de los recursos naturales.

Bibliografía. Alberts y colaboradores. Biología molecular de la célula. Editorial

Omega, Tercera edición, 1996.

Curtis y Barnes. Biología. Editorial Panamericana, Sexta edición, 2000. Inés Pepper. Atlas de Inmunología. Editorial Mediterráneo, 1994.

Carmen Grado y Vivian Luchsinger. Virología Médica. Serie científica básica. Editorial Mediterráneo, 1997. Solomon, E.P., Berg, L.R., Martin D.W. Biología. Editorial McGraw – Hill

Interamericana, México, D.F., 2001.