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CIENCIAS (BIOLOGA)

MDULO 4 Eje temtico: Organizacin, Estructura y Actividad Celular

Genoma, genes e ingeniera gentica

El conocimiento de que la expresin de un gen determina la formacin de protenas que se relaciona con la manifestacin de un fenotipo en particular, hizo que en el mundo cientfico surgiera la interrogante acerca de cul es la

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

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

experimental aport la idea de un factor transformante que converta 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

Composicin qumica del ADN

El ADN (cido desoxirribonucleico) es un polmero de alto peso molecular formado por la combinacin de cuatro monmeros (nucletidos). Cada nucletido est conformado por molculas ms pequeas: una base

nitrogenada (purina o pirimidina), un azcar (desoxirribosa) y un grupo fosfato (Fig. 2). Los cuatro tipos de nucletidos 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 nucletido

El conocimiento de los componentes del ADN y otros antecedentes permiti

a los cientficos Watson y Crick construir un modelo tridimensional de la molcula. Este modelo propone la presencia de dos cadenas de nucletidos entrelazadas en forma de doble hlice. Cada una de estas hebras se une por

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

Fig. 3: a. Modelo de la doble hlice del ADN; b. Disposicin de los

nucletidos en el ADN

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El modelo descrito permite explicar cmo se pueden sintetizar nuevas

molculas de ADN: la ruptura de los puentes de hidrgeno 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 nucletidos en las cadenas

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

proceso denominado expresin gnica. Mediante dicho proceso la informacin contenida en el ADN es utilizada para especificar la constitucin

de las protenas de la clula. Las protenas que se sintetizan influyen en el fenotipo, desde rasgos visibles hasta otros observables slo bioqumicamente.

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

se requiere la participacin del ARN (cido ribonucleico), el cual se diferencia del ADN en que el nucletido posee un uracilo en vez de timina y que el azcar es una ribosa (similar a la desoxirribosa pero con un grupo

hidroxilo extra).

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

Fig. 4: Esquema del proceso de transcripcin y traduccin

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1. Transcripcin: la informacin contenida en el ADN se copia en el ARN

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

Fig. 5: Esquema de la transcripcin

2. Traduccin: la informacin transcrita en el ARNm se utiliza para determinar la secuencia de aminocidos de una protena. Una secuencia de

tres bases consecutivas del ARNm, especfica para un aminocido, se denomina codn. 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 aminocidos (Fig. 6).

Protena

Aminocido

t ARN

ARNm

Ribosoma

Fig. 6: Esquema de la traduccin

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Ejercicios

1. Qu molculas forman un nucletido?

2. Qu tipos de enlaces qumicos estn presentes en el ADN? 3. Si una cadena de ADN est conformada por las siguientes secuencias de

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

molcula de ARNm.

5. Menciona y describe los distintos tipos de ARN.

6. Qu significa que el cdigo gentico sea universal y degenerado?

7. Qu funcin cumplen los tripletes sin sentido? 8. A continuacin se indica la secuencia de bases nucleotdicas para un

ARNm:

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

Indica el nmero de codones de este ARNm. Cuntos aminocidos tendra el polipptido que codifica?

Eje temtico: 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 infeccin en los seres humanos. Incluso cuando lo hacen, la infeccin es a veces tan leve que no provoca sntomas.

El hecho de que permanezcan como organismos inofensivos o que

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

En la antigedad se produjeron grandes pestes que provocaron una enorme

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

poblacin. Esta enfermedad se manifiesta con fiebre, cansancio y con alteraciones dermatolgicas. En China se utilizaba la inhalacin de costras

provenientes de pacientes que haban contrado la enfermedad como mtodo preventivo. Otra prctica era efectuar rasguos en la piel y

depositar all el material. Los individuos sometidos a estas prcticas presentaban los sntomas

iniciales y se recuperaban, en cambio, otros moran. Con estas prcticas se da inicio a los conocimientos y estudios sobre la inmunologa. La palabra

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

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los agentes patgenos que provocan enfermedades.

Los principales componentes del sistema inmunitario son la mdula sea y el timo, rgano donde se inicia respectivamente la proliferacin de los

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

vasos y ganglios linfticos, abundantes en el bazo y en las amgdalas (Fig. 7).

Mdula sea: sitio de

maduracin de clulas B

Fig. 7: rganos del sistema inmune

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Las defensas del organismo contra la infeccin incluyen barreras naturales como la piel, mecanismos inespecficos como ciertas clases de glbulos

blancos y fiebre, y mecanismos especficos, 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 partculas extraas en tu organismo. Los

principales componentes de esta inmunidad son las barreras fsicas, mecnicas o qumicas, y clulas fagocitarias (neutrfilos, macrfagos) (Fig. 9). Estos componentes se caracterizan por estar presentes desde el

nacimiento del individuo, ser inespecficos y no dejar memoria despus de su accin.

Barreras naturales

La piel evita la invasin de muchos microorganismos si no existe alguna lesin, picadura de insecto o quemadura. El organismo tambin cuenta con

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

de cilios que expulsan las partculas y microorganismos hacia el exterior. Tambin actan como barreras el cido estomacal, el reflejo de la tos y

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

Cuando las barreras naturales no controlan el ingreso de patgenos,

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

Fagocitos: que incluyen neutrfilos y macrfagos y se caracterizan por activarse de forma inmediata cuando cualquier sustancia extraa

penetra en el organismo (por ejemplo, despus de una herida). La activacin consiste en la movilizacin de estas clulas hacia el foco de la lesin, luego reconocen y toman contacto con la sustancia

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

Complemento: complementa la accin de otros mecanismos de defensa. Consiste en protenas presentes en el plasma que,

luego de activarse, sus acciones pueden incluir lisis de la pared celular, recubrimiento de patgenos para facilitar la accin de

fagocitos y atraccin de linfocitos al sitio de la infeccin.

http://www.umm.edu/esp_ency/article/003114.htmhttp://www.umm.edu/esp_ency/article/003072.htm

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Fig. 9: Componentes de la respuesta inespecfica

Los mecanismos de defensa inespecficos aportan un buen sistema de

proteccin. Sin embargo, en muchas ocasiones no es suficiente para defender eficazmente al organismo. Por fortuna ste 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 extraas (antgenos) de manera especfica y recordarlas (memoria), permitiendo una respuesta ms rpida a nuevas exposiciones de un mismo agente patgeno.

En la activacin de la inmunidad adaptativa se requiere que acten las

clulas presentadoras de antgenos (CPA), las cuales exhiben fragmentos de patgenos en la superficie, para que sean reconocidos por linfocitos B y T. Las CPA pueden ser macrfagos, clulas dendrticas y linfocitos B.

Existen dos tipos principales de inmunidad adaptativa:

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

produccin de anticuerpos, un grupo complejo de protenas denominadas inmunoglobulinas (Ig). Ante la presencia del antgeno los linfocitos B se activan producindose dos tipos de clulas: plasmticas y de memoria. Las

clulas plasmticas producen los anticuerpos con los que se combate la infeccin, mientras las clulas de memoria solo actan despus de la

segunda infeccin.

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

Los linfocitos T, gracias a la produccin de protenas, se encargan de destruir clulas infectadas por virus o aquellas que han sido modificadas

(como las cancerosas). Los linfocitos T actan cuando virus o bacterias sobreviven en clulas infectadas. Los antgenos quedan expuestos en las

clulas afectadas como verdaderos marcadores permitiendo que las clulas T citotxicas (T8) reconozcan especficamente la estructura de la clula que expone estos antgenos y de esta manera se activen los linfocitos. La

activacin produce la proliferacin de clulas T y la diferenciacin de las clulas hijas en clones de clulas de memoria; estas clulas son inactivas

durante la infeccin inicial, pero se activan en una segunda exposicin al antgeno extrao.

Eje temtico: Biologa Humana y Salud

Vacunas

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

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

clulas de memoria que actan ante la presencia del patgeno.

Antibiticos

En 1928 Alexander Fleming descubri el primer antibitico, la penicilina,

cuando por accidente observ 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 extrada y purificada de este hongo.

Los antibiticos son sustancias qumicas producidas por hongos o

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

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

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

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

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

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Ejercicios

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

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

3. Explica la accin fagocitaria de los macrfagos. 4. De qu manera el sistema del complemento nos defiende de agentes

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

III. Biologa humana y salud: el grupo sanguneo

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

Existen cuatro tipos de grupos sanguneos:

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

GRUPO B: sus glbulos rojos tienen el antgeno B y su plasma los anticuerpos Anti-A. GRUPO AB: los glbulos rojos tienen los dos tipos de antgenos: A y B; pero

el plasma no tiene ningn anticuerpo. GRUPO O: en este grupo sanguneo los glbulos no tienen antgenos, pero

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

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

con determinadas caractersticas o se comenta la importancia de la donacin de rganos de personas fallecidas. Los transplantes de

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

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

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

grupo sanguneo.

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

recin nacido puede pasar a la circulacin sangunea de la madre. Si hay diferencias en los antgenos de grupo sanguneo entre la madre y

el hijo, los hemates del hijo sern reconocidos como extraos por la madre, estimulndose la produccin de anticuerpos con la intencin de destruir las clulas

extraas.

Esto da lugar a la Enfermedad Hemoltica del Recin Nacido (EHRN), que puede estar originada por diferentes tipos de reacciones; la ms grave es la producida por la incompatibilidad Rh (el Rh es otra protena que puede o no

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

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

IA io

IA IA

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Eje temtico: Organismo y Ambiente interacciones entre organismos

En la interaccin 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 poblacin mundial ha ido en constante aumento, producindose,

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

en equilibrio con su capacidad de recuperacin, se produce una sobreexplotacin, en la cual desaparecen tantos individuos que la poblacin no puede mantenerse por s sola. Entre las consecuencias de la

sobreexplotacin podemos mencionar:

la deforestacin. la desertificacin.

la prdida de biodiversidad.

la escasez de agua potable.

Los originados por la contaminacin:

La contaminacin 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 contaminacin:

Biolgica: se presenta cuando encontramos en el ecosistema seres

vivos (generalmente microorganismos) ajenos a l o en

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

Qumica: se presenta cuando en el ecosistema existen sustancias

qumicas ajenas a l o que se encuentran en concentraciones

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

Fsica: se presenta cuando en un ecosistema hay presencia de una

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

daos a la salud humana. Poblaciones y comunidades

En una comunidad biolgica encontramos una gran cantidad de poblaciones distintas, como por ejemplo poblacin de aves, insectos y arcnidos, entre

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

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

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parmetros o variables como natalidad, mortalidad, inmigracin o emigracin. Sin embargo, el tamao de las poblaciones de seres vivos se

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

El crecimiento de una poblacin 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, hacindose luego ms y ms rpido (fig. 12). Este tipo de crecimiento lo presentan organismos

reconocidos como estrategas r, cuyas poblacines mantienen un crecimiento exponencial hasta desaparecer bruscamente cuando las

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

Densidad

Tiempo

Fig. 12: Crecimiento exponencial de las poblaciones

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

pues las poblaciones no crecen indefinidamente debido a que la resistencia ambiental se opone a la expresin del potencial biolgico de una poblacin

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

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

(curva en S): primero la poblacin 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 tamao grande, ciclo de vida largo, reproduccin tarda y cuidado de sus cras.

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 logstica. 4. Menciona organismos de estrategia K.

En trminos generales, la poblacin 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 pases

desarrollados y los subdesarrollados. Adems, la sobrevivencia de los individuos a distintas edades vara segn el estado de desarrollo, por

lo que existen poblaciones en expansin, estables y en disminucin.

Ejercicios

1. Cules son las posibles causas del crecimiento exponencial de la poblacin humana?

2. Qu tipo de diagrama representa la estructura de edades de la poblacin chilena?

Sucesin ecolgica como expresin de la dinmica de la comunidad Las comunidades biolgicas presentan estructuras caractersticas (biomas) en

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

algunos elementos del ecosistema por otros en el transcurso del tiempo. As, una determinada rea es colonizada por especies vegetales cada vez ms

complejas. Si el medio lo permite, la aparicin de musgos y lquenes es sucedida por pastos, luego por arbustos y finalmente por rboles. Podemos distinguir dos tipos de sucesin ecolgica:

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

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

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

Sucesin ecolgica

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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 rboles

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

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

Bibliografa. Alberts y colaboradores. Biologa molecular de la clula. Editorial

Omega, Tercera edicin, 1996.

Curtis y Barnes. Biologa. Editorial Panamericana, Sexta edicin, 2000. Ins Pepper. Atlas de Inmunologa. Editorial Mediterrneo, 1994.

Carmen Grado y Vivian Luchsinger. Virologa Mdica. Serie cientfica bsica. Editorial Mediterrneo, 1997. Solomon, E.P., Berg, L.R., Martin D.W. Biologa. Editorial McGraw Hill

Interamericana, Mxico, D.F., 2001.