M3 - UD1
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Ámbito Científico-Tecnológico ESA II – Módulo 3 UNIDAD DIDÁCTICA 1 La Célula y la Información Genética Índice: 1. Qué son los seres vivos............................................................................................ 1 1.1. Niveles de organización de la materia ……………………………………………………….. 3 1.2. Los grandes reinos de seres vivos ………………………………………………………………. 3 2. Teoría celular............................................................................................................ 4 3. Organización celular................................................................................................. 6 3.1. Célula procariota.............................................................................................. 6 3.2. Célula eucariota................................................................................................ 8 4. El núcleo y el ciclo celular....................................................................................... 17 4.1. El núcleo en interfase..................................................................................... 17 4.2. El núcleo en división....................................................................................... 17 4.3. El cariotipo...................................................................................................... 18 4.4. Células diploides y células haploides.............................................................. 20 5. La célula se divide................................................................................................... 20 5.1. Mitosis............................................................................................................. 20 5.2. Meiosis............................................................................................................ 23 6. La ingeniería genética y sus aplicaciones............................................................... 26 6.1. Aplicaciones en microorganismos…………....................................................... 27 6.2. Aplicaciones en la agricultura: plantas transgénicas………............................. 28 6.3. Aplicaciones en animales: clonación.............................................................. 29 Anexo I. Célula eucariota animal................................................................................ 31 Anexo II. Célula eucariota vegetal.............................................................................. 32 1. Qué Son los Seres Vivos 1. Lee el texto y luego contesta: Definir la vida no resulta fácil, los seres vivos que nos rodean presentan una enorme variedad. No obstante, igual que todas las palabras de nuestra lengua -un número elevadísimo- están formadas por combinaciones de sólo 28 letras, todos los seres vivos están formados por los mismos componentes, los aproximadamente 100 elementos químicos que forman la materia inerte del Universo. Algunas moléculas y sustancias sencillas, como el agua y la sal, se encuentran tanto en los seres vivos como en los inertes, pero hay otras que son características de los seres vivos, como por ejemplo las proteínas, el ADN, o la glucosa. La glucosa que se encuentra en las uvas es la misma que circula por la sangre de las personas, y algo semejante ocurre con otras moléculas. Pero estas moléculas específicas de los seres vivos no "están vivas". El ser más elemental que posee vida es la célula, que a veces existe de manera aislada, como por ejemplo una bacteria del yogur, y otras veces formando parte de los animales y de las plantas, sean estos hormigas o musgos, elefantes o árboles. Hasta que no se dispuso de microscopios, que permiten observar los fragmentos de seres vivos a gran aumento, no se descubrió que todos los seres vivos están formados por células. Al decir que una célula está viva, lo que indicamos por ejemplo es que se alimenta, que puede moverse, y que puede reproducirse, originando células iguales a ella. Esta reproducción celular, que tiene lugar a ritmos distintos según las partes del cuerpo, es la que permite por ejemplo renovar la capa externa de la piel, de la que continuamente se desprenden células muertas. ¿Cómo realiza la célula estas funciones? Gracias a que dispone de moléculas específicas para llevar a cabo estas tareas, como por ejemplo quemar glucosa para obtener energía. Un caso particular son las moléculas que contienen la información que permite originar otras células iguales, y sintetizar las propias moléculas que la célula contiene, estas son las moléculas de ADN que llevan el "programa" específico de cada ser vivo. 2. Resume en pocas palabras cuales son las características de los seres vivos, según el texto, y ponle un título adecuado. 3. En este texto se habla del “programa” de las células comparándolo implícitamente con otros “programas” como el de una lavadora. ¿Sabes cómo funciona un programa? UD 1 – pág. 1 Estamos rodeados de seres vivos por todas partes. Ante la enorme diversidad de los seres vivos cabe preguntarse cuáles son las características que les permiten diferenciarse de la materia inerte: Todos los seres vivos tienen una misma composición química. Al analizar la composición química de los seres vivos se comprueba que todos están constituidos por el mismo tipo de substancias: las substancias inorgánicas son comunes a la materia viva y a la no viva, son el agua y las sales minerales; las substancias orgánicas, características de los seres vivos, son ricas en carbono e incluyen los glúcidos, los lípidos, las proteínas, las vitaminas y los ácidos nucleicos. Todos los seres vivos están formados por células. Las células son la unidad mínima dotada de vida y, a pesar de su aparente diversidad de aspecto, organización y función, poseen una estructura semejante. En todas ellas puede reconocerse una envoltura o membrana, un contenido o citoplasma con diversas partes llamadas orgánulos, y un material genético que suele estar encerrado en un núcleo. Todos los seres vivos realizan las mismas funciones vitales: 1. Nutrición (metabolismo): las formas vivas son capaces de intercambiar, utilizar y transformar la materia y la energía del entorno, para realizar sus actividades vitales y para la autoconservación (mantenimiento de sus propias estructuras). 2. Reproducción (genética): es una característica exclusiva de las formas vivas. Supone la producción de réplicas orgánicas relativamente idénticas y, por tanto, la capacidad de autoperpetuarse como especie, además de promover la evolución. 3. Relación (fisiología): implica el intercambio de información con el entorno. Otras características: – Complejidad y alto grado de organización. – Especificidad funcional: cada molécula, estructura, tejido u órgano, cumple una función específica en su entorno orgánico. – Autorregulación y automantenimiento de las condiciones y los procesos vitales. – Propiedades emergentes: aparición de propiedades que no están presentes en las partes constituyentes (“el todo es superior a la simple suma de las partes”, Teoría de Sistemas). 4. En la actualidad se están fabricando robots que imitan seres vivos; se pueden mover, evitar obstáculos o responder ante órdenes, pero no son seres vivos; ¿por qué no los consideramos seres vivos? 5. Los robots necesitan energía para funcionar, ¿se puede decir que se nutren? Razona la respuesta. UD 1 – pág. 2 1.1. Niveles de Organización de la Materia El estudio de la materia que forma parte de los seres vivos se puede llevar a cabo a varios niveles, dependiendo del grado de organización que consideremos: Átomos (C, H, O, N, S, P,...) Moléculas sencillas (H2O, CO2, NH3,... monómeros) Niveles Bioquímicos Macromoléculas (glúcidos, lípidos, proteínas,... polímeros) Complejos macromoleculares (virus, cloroplastos, mitocondrias, ribosomas,...) CÉLULA: unidad estructural y funcional mínima dotada de vida Ser vivo UNICELULAR (protozoo, bacteria,…) Tejidos (muscular, conjuntivo, epitelial) Niveles Orgánicos Órganos (estómago, pulmón, corazón) Aparatos y Sistemas (digestivo, reproductor, nervioso) Ser vivo PLURICELULAR Individuo Población Niveles Ecológicos Comunidad Ecosistema BIOSFERA Los niveles infracelulares son tratados por la Bioquímica. La Citología estudia la célula, sus orgánulos y estructuras. Los niveles orgánicos corresponden a la Anatomía y la Fisiología y los niveles supraindividuales son estudiados por la Ecología. 1.2. Los Grandes Reinos de Seres Vivos Especie: conjunto de individuos con antecesores comunes, capaces de producir descendencia fértil al cruzarse entre sí. Se conocen varios millones de especies que son clasificadas en grupos, denominados categorías taxonómicas, según criterios genéticos, anatómicos, filogenéticos,… Las principales categorías taxonómicas en orden de mayor a menor rango son: Reino > Tipo > Clase > Orden > Familia > Género > Especie Ejemplos: Metazoos > Cordados > Mamíferos > Primates > Homínidos > Homo > Homo sapiens (humanos) Metafitas > Espermafitas > Angiospermas > Fagales > Fagáceas > Quercus > Quercus robur (carballos) UD 1 – pág. 3 Todos los seres vivos se agrupan en 5 grandes reinos: SERES VIVOS tipo celular Procariotas Eucariotas nº de células Unicelulares Pluricelulares nutrición Autótrofos Heterótrofos nivel trófico Descomponedores Consumidores MÓNERAS PROTISTAS METAFITAS HONGOS METAZOOS Arqueobacterias Bacterias Cianobacterias Micoplasmas Protozoos Protofitas Levaduras Algas pluricelulares Briofitas Pteridofitas Espermafitas Mohos Hongos superiores Poríferos Celentéreos Anélidos Artrópodos Moluscos Equinodermos Cordados 2. Teoría Celular La Citología es la disciplina biológica que estudia las células. Su desarrollo está íntimamente ligado al de las técnicas que permiten verlas y distinguirlas, lo que quiere decir que la citología nació con el invento del microscopio y avanzó junto con su perfeccionamiento. El primero en nombrar la célula fue Robert Hooke, quien en 1665, recién inventado el microscopio, empleó ese término para referirse a las pequeñas celdillas que veía en su microscopio al observar un trozo de corteza. Hoy sabemos que Hooke estaba viendo células vegetales muertas. El concepto actual de célula proviene de dos científicos: en el año 1837, M. Schleiden, botánico, y T. Schwann, zoólogo, constatan que vegetales y animales, están constituidos por células. Más tarde esto se hace extensible a los microorganismos; es decir, establecen que la célula es la unidad estructural y funcional de todos los seres vivos. En 1855, R. Virchow completa la afirmación anterior diciendo que toda célula procede de otra célula. De este modo, la Teoría Celular queda enunciada mediante tres principios básicos: Unidad estructural (anatómica): todos los seres vivos están formados por una o más células (unicelulares o pluricelulares). Unidad funcional (fisiológica): toda célula es capaz de mantenerse viva por sí misma, pues está dotada de la maquinaria necesaria para realizar todas las funciones vitales. Unidad reproductiva (genética): toda célula procede de otra célula preexistente (“omnis cellula ex cellula”). UD 1 – pág. 4 Bases históricas de la Teoría Celular: A. Van Leeuwenhoek, 1650: inventa el microscopio simple (una sola lente). R. Hooke, 1665: establece el término “célula” al observar laminillas de corcho (súber) con un primitivo microscopio compuesto (dos lentes). R. Brown, 1831: observa un corpúsculo central en células vegetales, al que denomina “núcleo”. M. Schleiden y T. Schwann, 1837: establecen las bases de la Tª celular al reconocer a la célula como unidad morfológica (anatómica) y funcional (fisiológica) de todos los seres vivos. R. Virchow, 1855: completa la Tª celular al reconocer a la célula como unidad reproductiva (genética). E. Ruska, 1932: inventa el microscopio electrónico, impulsando el estudio de la célula hasta nuestros días. 6. ¿A qué le llamó Robert Hooke célula? 7. De la siguiente lista haz un grupo con los que están formados por células y otro con los que no: Lista Formados por células No formados por células Sangre Agua Hueso Tapón de corcho Hoja da cebolla Roca Palmera Sal 8. Indica si es verdadero o falso: Afirmaciones V/F Todas las plantas están formadas por células La célula es la unidad más pequeña dotada de vida Los animales son seres unicelulares Todas las células tienen la misma forma pero distinto tamaño Los seres unicelulares en general son microscópicos Un insecto y una ballena tienen células de tamaño similar UD 1 – pág. 5 9. Actividad práctica: partes y manejo del microscopio. 3. Organización Celular Al estudiar las células se observó que existen dos tipos básicos de organización celular: Procariota: células sencillas, sin núcleo; es propia de las bacterias. Eucariota: células más complejas, con núcleo; es propia de los seres pluricelulares, como las plantas, los animales y los hongos. También tienen esta estructura las células que forman las algas o seres microscópicos como las amebas. 3.1. La Célula Procariota Los primeros seres vivos, que aparecieron sobre la Tierra hace ~ 3500 millones de años, eran seres unicelulares procariotas. Durante más de 2000 millones de años estos seres fueron los únicos pobladores del planeta. Las células primitivas eran muy sencillas pero poseían lo esencial para vivir. Fueron capaces de adaptarse a todos los ambientes, reproducirse y obtener materia y energía de maneras muy variadas. Es decir, tuvieron una gran capacidad de adaptación, lo que desde el punto de vista biológico supuso un éxito rotundo. Las bacterias son los representantes actuales de estas primeras células. El tipo celular que presentan las bacterias se llama procariota, que quiere decir "sin núcleo auténtico". Estas células aparecen aisladas o formando colonias (grupos de células independientes que se mantienen juntas), pero nunca forman individuos pluricelulares. Los seres vivos que presentan este tipo de organización pertenecen al reino Móneras. UD 1 – pág. 6 Las células procariotas presentan una organización bastante sencilla, constituida por las siguientes partes: Membrana celular: que individualiza las células separándolas del medio externo. Puede estar rodeada de una gruesa pared celular. Citoplasma: es el espacio interno de la célula. Contiene un fluido y diversas estructuras que le permiten a la célula realizar sus funciones vitales. Destaca entre ellas una única molécula de ADN circular, que constituye el material genético de la célula, y los ribosomas, que son fábricas de proteínas. 10. ¿Cómo eran los primeros seres vivos?, ¿cuándo aparecieron? 11. ¿Qué seres vivos constituyen el reino Móneras? 12. ¿Qué indica el término procariota? 13. Indica, en el siguiente dibujo, las partes de una célula procariota típica: UD 1 – pág. 7 14. Lee el texto y luego contesta: Los seres humanos tendemos a considerarnos importantes dentro de lo que es la vida en el planeta Tierra; incluso hay religiones que aseguran que la especie humana es lo que le da sentido a este planeta. Estas creencias son en cierto modo comprensibles, y hasta puede ser una tendencia natural que cada especie -cuando menos las que poseen consciencia de su propia existencia- se considere a sí misma la parte más esencial de la biosfera. Mas, ¿somos realmente importantes? Desde un punto de vista objetivo, ¿hay algún organismo que destaque tirando por lo alto de los demás en la historia de la vida en la Tierra? Sí, mas no somos nosotros. Todos los organismos participan en la dinámica de los ecosistemas de la biosfera (la biosfera es la parte de la corteza terrestre en la que se aloja la vida, e incluye océanos, continentes y atmósfera), y cada especie, por pequeña que sea, tiene su papel. Mas también es importante tener en cuenta que el funcionamiento de estas redes naturales es muy dinámico, de suerte que las extinciones, migraciones, invasiones, etc., son fenómenos naturales que permiten precisamente la evolución de los sistemas vivos. Es como si todas las especies fuéramos importantes y prescindibles a la vez, todo y nada. No obstante, observando la evolución de la vida en la Tierra hay un grupo de organismos que tiene un peso específico: las bacterias. Por varias razones, veamos algunas. [...] Las bacterias son organismos formados por una sola célula, que además es muy pequeña, algo así como una micra (la milésima parte de un milímetro). Estas células pueden dividirse muy rápido y originar cantidades enormes de individuos en poco tiempo. Al hablar de bacterias automáticamente las juzgamos desde una óptica antropocéntrica –normal- y pensamos en enfermedades (cólera, tuberculosis, neumonía, meningitis, etc.), mas no en otras cosas como queso, yogur, antibióticos o vacunas, en la producción de las cuales participan estos pequeños seres. Incluso si atendemos sólo al cuerpo humano, podemos llevarnos sorpresas: ¡en nuestro cuerpo hay 10 veces más bacterias que células humanas! Tenemos bacterias conviviendo con nosotros en la piel, en la boca o en el tracto digestivo; somos un “saco de bichos”. Si nos tuvieran que definir por el número de células, aproximadamente 1 parte de nosotros sería propiamente humana, y unas 10 partes serían células bacterianas. ¿Somos seres humanos o colonias de bacterias? [...] Las bacterias tienen una importancia clave en el funcionamiento actual de los ecosistemas, que son esenciales para la vida de plantas y animales. Un ejemplo planetario: los elementos que forman la materia orgánica (como el carbono, el oxígeno o el nitrógeno), se mueven continuamente en un ciclo que incluye atmósfera-plantasanimales-suelo-atmósfera y vuelta a empezar. Este ciclo no funciona sin las bacterias, son importantes tanto para captar compuestos de la atmósfera como para devolverlos a ella. Además forman parte del ciclo desde los mismos comienzos de la formación de la atmósfera actual, ya que fueron precisamente las cianobacterias (un tipo de bacterias) las que hace 3000 millones de años comenzaron a emitir grandes cantidades de oxígeno, modificando radicalmente la composición gaseosa del planeta hasta hoy. Xurxo Mariño. Los dados del relojero 15. Resume en pocas palabras cual es la importancia de los microorganismos para los ecosistemas y para el ser humano. Ponle un título adecuado al texto. 3.2. La Célula Eucariota Hace 1500 millones de años surgieron, a partir de algunas células procariotas, unos nuevos seres unicelulares con una estructura más compleja, que recibieron el nombre de eucariotas (células con núcleo verdadero). Las células eucariotas son más complejas que las procariotas. En ellas se desarrollaron membranas que delimitan compartimentos dentro de la célula. Una de ellas, la membrana nuclear, envuelve al material genético diferenciando el núcleo del resto de los componentes celulares. UD 1 – pág. 8 En todas las células eucariotas se distinguen: Membrana celular: envoltura que rodea la célula. Citoplasma: contenido celular entre la membrana y el núcleo. Núcleo: contiene el material genético en su interior y está separado del citoplasma por la membrana nuclear. 3.2.1. Forma y Tamaño La forma y el tamaño de las células eucariotas son muy variables. El tamaño oscila desde unas milésimas de milímetro (micras), hasta las visibles a simple vista, como los huevos de las aves; pero por lo general tienen tamaños microscópicos. P.e. un hepatocito (célula del hígado) tiene 20 µm y pesa 27 pg. Unidades de medida empleadas en Biología: Micra o micrómetro (µm): 10-6 m. Nanómetro (nm): 10-9 m. Ångström (Å): 10-10 m. 16. ¿Cuánta masa representan las células de 40 µm y 30 pg que caben en 1 m de longitud? 17. Usando factores de conversión, calcula tu edad en segundos. La forma está condicionada por la función que realizan y el medio en el que se encuentran. En general, hay células esféricas, estrelladas, alargadas, prismáticas, etc. La mayor parte de los seres eucariotas son pluricelulares. Las células que los constituyen están especializadas y su forma está relacionada con la función que desempeñan. 18. Señala en las siguientes células: la membrana (M), el citoplasma (C) y el núcleo (N). UD 1 – pág. 9 19. Relaciona con flechas las dos tablas: Función Forma celular Neurona. Célula especializada en transmitir señales eléctricas a gran velocidad. Eritrocito. Célula especializada en transportar oxígeno a las células. Células epiteliales. La forma es una perfecta adaptación para recubrir y proteger las superficies corporales. Enterocito. Recubre la pared interior del tubo digestivo, especializada en la absorción de sustancias. Espermatozoide. Célula especializada en desplazarse al encuentro del óvulo para fecundarlo. 20. ¿Cuáles son las principales diferencias entre las células procariotas y las eucariotas? 21. ¿De qué células evolucionaron las células eucariotas? ¿Cómo aparecieron? 3.2.2. Tipos de Células Eucariotas Aunque tienen muchos orgánulos y estructuras comunes, existen notables diferencias entre las células eucariotas animales y las vegetales. Las células eucariotas de los hongos son similares a las anteriores, aunque comparten algunas características propias de las vegetales y otras propias de las animales. UD 1 – pág. 10 Células eucariotas animales Forma variada, con frecuencia globular. Vacuolas pequeñas. Carecen de pared celular y de plastos. Presentan centriolos. Las estructuras de movimiento son habituales (cilios y flagelos). El núcleo ocupa, con frecuencia, una posición central. Células eucariotas vegetales Forma habitualmente prismática. Grandes vacuolas. Presentan cloroplastos y pared celular. El resto de los orgánulos son, en general, comunes con la célula animal. No poseen centrosoma. En general, sin estructuras de movimiento. El núcleo suele estar desplazado hacia la periferia. UD 1 – pág. 11 3.2.3. Los Orgánulos Celulares Estructura general de las células eucariotas: Membrana celular o plasmática: límite propio de la célula. Posee mecanismos de transporte para que los nutrientes y los productos de desecho puedan pasar a través de ella. Núcleo: delimitado por una membrana doble, en él se encuentra el ADN de la célula, que contiene el "programa" específico de cada célula o ser vivo. Citoplasma: cuerpo celular, espacio delimitado por las membranas plasmática y nuclear. Es un líquido (citosol) en el que flotan y se mueven diferentes orgánulos, con un entramado de fibras que forman el citoesqueleto. Orgánulos celulares: compartimentos especializados en realizar una función concreta. Son los siguientes: – Ribosomas: orgánulos de pequeño tamaño encargados de sintetizar las proteínas siguiendo las instrucciones del ADN. – Retículo endoplasmático: conjunto de canales y tubos que se extiende por el citoplasma. Realiza varias funciones: síntesis de lípidos, captación de proteínas, almacenaje de sustancias y distribución a todas las zonas de la célula. Puede llevar adosados en sus paredes ribosomas, y entonces se llama retículo endoplasmático rugoso (RER). – Aparato de Golgi: pequeños sacos aplanados donde las sustancias sintetizadas en el retículo endoplasmático acaban de formarse y finalmente se introducen en vesículas, normalmente para ser segregadas al exterior o para formar lisosomas. – Lisosomas: pequeñas vesículas con enzimas digestivos, capaces de degradar las sustancias procedentes del exterior, así como los orgánulos en desuso. – Vacuolas y vesículas: sacos de diverso tamaño que almacenan diferentes tipos de sustancias. – Mitocondrias: orgánulos de doble membrana en los que se realiza la respiración celular, es decir, la reacción de sustancias orgánicas (nutrientes) con el oxígeno, produciendo la energía necesaria para realizar las funciones vitales de la célula. Ecuación global de la respiración celular: C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + ATP Orgánulos exclusivos de las células animales: – Centrosoma: orgánulo formado por un par de cilindros (centriolos) constituidos por tubos de proteínas. Tiene diversas funciones como elaborar el esqueleto de la célula (citoesqueleto), estructuras de movimiento (cilios y flagelos) o intervenir en la división celular. Orgánulos exclusivos de las células vegetales: – Pared celular: cubierta rígida que da forma y protección a la célula vegetal, envolviendo la membrana celular. Está formada fundamentalmente por celulosa (un glúcido). – Cloroplastos: orgánulos de doble membrana en los que se realiza la fotosíntesis, es decir, la obtención de materia orgánica a partir de moléculas inorgánicas utilizando la energía de la luz solar. Ecuación global de la fotosíntesis: 6 CO2 + 6 H2O + Esolar C6H12O6 + 6 O2 ↑ UD 1 – pág. 12 22. Indica para cada orgánulo su nombre y qué tipo de células se encuentra: Orgánulo Características Nombre: En células: Nombre: En células: Nombre: En células: Nombre: En células: Nombre: En células: Nombre: En células: 23. Lee el texto y luego contesta: Una manera de imaginarse la complejidad de algo aparentemente tan sencillo como una célula es compararla con una gran fábrica. Al igual que la función de una fábrica es elaborar productos -o bien energía- a partir de materias primas, en una célula entra materia bruta (los nutrientes procedentes de los alimentos) y se fabrican simultáneamente productos (los componentes de la célula) y energía (para realizar las funciones vitales). A este complejo proceso de fabricación lo llamamos metabolismo. La producción está organizada alrededor de diferentes cadenas de montaje situadas en distintos compartimentos de la célula (los orgánulos) y emplea a unos obreros especializados, los enzimas. Para controlar la labor de estos enzimas hay muchas moléculas reguladoras que trabajan como capataces: vigilan las tareas cuyo desarrollo está inscrito (como en el plan de producción de una factoría) en el programa genético de la célula. Sin embargo, la comparación con una fábrica tiene límites: debido a su origen (las células se pueden reproducir), debido a la cantidad de trabajos que realizan las moléculas especializadas y debido a la versatilidad y a la eficacia de sus estructuras, la célula más simple de un ser vivo es un sistema infinitamente más complejo que la más grande, moderna y sofisticada de las fábricas humanas. UD 1 – pág. 13 24. En el anterior texto imaginamos que una célula puede compararse con una fábrica, con talleres (orgánulos) y oficinas (núcleo). Relaciona cada apartado con las estructuras celulares de la derecha, colocando la letra que corresponda: A Archivo en la zona de oficinas con los planos necesarios para la fabricación de cualquier herramienta o maquinaria que se necesite. Vacuolas B Lugares dedicados a almacenamiento. ADN C Perímetro de la factoría por el que deben pasar los productos y las materias primas, bien libremente o bien a través de puertas especiales. Célula eucariota D Puertas de mayor tamaño para el paso de grandes cantidades de materiales. Membrana celular E Lugar de control y administración (oficinas). Normalmente bien diferenciado de la zona de talleres. Núcleo F Laboratorio exclusivo de determinadas factorías. Permite obtener materias primas y combustible para el funcionamiento de la fábrica. Gracias a él no es necesario importar esos productos del exterior. Poros de la membrana G Zona más grande de la factoría: alberga los talleres y ahí se realizan las operaciones transformadoras más frecuentes. En las factorías más avanzadas se divide en compartimentos especializados. Mitocondrias H Corredores de la fábrica, en ocasiones cargados de productos. Citoplasma I Compartimento especial de todas las factorías donde se queman combustibles para generar energía. Retículo endoplasmático J Cadena de ensamblaje final y empaquetado de los productos exportables. Célula procariota K Factoría primitiva, sin secciones definidas ni tabiques internos. Aparato de Golgi L Factoría más avanzada, con compartimentos especializados para un mejor rendimiento. Cloroplasto 25. Indica si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones, y corrige las respuestas falsas: Afirmación V/F Corrección (si procede) Todas las células tienen núcleo Todas las células provienen de la reproducción de otras células La célula es la unidad vital Las células procariotas carecen de membrana celular Las células procariotas carecen de información genética Existen células procariotas capaces de hacer la fotosíntesis Las células procariotas pueden formar seres pluricelulares Existen seres formados por una sola célula eucariota UD 1 – pág. 14 26. ¿Los organismos de mayor tamaño lo son porque tienen más células o porque éstas son mucho más grandes? 27. Indica el nombre de los orgánulos en el siguiente dibujo. ¿Es una célula procariota o eucariota? ¿Es una célula animal o vegetal? 28. Relaciona cada orgánulo con las funciones correspondientes. Letra Funciones Letra Orgánulos A Síntesis de proteínas Membrana celular B Regula las funciones de la célula Ribosomas C Fotosíntesis Lisosomas D Fabricación y circulación de sustancias Aparato de Golgi E Digestión celular Núcleo F Separa la célula del medio que la rodea Mitocondrias G Orgánulo donde se lleva a cabo la respiración celular Cloroplastos H Incorpora y libera distintos productos que la célula fabrica en el retículo endoplasmático Retículo endoplasmático UD 1 – pág. 15 29. Hay células capaces de suicidarse. Averigua cómo lo hacen. 30. Las células de las glándulas están especializadas en la producción y secreción de determinadas sustancias, como puede ser la leche de las glándulas mamarias, la saliva de las glándulas salivares o los jugos gástricos de las glándulas digestivas. ¿Qué orgánulos celulares estarán más desarrollados y serán más abundantes en estas células? ¿Por qué? 31. ¿Qué orgánulo celular deberá estar presente en gran cantidad en células que necesitan un gran gasto energético como una célula del corazón o una célula muscular? ¿Por qué? 32. ¿En qué consiste la fotosíntesis? 33. ¿En qué consiste la respiración celular? 34. Actividad práctica: observación de diversos tipos de células eucariotas. UD 1 – pág. 16 4. El Núcleo y el Ciclo Celular La célula es la unidad reproductora de los seres vivos. A lo largo de su vida las células se nutren y aumentan de tamaño. Cuando una célula alcanza el tamaño idóneo normalmente da lugar a dos células semejantes a la célula original. El período de tiempo desde que una célula "nace" hasta que se reproduce se conoce como ciclo celular. El ciclo celular consta de dos períodos: Interfase: es el período más largo del ciclo celular; en él la célula aumenta de tamaño, realiza su actividad normal y al final duplica su material genético o ADN. División celular: la célula se divide y origina dos células, es decir, se reproduce. El núcleo celular presenta un aspecto muy diferente según la célula esté en interfase o esté en período de división. 4.1. El Núcleo en Interfase El componente mayoritario del núcleo es el ácido desoxirribonucleico (ADN), que contiene la información necesaria para todas las características y funciones celulares. El ADN tiene una estructura formada por dos largas cadenas de nucleótidos dispuestas en una doble hélice. El ADN en interfase se organiza formando la cromatina, un conjunto de fibras o moléculas de ADN dispersas por el núcleo. En este período las moléculas de ADN se duplican, es decir, al final de la interfase hay dos copias exactas de cada molécula de ADN. 4.2. El Núcleo en División Durante la división celular cada molécula de ADN de la cromatina, con su correspondiente copia, se organiza empaquetándose hasta hacerse visible al microscopio como un bastoncito doble, denominado cromosoma. Por tanto, la cromatina y los cromosomas son la misma sustancia (ADN) pero con distinto grado de empaquetamiento. Cada cromosoma tiene dos moléculas idénticas (cromátidas), como resultado de la duplicación del ADN en la interfase, unidas por una región muy estrecha, el centrómero. Un gen es un pequeño fragmento de ADN que contiene la información necesaria para un determinado carácter de un individuo (por ejemplo el color de ojos). Las distintas secuencias de un gen (alelos) producen manifestaciones distintas para ese carácter (por ejemplo: color de ojos azules, verdes, pardos,…). 35. Indica si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones y corrige las respuestas falsas: Afirmación V/F Corrección (si procede) Una célula tiene la misma cantidad de ADN al inicio y al final de la interfase Cromosomas y cromatina están formados por la misma sustancia, el ADN, pero con distinto grado de empaquetamiento Cromatina y cromátida es lo mismo Un cromosoma puede considerarse como un conjunto de genes UD 1 – pág. 17 36. ¿Por qué los cromosomas tienen dos partes iguales? Razona la respuesta. 4.3. El Cariotipo Es el conjunto de cromosomas de una célula o de una especie. También se utiliza este término para referirse a la disposición ordenada de estos cromosomas según su tamaño y forma. En el cariotipo se distinguen dos tipos de cromosomas: Heterocromosomas o cromosomas sexuales: es un par de cromosomas, diferentes uno del otro. Intervienen en la determinación del sexo y portan información para caracteres ligados al sexo. Uno de ellos se denomina X y el otro Y. En los humanos, las mujeres tienen dos cromosomas X, son XX; los hombres son XY, ya que sus células tienen un cromosoma X y otro Y. Autosomas: constituyen el resto de los cromosomas y son iguales en los dos sexos. Portan información para los caracteres funcionales y estructurales del cuerpo. Las células de los organismos de la misma especie tienen el mismo número de cromosomas, con un tamaño y una forma característica. Las células humanas poseen 46 cromosomas, de los que 22 pares son autosomas y 1 par son cromosomas sexuales. En la siguiente tabla se muestra el número de cromosomas para varias especies animales: Especie Mosca Paloma Caracol Gato Cerdo Perro Oveja Humano Número de cromosomas 5 16 24 38 40 78 54 46 UD 1 – pág. 18 37. Basándose en la tabla anterior y el cariotipo de la ilustración, contesta: ¿A qué especie pertenece el cariotipo? ¿Por qué? ¿El cariotipo es de un macho o de una hembra? ¿Por qué? ¿Hay alguna anomalía en el cariotipo? ¿Qué puedes decir acerca de la forma de los cromosomas? 38. Lee el texto y luego contesta: ¿Cómo es posible que el ADN contenga la información para las características de un ser vivo? El mensaje del ADN está codificado por cuatro nucleótidos distintos, similar a un alfabeto de únicamente cuatro letras: A, G, C y T. La combinación de tres letras (triplete de nucleótidos) sería semejante a una palabra. La combinación de palabras (tripletes), equivaldría a una frase que contiene el mensaje o información para los caracteres de un ser vivo (color de los ojos, altura, color del pelo, etc.). Esto sería un gen. Por tanto, si varía una letra (nucleótido), puede variar también el mensaje de la frase. De forma similar, si varía el gen variará la información para ese carácter. Las frases (genes) se agrupan y forman libros, los cromosomas. 46 cromosomas o libros contienen la información de un ser humano. Si comparamos las unidades del ADN con las letras de nuestro alfabeto, podemos suponer que la siguiente frase "hiciste un gran boceto" no contiene el mismo mensaje que decir "hiciste un gran boleto". De forma similar, si varía un nucleótido del ADN variará el gen (frase) y por tanto el mensaje que va a expresar ese gen, que contiene las instrucciones de funcionamiento de los seres vivos. El conjunto de genes (fragmentos de ADN) determinan las características de los seres vivos. El genoma humano, es decir, todo el ADN humano, fue secuenciado en abril de 2003, y como se dijo en aquel momento, se secuenció el "libro de la vida". 39. Compara la información contenida en el ADN con la contenida en un libro completando la siguiente tabla: Libro ADN Letras Palabras Frases Capítulos Libro UD 1 – pág. 19 4.4. Células Diploides y Células Haploides Si observamos el cariotipo de una célula animal o vegetal, se observa que está formado normalmente por parejas de cromosomas morfológicamente similares; los cromosomas de cada par se denominan cromosomas homólogos, y las células que tienen los cromosomas por pares se denominan células diploides y se representan por 2n. Las células que sólo tienen un juego de cromosomas (un ejemplar de cada tipo) se denominan células haploides y se representan por n. Los cromosomas homólogos contienen información para los mismos caracteres, aunque esta información no tiene por qué ser la misma, ya que cada cromosoma homólogo del par procede de un progenitor. Por ejemplo, en la especie humana cada célula diploide contiene 23 cromosomas de origen materno y otros 23 de origen paterno (23 pares de homólogos), que fueron aportados por los gametos femenino y masculino, respectivamente, en la fecundación. Las células gaméticas (óvulos y espermatozoides) sólo poseen un juego de cromosomas. 40. Indica la diferencia entre una célula diploide y una célula haploide. 41. ¿Cuál será el número haploide de cromosomas en un perro? 42. ¿Qué ocurriría si los gametos humanos fuesen células diploides? 5. La Célula se Divide Todas las células que forman el cuerpo de un organismo proceden de divisiones sucesivas del cigoto (óvulo fecundado) durante el desarrollo embrionario, y en todas ellas se puede comprobar que el cariotipo es idéntico. La división celular por mitosis garantiza que las células hijas tengan los mismos cromosomas que la célula progenitora y, por tanto, la misma información hereditaria. 5.1. Mitosis La mitosis es un proceso común a todo tipo de células eucariotas, mediante el cual se asegura que las células hijas reciban los mismos cromosomas que la célula madre y, por tanto, la misma información genética. En los organismos unicelulares, cuando una célula se divide aumenta también el número de individuos, por lo que la división celular implica una reproducción. Pero en los organismos pluricelulares, la división por mitosis tiene como finalidad solamente el crecimiento del individuo o sirve para renovar los tejidos que están dañados o viejos y, así, las nuevas células son idénticas a las que se sustituyen. UD 1 – pág. 20 El proceso de la mitosis es un proceso continuo, pero para su estudio se divide en cuatro fases: Profase: la cromatina, que estaba dispersa en el núcleo, se organiza y se condensa haciéndose visibles los cromosomas. Como sabemos, los cromosomas son dobles, formados por dos cromátidas idénticas, y unidos por el centrómero. La membrana nuclear desaparece y los cromosomas se dispersan por toda la célula. Metafase: los cromosomas se disponen en el plano ecuatorial de la célula, arrastrados por las fibras del huso mitótico. Anafase: en cada cromosoma los centrómeros se escinden y las cromátidas se separan. Las cromátidas de cada cromosoma se dirigen a un polo opuesto de la célula. Al final de la anafase habrá el mismo número de cromosomas en cada extremo celular, formados cada uno de ellos por una sola cromátida. Telofase: se forma una nueva membrana nuclear rodeando a cada grupo de cromátidas en los polos celulares y comienza la división del citoplasma. Profase inicial y final Metafase Anafase Telofase Después de finalizada la división del núcleo por mitosis (cariocinesis), el citoplasma se divide (citocinesis), se reparten los orgánulos y se completa así el proceso de división celular. 43. Identifica las etapas de la mitosis de la siguiente fotografía: 1 6 2 7 3 8 4 9 5 10 UD 1 – pág. 21 44. Tenemos una célula diploide de 10 cromosomas (2n = 10) que se va a dividir: ¿Cuántas moléculas de ADN (cromátidas) tiene? ¿Cuántas moléculas de ADN tendrá cada núcleo hijo? ¿Qué le pasó en cuanto al número de moléculas de ADN desde que se inicia la mitosis hasta que finaliza? ¿Serán idénticas las células hijas a la célula original? ¿Por qué? 45. ¿Cuál es el origen de las dos cromátidas de un cromosoma que son visibles durante la división celular? 46. Si las células hijas obtenidas al final de la mitosis se volvieran a dividir, ¿qué le debería suceder al material genético en la interfase? 47. ¿Alguna célula humana es capaz de realizar la mitosis? Razona la respuesta. 48. ¿Para qué sirve la mitosis en un ser unicelular eucariota? 49. ¿Para qué sirve la mitosis en un ser pluricelular? UD 1 – pág. 22 50. Los gametos no se pueden originar por mitosis, ¿por qué? 51. Actividad práctica: observación de la mitosis en células vegetales. 5.2. Meiosis La meiosis permite que se reduzca el número de cromosomas a la mitad para formar los gametos, de manera que con la fecundación se mantenga constante el número de cromosomas de la especie. Para la reproducción sexual de un organismo pluricelular tienen que ocurrir tres procesos diferentes: Gametogénesis: formación de los gametos (haploides) a partir de células germinales (diploides). Fecundación: dos gametos de distintos sexos se unen y originan una nueva célula denominada cigoto (célula huevo). Desarrollo embrionario: procesos por los que un cigoto se desarrolla y transforma para dar lugar a un individuo. Tiene lugar por sucesivas mitosis. La fecundación implica un problema, ya que al unirse los núcleos de los gametos se unen sus dotaciones cromosómicas. Si los gametos tuvieran 46 cromosomas, el cigoto tendría 92 y daría lugar a nuevos individuos con 92 cromosomas; con cada generación el número de cromosomas se duplicaría y esto haría inviables a los individuos. Para mantener la estabilidad en el número de cromosomas, los gametos se originan por un mecanismo especial de división celular: la meiosis. Mediante este tipo de división, a partir de una célula germinal diploide se obtienen cuatro células gaméticas haploides. En la meiosis, de cada célula progenitora se obtienen cuatro células hijas tras dos divisiones consecutivas de la célula, pero sólo se produce una duplicación del ADN en el período anterior a la meiosis (interfase), de ahí que las células hijas resulten haploides. En cada división celular de la meiosis se producen acontecimientos similares a la mitosis, pero también otros muy diferentes que detallamos a continuación. UD 1 – pág. 23 Primera división meiótica Se diferencia de la mitosis en lo siguiente: Cada cromosoma se empareja con su homólogo y forma un grupo de cuatro cromátidas. En el plano ecuatorial se disponen juntas las parejas de homólogos (no los cromosomas individuales). Cada cromosoma homólogo migra en la anafase a un extremo opuesto, a diferencia de la mitosis, en que se separaban cromátidas. Se forma una nueva membrana nuclear en cada polo de la célula que rodea cada grupo de cromosomas, a diferencia de la mitosis, en que rodeaba a cada grupo de cromátidas. Al final de la primera división meiótica, se obtienen dos células con la mitad de cromosomas que la célula original, pero cada cromosoma tiene dos cromátidas. Al final de la mitosis se obtenían dos células con los mismos cromosomas que la célula original, pero cada cromosoma tenía una sola cromátida. Segunda división meiótica Tiene lugar en cada célula hija de la división anterior, justo después de la primera división. Los cromosomas que la inician están formados por dos cromátidas y los acontecimientos que tienen lugar son similares a los de la mitosis. En la anafase II se separan las cromátidas de cada cromosoma homólogo y migran a extremos opuestos de la célula donde van a ser rodeados por una nueva membrana nuclear. Al final de la meiosis se obtienen cuatro células que contienen la mitad del número de cromosomas de la célula original, es decir, se obtienen cuatro células gaméticas haploides. Profase II Metafase II Anafase II Telofase II 52. Si una mujer y un hombre tienen un hijo, ¿cuántos cromosomas tenían el espermatozoide y el óvulo? ¿Cuántos cromosomas tiene el hijo? 53. ¿Puedes explicar con claridad qué es la meiosis? ¿Por qué es necesaria en los organismos con reproducción sexual? UD 1 – pág. 24 54. Una célula con 2n=4 comienza una meiosis. ¿Cuántas cromátidas tiene cada cromosoma al comienzo del proceso? ¿Cuántas células hay al final de la primera división meiótica? ¿Cuántos cromosomas tiene cada célula? ¿Cuántas cromátidas tiene cada cromosoma? 55. ¿Cuántas células hay al final de la segunda división meiótica? ¿Cuántos cromosomas tiene cada célula? ¿Cuántas cromátidas tiene cada cromosoma? 56. ¿Cuántas cromátidas, en total, hay al principio de la división meiótica? ¿Y al final? 57. Indica las semejanzas y las diferencias entre la mitosis y la meiosis según el siguiente esquema: Mitosis Meiosis UD 1 – pág. 25 6. La Ingeniería Genética y sus Aplicaciones La ingeniería genética constituye un campo con espectaculares avances en los últimos años. Básicamente, las investigaciones se centran en las modificaciones del patrimonio genético de los organismos, introduciéndoles genes que les aportan nuevas características o modificando los ya existentes. Se denomina organismo genéticamente modificado (OGM) a aquel cuyo genoma fue modificado, alterando sus propios genes o insertando genes procedentes de otras especies (organismo transgénico). Las grandes áreas en que se emplean las técnicas de ingeniería genética son las siguientes: Medicina y Farmacología: para la obtención de sustancias terapéuticas como antibióticos, vacunas, hormonas (como la insulina necesaria para los diabéticos), factores de coagulación para los hemofílicos, etc. Agricultura: para la obtención de plantas transgénicas de mayor rendimiento, más resistentes o de mejor calidad nutricional. Ganadería: la clonación de animales suele ir asociada a la ingeniería genética, en la búsqueda de un avance ganadero o con aplicaciones biomédicas. Protección ambiental: con el objetivo de desarrollar nuevos organismos que colaboren en la limpieza del medio ambiente. 58. ¿Qué es la ingeniería genética? 59. ¿Qué es un organismo transgénico? 60. Indica las áreas de aplicación de la ingeniería genética. UD 1 – pág. 26 6.1. Aplicaciones en Microorganismos Aplicaciones médicas y farmacológicas. La técnica de ingeniería genética del ADN recombinante permite identificar y aislar un gen concreto, ya conocido y de efectos deseados, y transferirlo a una célula de otra especie, generalmente una bacteria, que lo incorpora como si fuera propio, y serán estas bacterias las que fabriquen el producto deseado que es codificado por el gen. Con esta tecnología se producen moléculas muy útiles para nuestra especie, como la insulina, la hormona de crecimiento, factores sanguíneos de coagulación, antibióticos, interferón y algunas vacunas como las de la hepatitis A y B. Aplicaciones ambientales. Cada vez es más habitual el uso de microorganismos genéticamente modificados para algunas aplicaciones ambientales, como por ejemplo las bacterias utilizadas para la limpieza del fuel derramado por el Prestige en nuestras costas. Aunque estas bacterias de forma natural ya degradan derivados del petróleo, la ingeniería genética les confiere una mayor resistencia a determinadas condiciones ambientales de la zona afectada. También se están desarrollando nuevas técnicas usando bacterias modificadas genéticamente capaces de degradar residuos de origen industrial, agrícola o urbano, así como limpiar aguas o suelos contaminados con metales pesados; por ejemplo las utilizadas para descontaminar el entorno del Parque Nacional de Doñana a raíz del accidente de las minas de Aznalcóllar (1998). 61. ¿En qué consiste la técnica del ADN recombinante? 62. ¿Qué aplicaciones tiene en farmacología la ingeniería genética? 63. ¿La ingeniería genética constituye una prueba de que el ADN lleva la información genética? 64. ¿Qué ventajas tiene la producción de diversas moléculas por las bacterias modificadas? UD 1 – pág. 27 65. ¿Cuáles son las posibles aplicaciones ambientales de la ingeniería genética? 6.2. Aplicaciones en la Agricultura: Plantas Transgénicas Una planta transgénica es aquella a la que se le introdujo un gen procedente de otro organismo y que, después de incorporado a su genoma, modifica alguna de sus características. De este modo, las plantas transformadas presentan nuevas características como por ejemplo: Resistencia a parásitos o a depredadores, introduciéndoles genes que producen toxinas, como en el caso del maíz transgénico frente a orugas y escarabajos. Resistencia a herbicidas: la soja, el algodón y el maíz transgénicos resisten las altas concentraciones de herbicidas que se echan en los campos para erradicar malas hierbas. Crecimiento más rápido o resistencia a condiciones ambientales adversas. A medida que se identifiquen nuevos genes, las plantas transgénicas podrán ser más resistentes al frío o a la sequía, o tolerar suelos salinos o altamente contaminados. Incluso se les podría introducir genes humanos, lo que permitiría obtener determinadas proteínas humanas de uso farmacológico. Sin embargo, existen activos detractores de estas técnicas que destacan los riesgos para el medio y para la salud de las personas, con diversas consecuencias: Pérdida de biodiversidad: las plantas transgénicas pueden invadir ecosistemas naturales y desplazar a las plantas autóctonas. "Salto" de manera accidental de los genes transferidos a otras especies silvestres. Podrían aparecer malas hierbas resistentes a herbicidas o bacterias patógenas resistentes a los antibióticos. Efectos perjudiciales para la salud, como problemas alérgicos. Repercusiones socioeconómicas globales para los pequeños labradores. 66. ¿Qué es una planta transgénica? 67. Analiza las ventajas y los inconvenientes de la utilización de plantas transgénicas y manifiesta tu punto de vista al respecto. UD 1 – pág. 28 6.3. Aplicaciones en Animales: Clonación Se está investigando la producción de animales clónicos y transgénicos, al mismo tiempo. Clonar un organismo significa hacer una o varias copias idénticas genéticamente a la original. Se distinguen dos tipos de clonación, la reproductiva y la terapéutica (que no trataremos). Clonación reproductiva en animales Este tipo de clonación tiene como objetivo conseguir individuos idénticos genéticamente entre sí. Existen varios métodos de clonación. Hasta julio de 1996 se partía de un cigoto, resultado de la fecundación de un óvulo y de un espermatozoide, y después de la primera división se implantaba cada célula hija en madres portadoras para obtener clones. El nacimiento de la oveja Dolly fue revolucionario, porque fue el primer mamífero clonado mediante una técnica conocida como transferencia nuclear. Esta técnica se basa en la utilización de un óvulo enucleado al que se le implanta el núcleo de una célula diferenciada extraída del individuo a clonar. Posteriormente la técnica se aplicó en otros tipos de mamíferos, como cerdos, ratones, cabras o gatos, pero sólo un pequeño porcentaje de los embriones clonados por transferencia nuclear fue capaz de desarrollarse con normalidad. De hecho, la oveja Dolly fue sacrificada por serios problemas orgánicos y de desarrollo. Las aplicaciones de la ingeniería genética en animales son diversas: Avances en la producción ganadera: se está investigando la obtención de ejemplares de animales de mayor valor productivo (mayor producción de leche, mejor calidad de la carne o mayor velocidad de crecimiento). Conservación de especies en peligro de extinción o incluso de animales de compañía. Aplicaciones médicas o farmacológicas: – Obtención de fármacos: combinando la clonación con la modificación genética, se pueden obtener clones de animales productores de medicinas, como por ejemplo, clones de cabras que contienen en su leche proteínas medicinales para tratar determinadas enfermedades de los seres humanos. – Xenotrasplantes: obtención de órganos animales (cerdos) con genes humanos para no ser rechazados en trasplantes. – Alimentación: animales con carnes y huevos con menor contenido en colesterol y grasas. La manipulación genética en animales, igual que en las plantas, abre un debate ético por las posibles repercusiones sociales, económicas y sanitarias. Fue el caso de las investigaciones para xenotrasplantes a partir de cerdos, lo que supuso una moratoria al descubrirse que con frecuencia los cerdos son portadores de virus que podrían provocar que alguna variante vírica pudiera afectar al ser humano. 68. ¿Qué es la clonación reproductiva? UD 1 – pág. 29 69. ¿Qué aporta la clonación a la problemática de los rechazos en los trasplantes de órganos? 70. Cita ejemplos de utilidades de los animales transgénicos y manifiesta tu punto de vista al respecto. UD 1 – pág. 30 Anexo I. Célula eucariota animal UD 1 – pág. 31 Anexo II. Célula eucariota vegetal UD 1 – pág. 32
