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Origen de la Vida

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Origen de la Vida

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¿Qué es la vida?

• Un sistema químico que atraviesa procesos evolutivos y transforma diversos tipos de energía desde el medio ambiente para mantener su metabolismo.

• Requiere:

• Energía libre.

• Moleculas orgánicas.

• Agua líquida (?).

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¿Como se origino la vida?

No hay un verdadero modelo "estándar" del origen de la vida.

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Teorías del origen de la Vida 1. Creacionista: Todas las vidas fueron creadas por Dios. Para

habitar en estos lugares.

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2. Generación Espontánea: Si bien los seres vivos se reproducen entre sí , algunas formas de vida más simples pueden aparecer espontáneamente de los restos de otros seres vivos descompuestos o del barro.

Experimento de Redi 1668

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3. Cozmozoica o Panspermia: La vida se origina fuera del planeta. En la década de los 60 cobra fuerzas la Litopanespermia, los microorganismos viajaron desde el espacio protegidos en el interior de meteoritos.

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4. Teoría de la abiogénesis (teoría más aceptada actualmente): propone que la vida surge a partir de materia inanimada no como un proceso espontáneo sino como consecuencia de una larga cadena de transformaciones de la materia. En el transcurso de esta evolución química, pudieron surgir las reacciones de metabolismo y reproducción.

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Conforme la Tierra iba creciendo se fueron fundiendo las rocas.

Los elementos pesados se dirigieron al interior, Fe y Ni.

Los elementos ligeros se dirigieron a la superficie formando las rocas, Al, Si y Mg,

Mientras que los gases pocos reactivos como el N, Ne y Ar se volatilizaron formando la atmósfera primaria.

Formación de la atmósfera primitiva

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Pero esta atmósfera duró poco ya que de repente vino un gran viento solar que lo barrió todo. Entonces comenzó la era del vulcanismo y brotaron de la Tierra una serie de gases que formaron la verdadera atmósfera primitiva.

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Atmósfera primitiva

Fuertemente reductora con grandes cantidades de NH3,

CH4, H2,,CO2, H2O.

Atmósfera actual

Oxidante con altas concentraciones de

O2 y N2.

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Características del joven planeta

Ausencia de Oxígeno

Atmósfera reductora

Tormentas eléctricas

Bombardeo de Meteoritos

Ingreso abundante de luz ultravioleta

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Gracias a esta sucesión de estados de energía, constantemente se formaban y destruían

combinaciones de moléculas.

A medida que los microambientes se fueron

estabilizando pudieron formarse cadenas de moléculas

cada vez más complejas y durante más tiempo.

Sin oxígeno en la atmósfera que reaccionase y

destruyese, los aminoácidos, nucleótidos, azúcares

sencillos e incluso ATP pudieron formarse y

permanecer juntos en disolución.

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La “rica sopa”: los coacervados

Sostenía: el carbono arrojado por los volcanes se combinó con vapor de agua, formando hidrocarburos. En el océano, esas moléculas se hicieron más complejas y se amontonaron en gotitas llamadas coacervados -acervus, en latín, significa montón-. De a poco, los coacervados fueron adquiriendo las características de las células vivas

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Stanley Miller prueba la hipótesis de Oparin

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¿Que se produjo?

UTILIZO:

Metano

Amoniaco

Agua

Hidrógeno

Descargas eléctricas

Aumento de temperatura

RESULTADOS:

Cianuro de Hidrógeno

Aldehídos

Aminoácidos

Azúcares

Bases nitrogenadas

Ácidos grasos

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Las primeras moléculas aprovecharon la capacidad de los

lípidos de formar micelas para “protegerse” temporalmente y

formar moleculas más complejas.

Acidos nucleicos y

proteínas pequeñas

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Probiontes, coacervados y liposomas

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Para formar una célula hay tres tipos de moléculas indispensables:

1.- Moléculas autorreplicantes.

2.- Moléculas catalíticas.

3.- Moléculas anfipáticas.

DNA

Proteínas

Agua y Lípidos

Molécula original

RNA

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Ribozima: Primera entidad viviente

Un RNA con actividad catalítica

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RNA

Proteínas

RNAs adaptadores

DNA

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El DNA toma el control del almacenamiento de la información

• Es mas estable por el tipo de azúcar que presenta.

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• El uracilo es mas “barato” de sintetizar, pero genera mutaciones por remplazo de bases.

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• El almacenamiento de gran cantidad de información en el RNA no es facil.

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Las proteínas toman el control de la actividad catalítica

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• Las proteínas tienen una fidelidad mayor

en las reacciones enzimáticas.

• Las proteínas tienen mayor velocidad de

catálisis.

• Las proteínas son mas estables en el

tiempo.

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ATMOSFERA PREBIÓTICA H2 , CH4 , NH3 , H2O, CO2 y N2

SOPA PRIMORDIAL Aminoácidos, nucleótidos, ácidos grasos, azucares

MACROMOLÉCULAS COMPLEJAS Proteínas, ácidos nucleicos

PRIMEROS RNAs Primeros biopolímeros autoreplicantes y con capacidad catalítica

OTRAS MOLÉCULAS MAS EFICIENTES DNA: mejora en estabilidad

Proteínas: mejora en catálisis

PRIMERAS CELULAS

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Organización Celular

Prokaryotic flagella

Nucleoid region (DNA)

Ribosomes Plasma membrane

Cell wall

Capsule

Pili

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Organismo

Organos

Tejidos

Células

Complejos moleculares

Macromoléculas

Moléculas.

Atomos.

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La clasificación de los organismos

• Clasificación jerárquica de Linneus o el sistema

de los reinos (6).

• Reino: Animal

• Phylum: Cordados

• Clase: Mamíferos

• Orden: Primates • Familia: Hominidae

• Genero: Homo

• Especie: sapiens

• Sistema de los dominios (3).

• Procariota, Archae y Eucaria

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Dominios

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I - Monera

• Agrupa a organismos vivos que carecen

de un núcleo rodeado por membranas y

de organelas.

• Dominio: Procariota.

• Eubacterias

• Cianobacterias

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Las Eubacterias:

• Son unicelulares, aunque forman colonias o filamentos.

• El material genético esta contenido en una sola molécula circular de ADN situada en el citoplasma.

• Se reproducen asexualmente por fisión binaria, no experimentan mitosis ni meiosis.

• Poseen una pared celular que rodea la membrana.

• Algunos poseen flagelos formados por filamentos proteínicos largos.

• Ningún procariote presenta cilios.

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Bacterias móviles poseen distinto número y disposición de flagelos:

• Monotrica: un solo flagelo en un extremo

• Anfitrica: un flagelo en cada polo

• Lofotrica: dos o más flagelos en uno o ambos polos

• Peritrica: flagelos sobre toda la superficie celular

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Clasificación de las Bacterias

Caracteres utilizados para clasificar bacterias:

Morfología...tinción Gram

Bioquímica y la fisiología

Serología

Porcentaje de pares de bases G-C

Secuencias de bases del ADN y mARN

Secuencias de aminoácidos de proteínas.

Fagotipia; suceptibilidad a un grupo de

bacteriófago

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Relaciones filogenéticas de los procariotas, según la

taxonomía molecular

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Si usted fuese una bacteria:

• Usted tendría 0.001 veces tanto ADN como una célula eucariótica.

• Usted viviría en un medio con una viscosidad igual que el asfalto.

• Usted tendría un maravilloso "motor" para nadar. Desafortunadamente su motor solamente podría andar en dos direcciones y a una velocidad. Hacia adelante usted avanzaría a 50 kph. Hacia atrás su motor lo haría dar vueltas o tumbos. Usted pudiera hacer lo uno o lo otro, pero pudiera parar.

• Aunque usted pudiera "aprender", usted se dividiría cada veinte minutos y tendría que comenzar su educación de nuevo.

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Si usted fuese una bacteria: • Usted pudiera hacer el amor, con machos que poseen un aparato sexual

para transferir información genética a hembras receptivas. Sin embargo sería difícil encontrase cuando ambos están desplazándose a 50 kph. Además si usted es macho, la naturaleza le dio a usted un grave problema. Cada vez que usted se aparea con una hembra, ésta se vuelve un macho. En las bacterias la virilidad es una enfermedad venérea contagiosa.

• También, con alta frecuencia, mutaciones espontáneas causan que usted se transforme en una hembra.

• Usted puede ser el que ríe último. Usted ha pasado 3.500 millones de años practicando la guerra química. Los humanos tenían los antibióticos que terminaban con las enfermedades infecciosas, pero el mal uso de las drogas ha resultado en la selección de bacterias resistentes a las drogas. Ellos no se dan cuenta que esta sólo fue la primera batalla, y ahora la guerra está lista para comenzar.

• Los humanos piensan que está es su era. Una afirmación más acertada sería que todos vivimos en la era de las bacterias.

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Cianobacterias Son procariotos fotosintéticos

Se consideran como bacterias fotosintéticas oxigénicas

Contienen clorofila a, al igual que los eucariotas fotosintéticos.

Contienen los pigmentos:

- xantofila.- color amarillo

- ficocianina.-pigmento azul

- ficoeritrina.-pigmento rojo.

Especies de cianobacterias son doradas, amarillas pardas, rojas, verde, azules, violetas o azul-negras.

El Mar Rojo debe su nombre a las densas concentraciones de cianobacterias pigmentadas de rojo.

Pared celular no contiene celulosa

No presentan flagelos

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Las cianobacterias fijan nitrógeno en heterocistes

impermeables al oxígeno

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II - Arqueobacterias

• Es el reino más primitivo, se encuentran

hoy restringidas a hábitats marginales

como manantiales calientes, lagos de alta

salinidad o áreas de baja concentración

de oxígeno.

• Dominio: Archae.

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El arcaeón metanogenico, Methanococcus jannaschii:

• Fue aislado cerca de una “fumarola

hidrotermal” a 2,600 metros de

profundidad en el Oceano pacífico

• Habita a temperaturas de alrededor de

85 grados ºC.

• Tiene 1738 genes, 56% de los cuales

son nuevos para la ciencia.

• Tiene genes como los de las bacterias

y operones.

• Pero con sistemas de información,

procesamiento y secreción igual a los

eucariontes

• Presenta síntesis proteica eucariótica

Las Arcaea están siendo mejor entendidas.

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Clasificación basada en su

fisiología:

• Metanógenos

• Halófilos

• Hipertermófilos

Y a su ecología:

• Euryarchaeota – Halófilos extremos

– Metanógenos

– Hipertermófilos

• Crenarchaeota – Hipertermófilos dependientes de

sulfuro

• Korarchaeota – Secuencias obtenidas de

ambientes hipertérmicos.

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Metanógenos

• Presentes en el reino Euryarchaeota

• Anaerobios obligados

• Metabolismo primitivo

• Gran variedad de formas: – Bacilos cortos

– Bacilos largos

– Cocos

– Cocos irregulares

– Cocos irregulares agregados

– Bacilos en filamentos

Methanococcus

Methanosarcina

Methanosarcina

Methanospirillum

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Metanógenos

• Habitats:

– Sedimentos anóxicos

– Tractos digestivos de animales

• Rumen de ganado

• Intestino grueso de animales monogástricos como

humano, cerdo y perro.

• Intestino de insectos (ej. Termitas)

– Fuentes geotérmicas de H2 y CO2

– Instalaciones de biorremediación de aguas

– Endosimbiontes de varios protozoarios

anaerobios

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Importancia

• Formación de depósitos de gas fósil, útil

como combustible (gas natural).

• Producción de metano en las vacas lo que

contribuye al efecto invernadero.

• Necesarios para la digestión, disminuyen

la acidez del tracto.

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Halófilos extremos

• Aerobios con metabolismo respiratorio (ac. Orgánicos y a.a.).

• Algunas cepas pueden crecer anaeróbicamente por fermentación o respiración anaerobia.

Adaptaciones especiales:

• Balance hídrico

– Bomba K+ (introduce K+ hasta compensar la concentración externa de Na+)

– Na+ necesario para la integridad celular (pared de glicoproteínas rica en a.a. negativos)

– Proteínas citoplasmáticas requieren K+

• Condiciones de baja aereación

– Bacteriorodopsina (ATP, incorpora H y nutrientes, saca Na+ )

• Pueden sobrevivir con pequeñas cantidades de O2.

• Altas concentraciones de sal de NaCl.

• Rodopsina

• No fotosíntesis.

Haloarcula

Halobacterium

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Figure 3. Halobacterium salinarium is an extreme halophile

that grows at 4 to 5 M NaCl and does not grow below 3 M

NaCl. This freeze etched preparation shows the surface

structure of the cell membrane and reveals smooth patches

of "purple membrane" (bacteriorhodopsin) embedded in

the plasma membrane.

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Hipertermófilos

• Hay representantes en los tres grupos de

Archaea.

• Requieren altas temperaturas para vivir (desde

85ºC en adelante, se han reportado

temperaturas de hasta 120ºC).

• Sus membranas y enzimas son termoestables.

• Muchas requieren S para su metabolismo

(oxidadoras de sulfuros y reductoras de sulfatos

= litótrofas con respiración anaerobia)

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Hipertermófilos

• Ejemplos interesantes

– Thermus aquaticus (Taq polimerasa)

Sulfolobus Thermoproteus

Thermococcus

Pyrodictium

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III - Protista

• Es el primero de los reinos eucariotas, los

organismos aquí agrupados poseen

núcleo verdadero y organelas.

• Dominio: Eucariota.

• Algas

• Euglenoides

• Ciliados

• Protozoarios

• Flagelados.

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Los ecucariontes con “sólo”1.2 billones de años de evolución

son más diversos morfológicamente pero han “usado” algunas

de las invenciones metabólicas procariontes para vivir.

http://plantbio.berkeley.edu/~bruns/picts/fungi/edulis.jpg
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• Mitocondrias y cloroplastos proporcionan

energía a los eucariontes

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• Unicelulares, algunos coloniales, algunos con

etapas de vida multicelulares

• Mayormente microscópicos

• Todo tipo de simetría

• Reproducción asexual (mitosis) y sexual

(meiosis o intercambio nuclear)

• Eucariontes con orgánulos especializados

• De vida libre y todo tipo de simbiosis

mutualismo

comensalismo

parasitismo

Características Generales:

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Clasificación:

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Flagelos

Locomoción:

Cilios Seudópodos

http://www.botany.hawaii.edu/BOT201/Algae/Bot 201 Dinoflagellates page.GIF
http://www.ucm.es/info/parasito/Trypanosoma.jpg
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Sésiles: Diatomeas, algas rojas, verdes o marrones

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• Reproducción asexual por fisión, gemación; quistes • fisión binaria

• longitudinal

• transversal

• fisión múltiple • esquizogonia

• esporogonia

• Reproducción sexual

• Singamia

• autogamia

• conjugación

• gametos nucleares o pronúcleos

• isogametos vs. anisogametos

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IV - Fungi

• Pueden ser uni o pluricelulares, todos

heterótrofos.

• Dominio: Eucariota. • Setas

• Levaduras

• Mohos

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Características Generales:

• Con uno o más núcleos en cada célula

• Con o sin pared celular hecha de quitina o celulosa

• Con pseudotejidos

• Presentan hifas las cuales son células alargadas que componen

el micelio, que constituyen el talo o cuerpo del hongo.

• Carecen de cloroplastos

• La sustancia de reserva es el glucógeno

• Son heterótrofos

Divisiones:

Zygomycota

Ascomycota

Basidiomycota

Mixomycota

Acrasiomycota

Oomycota

Deuteromycota

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V - Plantae

• Multicelulares, todos ellos autótrofos, se

encuentran en la base de toda cadena

alimenticia.

• Dominio: Eucariota.

• Briofita (musgos)

• Pteridofitas (helechos)

• Gymnospermas

• Angiospermas

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VI - Animalia

• Heterótrofos, multicelulares, con capacidad

de movilizarse, pueden ser subdivididos en

herbívoros y carnívoros

• Dominio: Eucariota.

• Invertebrados

• Vertebrados

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¡En los humanos hay 1.000’000.000’000.000 células, comprendidas en 200 clases de tejidos!

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Tipos de células

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PROCARIOTAS EUCARIOTAS PRO: antes CARIO: núcleo EU: verdadero CARIO: núcleo

NO envoltura nuclear SI envoltura nuclear

ADN desnudo ADN asociado a proteínas

ADN circular cerrado ADN lineal

Una o dos moléculas de ADN Muchas moléculas de ADN

NO nucleolos Uno o más nucleolos

Transcripción y Traducción simultánea Eventos separados

NO modificaciones postranscripción Modificaciones postranscripción

Genes dispuestos en operones Ausencia de operones

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Todas las células comparten dos características esenciales:

• La presencia de una membrana externa

• El material genético que regula las actividades celulares y la herencia

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Bioelementos y Biomoléculas

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Organismo

Organos

Tejidos

Células

Complejos moleculares

Macromoléculas

Moléculas.

Atomos.

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Atomos

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Hidrógeno

Oxígeno

Carbono

Nitrógeno

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Elementos esenciales para la vida

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Un átomo es la unidad más pequeña que retiene las

propiedades de un elemento.

Los átomos al ganar o perder electrónes presentan

carga.

Los átomos presentan isótopos que difieren en el numero

de neutrones.

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Condiciones de Esencialidad

• La ingesta insuficiente provoca deficiencias funcionales,

reversibles si el elemento vuelve a estar en las

concentraciones adecuadas.

• Sin el elemento, el organismo no crece ni completa su

ciclo vital.

• El elemento influye directamente en el organismo y está

involucrado en sus procesos metabólicos.

• El mismo efecto en el organismo no puede ser

conseguido por ningún otro elemento.

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Unos pocos elementos constituyen el mayor

porcentaje de la masa de los seres vivos

Cerca del 65% de

tu peso esta dado

por átomos de

oxígeno.

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• Los elementos traza son esenciales para la salud.

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ELEMENTO Símbolo Rol Biologico

Azufre (S) Important in protein structure: Sulfide bonds are strong.

Calcio (Ca) Bone; muscle contraction

Carbono (C) Constituent(backbone) of organic molecules

Cloro (Cl) Digestion and photosynthesis

Cobre (Cu) Part of Oxygen-carrying pigment of mollusk blood.

Flúor (F) For normal tooth enamel development

Fósforo (P) High energy bond in ATP.

Hidrogeno (H) Part of water and all organic molecules

Hierro (Fe) Hemoglobin, oxygen caring pigment of many animals

Iodo (I) Part of thyroxine (a hormone)

Magnesio (Mg) Part of chlorophyll.

Manganeso (Mn) Essential to some enzyme actions.

Nitrógeno (N) Constituent of all proteins and nucleic acids.

Oxigeno (O) Respiration; part of water; and in nearly all organic molecules.

Potasio (K) Generation of nerve impulses.

Selenio (Se) For the working of many enzymes.

Sílice (Si) Diatom shells; grass leaves.

Sodio (Na) Part of Salt; nerve conduction

Zinc (Zn) Essential to alcohol oxidizing enzyme.

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El carbono es un átomo muy versátil.

Presenta 4 electrones desapareados en su

última capa

Al interactuar con otros elementos puede formar

enlaces covalentes

Formula estructural

Modelo de esferas-varas

Modelo espacial

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AGUA

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Estructura del agua

• 2 Hidrógenos y 1

Oxígeno formando

enlaces covalentes

• Distribución asimétrica

de sus electrones

• Molécula polar

• Interacciones dipolo-

dipolo esta dada por

puentes de hidrógeno.

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Cual es hielo y cual

agua?

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Significancia biológica de que el hielo flote

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El agua tiene

cohesión

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El agua es el solvente de la vida

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Propiedades del agua

1. Acción disolvente

2. Elevada fuerza de

cohesión

3. Elevada fuerza de

adhesión

4. Gran calor específico

5. Elevado calor de

vaporización

Líquido casi incomprensible.

Protección ante los cambios

de temperatura

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Funciones del agua

1. Soporte o medio donde ocurren las reacciones

metabólicas

2. Amortiguador térmico

3. Transporte de sustancias

4. Lubricante, amortiguadora del roce entre órganos

5. Favorece la circulación y turgencia

6. Da flexibilidad y elasticidad a los tejidos

7. Puede intervenir como reactivo en reacciones del

metabolismo

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Osmosis Difusión pasiva caracterizada por el paso del agua ( disolvente )

a través de la membrana semipermeable desde la solución más

diluida ( hipotónica ) a la más concentrada (hipertónica ),

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Homeostasia Regulación de niveles hídricos

• Consumo es influenciado por

disponibilidad y necesidad

Independiente del agua que

ingerimos o se produce en

metabolismo el organismo

mantiene una cantidad aprox 70%

del peso total.

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Cantidades en ml

Oxidación de 100 g de carbohidratos 55 ml de Agua

Oxidación de 100 g de grasa 107 ml de Agua

Oxidación de 100 g de proteínas 41 ml de Agua

El volumen de agua metabólica varia dependiendo del individuo

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Sales minerales

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Funciones de las Sales minerales

Sales insolubles en agua:

Forman estructuras sólidas:

Esqueleto interno de vertebrados: fosfatos, cloruros, y carbonatos de

calcio

Caparazones de carbonato cálcico de crustáceos y moluscos.

Endurecimiento de células vegetales, como en gramíneas.

Otolitos del oído interno, formados por cristales de carbonato cálcico

Sales solubles en agua.

Se encuentran disociadas en sus iones que son los responsables de

su actividad.

Funciones catalíticas. Cofactores enzimáticos

Funciones osmóticas. distribución de agua, generación de gradientes

electroquímicos, potencial de membrana y sinapsis neuronal.

Función tamponadora.

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La composición iónica del líquido intracelular vs líquido

extracelular.

El medio interno es rico en K+ y Mg++, y fosfato como anión

principal,

Líquido extracelular contiene principalmente Na+ y Ca++, y Cl-

como anión principal.

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¿como solucionar el problema de

presión osmótica?

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Creación de bombas conducidas por

los gradientes

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Buena oportunidad para la utilización

de bomba para sintesis de ATP

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Sodio (Na+). Es el principal catión extracelular; se encuentra asociado al cloruro y al bicarbonato. Tiene como función regular el equilibrio ácido base, mantener la presión osmótica de los líquidos y preservar la excitabilidad y permeabilidad celular.

Potasio (K+). Es el principal catión intracelular; tiene gran

influencia sobre la actividad muscular, especialmente

sobre el miocardio. Al igual que el sodio, participa en la

regulación del equilibrio ácido base y la presión osmótica

intracelular.

Cloruro (Cl-). En combinación con el sodio es esencial en

el equilibrio ácido base y acuoso; en el jugo gástrico

participa en la formación de ácido clorhídrico.

Fosfato y amonio (PO4-3 y NH4

+ ) Tienen importancia en

el equilibrio ácido base, así como en los mecanismos

compensadores que se verán más adelante.

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La escala de pH

describe la acidez

de una solución

El pH de la sangre es

de 7,4 y esta dado por

la concentración de

CO2

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Moléculas más complejas

Glucosa

Fructosa

Bases Nitrogenadas

Aminoácido

Acido graso


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