Introducción a la Biología

Término de Biología: propuesto en 1802 por Lamarck y Treviranus. Filosofía de la naturaleza viva: “Estudio de las distintas formas de vida, las condiciones y las leyes que rigen su existencia y las causas que determinan su actividad”. Ramas de la biología: Zoología, Botánica, Microbiología, Taxonomía. Sistemática o Taxonomía, Citología o Biología Celular, Evolución, Fisiología, Genética, Bioquímica.

Etapas de la Biología

  • Biología Antigua (500 A.E. a 1700 D.E.): Aristóteles (Primera Clasificación Natural), Galeno y Versalius (Estudios Anatómicos), Harvey (Estudios de Circulación Sanguínea).
  • Biología Moderna (1700 a 1920): Inicia con la clasificación de los seres vivos y define el concepto de especie y las relaciones entre ellas (Definición de Especie, Nombre Científico (Nomenclatura binominal), Sistemática de las Especies). Concluye con importantes avances en Biología Celular y Evolución de las Especies (Descubrimiento de la célula, Teoría celular, Teoría de la Evolución, Leyes de la Herencia).
  • Biología Molecular (1920 a la fecha): Con importantes aportaciones de las Ciencias Química y Física. Describe fenómenos moleculares fundamentales para la célula.
    • Aportaciones en Bioquímica (Descubrimientos de las principales moléculas de la vida: Proteínas, Azucares, Lípidos, Ácidos Nucleicos, Dinámica de reacciones en los organismos (Metabolismo)).
    • La Genética aporta la Teoría Cromosómica de la Herencia y encuentra el eslabón entre la Evolución y los genes.
    • Termina con la descripción de la Molécula de ADN – Dogma Central de la Biología Molecular.

Surgimiento de la Biología Molecular

  • Friederich Miescher (1884): Aísla núcleos celulares de leucocitos y reconoce una sustancia única llamada Nucleína (ADN).
  • Richard Altmann (1889): Llama ácidos nucleicos a la sustancia rica en fósforo localizada en el núcleo.
  • Flemming y Feulgen (1882): Identifican los cromosomas y los implican en la mitosis.
  • Calvin Bridges (1913): Demuestra que los genes se encuentran en los cromosomas.
  • Thomas Morgan (1915): Propone la Teoría Cromosómica de la Herencia.
  • Aaron Levene (1900): Descubre que los ácidos nucleicos se encuentran en todos los seres vivos y están formados por Azúcar, Base Nitrogenada y Ácido Fosfórico.
  • Warren Weaver (1938): Primera Cátedra de Biología Molecular.
  • Beadle y Tatum (1941): Proponen una relación entre un gen y una proteína.
  • Linus Pauling (1951): Describe la estructura de las proteínas: alfa hélice y hojas plegadas beta.
  • Watson y Crick (1951): Proponen el modelo de la doble hélice del ADN y elaboran el Dogma Central de la Biología Molecular (1970).

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Teoría Unificadora: Genética y Evolución

Filosofía: “Amor por la sabiduría”. Es el estudio de una variedad de problemas fundamentales acerca de cuestiones como la existencia, el conocimiento, la verdad, la moral, la belleza, la mente y el lenguaje.

Ciencia: “Conocimiento”. Es el conjunto de conocimientos sistemáticamente estructurados, y susceptibles de ser articulados unos con otros. Inicia en el Renacimiento (siglo XV y XVI): Se basa en el racionalismo y la explicación objetiva de los fenómenos naturales. Impone razonamiento objetivo sobre ideas religiosas dogmáticas. Es la rama de la filosofía más importante en la obtención del conocimiento actual.

Darwinismo: Resume el conocimiento de Malthus (competencia de las poblaciones), información de viajes a las Galápagos y el concepto de la Selección Natural como factor de cambio en las especies. Junto con Wallace propone la evolución biológica en su obra “El Origen de las Especies”.

Herencia: Origen de la Genética: La teoría de la evolución carecía de la prueba de cómo los organismos transmiten la información a la siguiente generación. Gregor Mendel realizó estudios sobre la transmisión de la información en los organismos, sin encontrar el sitio físico de los genes en las células. Thomas Morgan propone a los cromosomas como estructuras subcelulares que contienen a los genes. Propone la teoría cromosómica de la herencia basado en observaciones celulares y en las leyes de la herencia propuestas por Mendel.

Teoría Unificadora de la Herencia y la Evolución: Propuesta por Theodosius Dobzhansky, Ernst Mayr, George G. Simpson, Julian Huxley en 1950. Surge la Teoría Unificadora (Neodarwinismo). Explica el origen de diversas formas de vida como resultado de cambios en su carga genética a través del tiempo. La teoría de la evolución establece que los organismos modernos descienden, con modificaciones, de formas…

Neodarwinismo:

  • Teoría de la deriva génica o neutralismo: Cambios en la información genética sin que tenga implicaciones en la selección natural.
  • Teoría del equilibrio puntuado: Aparente estado de reposo en evolución y surgimiento de cambios acelerados en las especies.
  • Teoría Sintética: Cambios graduales y mínimos pero constantes conocidos como (microevolución).

Nucleósidos y Nucleótidos: Enlaces Químicos

Presentan dos enlaces: Azúcar + Base Nitrogenada (N-glicosídico) y Azúcar + Fosfato (Fosfo-éster).

Nucleótidos Sencillos

Son nucleósidos fosfatados en un solo sitio de la molécula de azúcar.

Nomenclatura de Nucleótidos

  • Se les llama como ésteres fosfato de nucleósido: Adenosina-monofosfato, Guanosina-difosfato (AMP, GDP, etc.).
  • Se denomina como ácidos sustituyendo la terminación como sufijo -ílico (sólo monofosfatos), agregando di o tri antes de la base: ácido adenílico, ácido diguanílico.

Nucleótidos Cíclicos

Como segundos mensajeros en la transducción de señales al interior de la célula.

Propiedades Físico-Químicas

  • Los ácidos nucleicos son de carácter ácido al donar sus grupos fosfato (P, PP o PPP).
  • Presentan cargas negativas en pH fisiológico (aniones), forman sales y son solubles en agua.
  • Forman complejos con metales divalentes (Mg, Mn, Ca).
  • Absorben a 260 nm en luz ultravioleta.

Estructura de Ácidos Nucleicos

  • Estructura Primaria: Descrita por la unión de nucleósidos mediante enlace fosfodiéster. Cadena de nucleótidos.
  • Estructura Secundaria: Disposición espacial de nucleótidos en la secuencia. Formación de dos cadenas (ADN). Estructura de la cadena de ARN.
  • Estructura de orden superior: Estructuras tridimensionales surgidas de la estructura primaria y secundaria.

Componentes de los Ácidos Nucleicos

Componentes fundamentales de los Ácidos Nucleicos: Fosfatos (Mono, di y tri fosfatos), Azúcar (Ribosa y Desoxirribosa), Bases Nitrogenadas (anillos pirimidina y purina).

Composición de Ácidos Nucleicos:

  • Nucleósidos: Azúcar + Base Nitrogenada
  • Nucleótidos: Nucleósidos + Fosfatos

Difosfatos: Formación de un enlace éster y un anhidro (dianión).

Trifosfatos: Formación de enlace éster y dos anhidro (tetranión).

Azucares: Los nucleótidos emplean la estructura de azúcar de 5 carbonos (Ribosa o Desoxirribosa).

Propiedades Químicas de Bases Nitrogenadas

  • Presentan dipolos de O y N extranucleares que favorecen la formación de puentes de H.
  • Los anillos son hidrofóbicos y confieren estructura tridimensional planar.
  • Presentan tautomería en los sustituyentes de C, N y O que permiten intercambios de H.
  • Presentan carácter básico por la protonación de los N.
  • Los núcleos de purina y pirimidina muestran alta absorción en luz ultravioleta con un máximo cercano a 260 nm.

Componentes Fundamentales de la Genética Molecular

Estructuras Celulares

Las tres principales estructuras celulares en cualquier tipo son:

  • La membrana celular: Aislamiento y contención de los diversos componentes celulares, medio de interacción con el ambiente extracelular y recepción de señales de células.
  • Citoplasma Celular: Citosol y organelos subcelulares (mitocondrias, cloroplastos, vacuolas, RE liso, RE rugoso, ribosomas, Aparato de Golgi), proteínas citosólicas, etc. Funciones: Soporte, distribución y movilidad de los organelos subcelulares, metabolismo general de la célula, síntesis de proteínas y otros productos celulares.
  • Núcleo celular: Organelo de células eucariontes, contenida por membrana lipídica (envoltura nuclear). El nucleoplasma es la parte soluble donde se transportan los componentes celulares. El nucléolo contiene ADN y proteínas para el ensamblaje de las subunidades ribosómicas. En el núcleo se almacena la información genética en forma de ADN y se realiza el proceso de replicación del ADN y la transcripción del ADN a ARN.

Otros organelos con ADN

Existen dos organelos celulares de eucariontes que poseen moléculas de ADN:

  • Mitocondria
  • Cloroplasto

Probablemente sea un vestigio de la actividad de células ancestrales (de vida libre). Presentan replicación de algunos genes dependientes de proteínas sintetizadas por citoplasma y núcleo celular.

La replicación del ADN se lleva a cabo en:

  • Procariontes: pseudo núcleo o nucleoide, plásmidos en citoplasma.
  • Eucariontes: Interior del núcleo celular (ADN genómico, nuclear, cromosómico), interior de la mitocondria (ADN mitocondrial), interior del cloroplasto (ADN cloroplástico).

Transcripción

La transcripción se realiza en totalidad en los organelos celulares que contienen las moléculas de ADN (Nucleoide, Plásmidos, Núcleo Eucariótico, Mitocondria y Cloroplastos). Se realiza la síntesis de ARN ribosomal (nucléolo), ARN mensajero, ARN de transferencia.

Traducción

El proceso de traducción se realiza en citoplasma a través de los ribosomas y los ARNm, ARNt. Retículo endoplásmico rugoso y liso.

Proteínas

Las proteínas son el producto final de la expresión de los genes. Son las moléculas funcionales de la célula: estructurales, mensajeras, procesos metabólicos químicos, etc. Se ubican en todos los organelos y estructuras intracelulares y extracelulares.

Ciclo Celular

Las células crecen y se dividen dando lugar a dos células hijas. Las células se denominan “proliferantes” y las que se encuentran en fase G0 se llaman células quiescentes.

Fases

Interfase: Es el período comprendido entre divisiones celulares. Es la fase más larga del ciclo celular, ocupando casi el 95% del ciclo, trascurre entre dos mitosis y comprende tres etapas:

  • G1: (5 hrs) Las células hijas crecen, cada cromosoma consta de una sola molécula de ADN.
  • S: (8 hrs) Se duplica o sintetiza el ADN, al final cada cromosoma está formado por dos cromátidas.
  • G2: (6 hrs) Se incrementa la síntesis de proteína y la célula se prepara para pasar a la fase M.

Fase M: Una célula progenitora (célula somática) se divide en dos células hijas idénticas. Esta fase incluye la mitosis, a su vez dividida en: profase, metafase, anafase, telofase; y la citocinesis, que se inicia ya en la telofase mitótica. La mitosis es aquel tipo de división celular por el cual se conserva la información genética contenida en sus cromosomas, que pasa de esta manera a las sucesivas células a que la mitosis va a dar origen. Es un proceso de reparto equitativo del material hereditario (ADN) característico de las células eucarióticas. Normalmente concluye con la formación de dos núcleos separados (cariocinesis), seguido de la partición del citoplasma (citocinesis), para formar dos células hijas. Es el fundamento del crecimiento, de la reparación tisular y de la reproducción asexual.

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Meiosis

Es una de las formas de reproducción celular. Es un proceso divisional celular, en el cual una célula diploide (2n), experimentará dos divisiones celulares sucesivas, con la capacidad de generar cuatro células haploides (1n). Este proceso se lleva a cabo en dos divisiones nucleares y citoplasmáticas, llamadas primera y segunda división meiótica o simplemente Meiosis I y Meiosis II. Ambas comprenden Profase, Metafase, Anafase y Telofase. Durante la meiosis I los miembros de cada par homólogo de cromosomas se unen primero y luego se separan y se distribuyen en diferentes núcleos. En la Meiosis II, las cromátidas hermanas que forman cada cromosoma se separan y se distribuyen en los núcleos de las células hijas. Entre estas dos etapas sucesivas no existe la etapa S (duplicación del ADN).

Profase I:

Prometafase I: La membrana nuclear desaparece. Un cinetocoro se forma por cada cromosoma, no uno por cada cromátida, y los cromosomas adosados a fibras del huso comienzan a moverse. Algunas veces las tétradas son visibles al microscopio. Las cromátidas hermanas continúan estrechamente alineadas en toda su longitud, pero los cromosomas homólogos ya no lo están y sus centrómeros y cinetocoros se encuentran separados entre sí.

Metafase I: Los cromosomas homólogos se alinean en el plano ecuatorial. La orientación es al azar, con cada homólogo paterno en un lado. Esto quiere decir que hay un 50% de posibilidad de que las células hijas reciban el homólogo del padre o de la madre por cada cromosoma. Los microtúbulos del huso de cada centríolo se unen a sus respectivos cinetocoros.

Anafase I: Los microtúbulos del huso se acortan en la región del cinetocoro. Se remolcan los cromosomas homólogos a lados opuestos de la célula, junto con la ayuda de proteínas motoras. En la repartición de cromosomas homólogos, para cada par, el cromosoma materno se dirige a un polo y el paterno al contrario.

Telofase I: Cada célula hija tiene la mitad de cromosomas, pero cada cromosoma consiste en un par de cromátidas. Los microtúbulos que componen la red del huso mitótico desaparecen, y una membrana nuclear nueva rodea cada sistema haploide. Los cromosomas se desenrollan nuevamente dentro de la cromatina.

Profase II:

  • Profase Temprana II: Comienza a desaparecer la envoltura nuclear y el nucleolo. Se hacen evidentes largos cuerpos filamentosos de cromatina, y comienzan a condensarse como cromosomas visibles.
  • Profase Tardía II: Los cromosomas continúan acortándose y engrosándose. Se forma el huso entre los centríolos, que se han desplazado a los polos de la célula.

Metafase II: Las fibras del huso se unen a los cinetocoros de los cromosomas. Éstos últimos se alinean a lo largo del plano ecuatorial de la célula. Las cromátidas se alinean en grupos de dos (como en la metafase mitótica).

Anafase II: Las cromátidas se separan en sus centrómeros, y un juego de cromosomas se desplaza hacia cada polo. Como en la mitosis, cada cromátida se denomina ahora cromosoma.

Telofase II: Hay un miembro de cada par homólogo en cada polo. Cada uno es un cromosoma no duplicado. Se reensamblan las envolturas nucleares, desaparece el huso acromático, ocurre la citocinesis.