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PRO CLUYE DIGYI ECTO TAL

4 BGIEOOLOLOGGÍAÍA ESO

uez, , A. Domíng S. Clemente Ruiz A. B.

O peración ANDALUCÍA

mundo

¿Qué vamos a aprender? Utilizamos herramientas STEAM

PÁGINA

El material genético y su transmisión

La herencia de los caracteres biológicos

La evolución biológica

Un pequeño lugar en el universo

110

La Tierra: un planeta inquieto

132

Una historia escrita en las rocas

Así funciona el medioambiente

No hay otra Tierra; cuidemos esta

Un rap para la vida Vida de ecosistemas terrestres

El lenguaje de programación de la vida Industria, innovación e infraestructuras

Genética y policía científica Salud y bienestar

¿Por qué pasamos del lobo a las razas de perros? Educación de calidad

158

Condiciones de vida Acción por el clima

¿Es peligroso vivir aquí? Agua limpia

¿Cómo era mi barrio hace millones de años? Energía asequible

184

208

SABERES BÁSICOS

• Método científico • Método tecnológico • Las Power Skills

La vida y las células

SITUACIÓN DE APRENDIZAJE • ODS

Un sistema en equilibrio Vida submarina

Un plan de acción por el planeta Producción y consumo responsables

• Composición y organización de la vida • Las células: estructura y tipos • Las funciones vitales celulares

• Las características del material genético • Los genes y su expresión: transcripción y traducción del material genético

• Conceptos básicos sobre genética: genes y caracteres • Mendel y sus métodos experimentales • Las leyes de Mendel

• La biodiversidad: su origen y la adaptación de las especies • Las pruebas de la evolución biológica

• El universo y su estudio • Las galaxias y las estrellas • El Sol y el sistema solar

• La composición y la estructura de la Tierra • Las pruebas de que la Tierra es dinámica • La teoría de la tectónica de placas

• Las rocas, testigos de la historia de la Tierra • La interpretación del registro estratigráfico • La datación del registro • El concepto de medioambiente • Los ecosistemas. El medio físico • Los ecosistemas; poblaciones y relaciones • Las sucesiones • La situación medioambiental actual • Los impactos que causamos • La preocupación por el medioambiente y el desarrollo sostenible

¡POWER SKILLS!

STEAM POWER

PORFOLIO

• Las herramientas digitales • El Plan Lingüístico • Las imágenes como herramienta para aprender ciencia.

• La célula procariota • La célula eucariota

• Protagonista: Ada Yonath • Profesión: Técnico superior en laboratorio clínico y biomédico • Centro de investigación: Instituto de Biomedicina de Sevilla

• Usamos un organizador visual para ordenar nuestro aprendizaje y componer un rap sobre los fundamentos de la vida

• La transmisión del material genético: la replicación • El ciclo celular, la mitosis y la citocinesis • La meiosis y la reproducción sexual

• Protagonista: Nettie Stevens • Profesión: Ingeniero genético • Centro de investigación: Banco de Germoplasma Vegetal Andaluz

• Creamos un diagrama de flujo sobre el código genético

• Protagonista: Frederick Griffith • La herencia no mendeliana • Profesión: Especialista en anatomía y las mutaciones patológica • La biotecnología y la ingeniería genética • Centro de investigación: Centro de • Aplicaciones y riesgos de la biotecnología Genómica e Investigaciones Oncológicas POWER SKILLS!

APRENDER

• Utilizamos la técnica «Las 6W» para inventar un podcast sobre un caso policiaco que se pueda resolver con análisis genéticos

Haciendo

: Publicamos un magazine sobre la célula

• Las teorías evolutivas de Lamarck y de Darwin • Las teorías actuales sobre la evolución • El estudio constante de la evolución

• Protagonista: Raissa L’Vovna Berg • Profesión: Especialista en zootecnia • Centro de investigación: Centro Andaluz de Biología del Desarrollo

• Utilizamos diagramas en cascada para crear un album sobre la historia y la utilidad de varias razas de perros

• El sistema Tierra - Luna • La vida en el universo • La astrobiología

• Protagonista: Ruby Payne-Scott • Profesión: Astrobiólogo • Centro de investigación: CARMENES

• Utilizamos relaciones de causa y efecto para analizar la existencia de vida en otro mundo

• Los procesos relacionados con la dinámica interna de la Tierra • El modelado del relieve terrestre • El paisaje geológico andaluz y su importancia

• Protagonista: Ebba Hult de Geer • Profesión: Sismólogo • Centro de investigación: Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra

• Hacemos un análisis asociativo de datos geológicos de nuestra zona para hacer un informe de riesgos

POWER SKILLS!

APRENDER

Haciendo

: Creamos una estructura para representar la evolución

• La historia geológica de un lugar; mapas, cortes y columnas estratigráficas • La historia geológica de la Tierra

• Protagonista: José Torrubia • Profesión: Paleobióloga • Centro de investigación: Aula Museo de Paleontología de la Universidad de Granada

• La circulación de la materia y la energía en los ecosistemas • El equilibrio ecológico • El medioambiente andaluz

• Protagonista: Eugene Pleasants Odum • Utilizamos un organizador visual para • Profesión: Docente de ciencias representar las relaciones ecológicas • Centro de investigación: Centro de un acuario o de un terrario Oceanográfico de Málaga

• Los recursos naturales y su gestión sostenible • Los residuos y su gestión sostenible

• Protagonista: Ellen Swallow Richards • Profesión: Tecnico Superior en Educación y Gestión Ambiental • Centro de investigación: Estación Biológica de Doñana

POWER SKILLS!

APRENDER

Haciendo

• Comparamos las características geológicas actuales de nuestra región con las que tenía en otras eras geológicas

• Hacemos una asamblea de ideas para idear una campaña de acción para la correcta gestión de recursos y residuos en el centro educativo

: Creamos un juego de estrategia sobre los ecosistemas

¿Alguna vez te has preguntado por qué te sabes de memoria las letras de tus canciones favoritas? Algunas las aprendiste en tu infancia y las sigues recordando. Y es que la música tiene un impacto increíble en nuestra memoria. De hecho, es más fácil recordar un texto complejo cuando se asocia a rimas y ritmos marcados. Por eso, muchos pueblos de la Antigüedad creaban largos cantos épicos para recordar sus leyendas e historias. En tu caso, al estudiar biología, llega un momento en que necesitarás aprender gran cantidad de vocabulario nuevo para comprender los diferentes procesos. Las biomoléculas, los orgánulos celulares, los tipos de células... ¡uf! ¡Son tantas palabras desconocidas! Afortunadamente, existen maneras de facilitar su aprendizaje. Algunos estudios recientes demuestran que es más sencillo asimilar un contenido si utilizamos diferentes vías para aprenderlo: imágenes, texto… ¡incluso la música! ¿Y si intentamos algo para recordar mejor tantos conceptos? Quizá exista una manera de combinar el poder de la música con el aprendizaje, para que el vocabulario relacionado con las biomoléculas o con las células y sus estructuras se nos quede grabado y no se nos olvide… ¿Lo intentamos?

Montaje realizado a partir de fotografías de bacterias realizadas con el microscopio electrónico y coloreadas.

Tú qué ¿pie nsas

Situación de aprendizaje

1 La vida y las células

Si les pusieras rima a las explicaciones de las estructuras de los seres vivos que vas a aprender, ¿crees que te resultaría más fácil recordarlas? Y si utilizases la música o algunos ritmos? ¿Crees que te ayudaría a recordar esos conceptos?

¡ACTÚA ! Por parejas, cread temas de rap, trap u otro estilo, para explicar, con ritmo y buenas rimas, los contenidos que aprendáis. Repartid las secciones para montar batallas freestyle con las otras parejas.

Para lograrlo, sigue esta ruta:

15. Vida de ecosistemas terrestres

Composición y organización de los seres vivos

Las células: estructura y tipos

Hay cantantes de rap y trap que son capaces de improvisar rimas sobre cualquier cosa. Incluso sobre células o biología, intentan hacer rimas, ritmos y armonías. Hablan de la vida, de su estructura, de su composición, que no es materia oscura. De procariotas, sencillitos, sin núcleos redonditos y de células complejas, atiende con tus orejas. Porque, en la biología, es extraordinario, lo lleno de palabras que está su vocabulario.

Las funciones vitales de las células

Las células procariotas

Las células eucariotas

STEAM Power

¿Qué es un ser vivo? ¿Cómo saber si algo tiene vida o es materia inerte? Parece obvio, ya que los seres vivos realizan unas funciones vitales: intercambian materia y energía con el medio (nutrición), reaccionan a los estímulos (relación) y generan otros seres vivos similares a ellos (reproducción).

¿Qué es un ser vivo? Y ¿de qué está hecho? En situación Para vuestras rimas, inspiraos en ejemplos como los que aparecen en estos apartados de los laterales del texto. La base está en la química, un protón, un electrón… Ahí tienes el primer nivel de organización.

Pero, al analizar la composición de cualquier ser vivo, se verá que está formado por los mismos átomos que el resto de la materia del universo. Entonces, ¿qué características o combinaciones hacen que la materia cobre vida? Una pista es la complejidad química y estructural de la materia viva, que es mucho mayor que la de la materia inerte.

1.1 Los niveles de organización

Estos forman átomos que se unen entre sí y surgen las moléculas, desde el agua hasta el rubí…

La materia se organiza en una serie de niveles de diferente complejidad que comienzan en las partículas subatómicas y acaban en la biosfera.

De ahí al nivel siguiente, el salto es espectacular: aquí empieza la vida, es el nivel celular.

Los niveles de organización de la materia son de tres tipos: los niveles químicos, los niveles biológicos y los niveles ecológicos.

Los niveles de organización de la materia Niveles químicos

Niveles biológicos Virus Son un ejemplo de asociaciones de macromoléculas que están en la frontera de la vida.

Nivel subatómico

Protones, neutrones, electrones Nivel atómico

Nivel de orgánulos celulares Los orgánulos son conjuntos organizados de asociaciones macromoleculares, que desempeñan procesos de las funciones vitales de la célula.

Nivel de organismo Entendido como un ser pluricelular con varios sistemas.

Nivel celular Nivel molecular

Nivel macromolecular Nanometros (nm)

Asociaciones macromoleculares Algunas macromoléculas, sobre todo las proteínas y los ácidos nucleicos, se asocian y pueden realizar funciones complejas. Un ejemplo son los ribosomas de las células.

Nivel de sistemas de órganos

Nivel de órganos Conjuntos de tejidos organizados para realizar procesos

Nivel tisular Células organizadas y coordinadas.

Micras (μm)

Centímetros

1 • Los niveles químicos son las partículas subatómicas, los átomos, las moléculas, las macromoléculas y las asociaciones complejas de macromoléculas, como los virus y algunos orgánulos. • Los niveles biológicos son las células, los tejidos, los órganos, los sistemas y los organismos.

¿Cómo saber si algo está vivo? Fíjate en el fuego. Está hecho de materia y parece que realiza las mismas acciones que un ser vivo: ¿Nace? Algo lo inicia

¿Se reproduce? Por pavesas o chispas

• Los niveles ecológicos son las poblaciones, las comunidades, los ecosistemas y la biosfera. Cada uno de estos niveles está formado por elementos del nivel anterior que se organizan aún más. En cada nivel, la materia adquiere propiedades emergentes que no tenía el nivel anterior. Por ejemplo: al asociarse todos los tejidos que forman el corazón, este adquiere la capacidad de bombear; si el corazón se complementa con la sangre y los vasos sanguíneos, aparece un sistema capaz de repartir sustancias por un organismo; y así sucesivamente. La biología ha concluido que todo ser vivo debe tener, al menos, el nivel celular. A partir de ahí, hay seres unicelulares, como las bacterias o los protozoos, que solo alcanzan el nivel celular; seres como las algas o los hongos que son pluricelulares, pero no tienen tejidos, y seres que alcanzan niveles superiores con tejidos, órganos y sistemas.

¿Reacciona? Oscila con el aire

¿Se alimenta y crece? Consume leña, crece y expulsa humo

¿Muere? Se apaga

Pero ¿está vivo? Para saberlo, indaga sobre esto y escribe tus reflexiones: a) ¿Qué nivel de organización tiene su materia? b) ¿Contiene bioelementos y biomoléculas? c) ¿Tiene células? d) ¿Realiza realmente las funciones vitales?

Niveles ecológicos Nivel de población

Nivel ecosistema

1 Compara un perro, que vive en casa como mascota, y un lobo que forma parte del ecosistema de un bosque. ¿Qué niveles de organización tienen en común? ¿Cuáles les diferencian?

Grupo de individuos de una misma especie que habitan una zona.

2 ¿A partir de qué nivel de organización podemos considerar que hay seres vivos? Nivel de comunidad

3 Los virus que enferman a un animal o a una persona, ¿hasta qué nivel de organización llegan? 4 ¿Qué es una propiedad emergente? Aplica el concepto a los casos de:

Conjunto de poblaciones de diferentes especies que habitan una región.

Sistema formado por una comunidad, el medio físico y las relaciones entre todo ello.

Metros

Kilómetros

a) Un ojo. b) La molécula de agua. c) Una neurona. d) El bosque mediterráneo. 33

¿Qué es un ser vivo? Y ¿de qué está hecho?

En situación

1.2 Las moléculas de la vida

¿Sabes que se han encontrado en asteroides y cometas moléculas orgánicas que no son de este planeta?

Al estudiar el nivel molecular de los seres vivos, se ve que están formados por dos tipos de sustancias: las inorgánicas y las orgánicas o biomoléculas:

En Ryugu, un asteoride de aspecto muy normal, apareció uracilo, una molécula esencial que está en el ARN, ¡todo el mundo lo tiene! Y todos se preguntan: ¿qué misterio es este? ¿Es solo un hype, o es un indicio de vida extraterrestre?

• Las sustancias inorgánicas. Se encuentran tanto en la materia viva como en la materia inerte; son el agua y las sales minerales. • Las sustancias orgánicas o biomoléculas. Son mucho más complejas que las anteriores y, aunque algunas pueden aparecer aisladas en la naturaleza, la mayoría son exclusivas de los seres vivos y están producidas por ellos. Las principales son los glúcidos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos. Algunas biomoléculas pueden alcanzar una gran complejidad estructural y se las conoce como macromoléculas.

Las sustancias inorgánicas y sus funciones biológicas Moléculas de agua

El agua Función estructural. Esta sustancia es el componente mayoritario de las celulas y les da volumen al llenar su interior. Función metabólica. En el agua intracelular y extracelular tienen lugar todas las reacciones químicas celulares. Función de transporte. El agua es el medio por el que circulan la mayoría de las sustancias en el interior de los organismos.

Molécula de cloruro de sodio

Función termorreguladora. El agua ayuda a mantener constante la temperatura de los seres vivos, ya que tiende a almacenar calor y le cuesta tanto ganarlo como perderlo.

Las sales minerales Función estructural. Por ejemplo, los carbonatos forman los caparazones o conchas de muchos animales y los fosfatos se depositan en los huesos. Función reguladora. Entre muchos ejemplos destacan algunas sales, como el calcio, el sodio y el potasio, que intervienen en la transmisión del impulso nervioso y la regulan, o el calcio, que desempeña un papel fundamental en la coagulación sanguínea.

5 Relaciona cada caso con un compuesto inorgánico o con una biomolécula: a) Una colonia de coral forma un duro «esqueleto». b) Sudas cuando hace calor y eso te refresca.

6 Según este gráfico que representa la composición química promedio de una persona, calcula qué masa de cada componente tendría alguien de 65 kg. Lípidos 20 %

Proteínas 16 %

c) Las amilasas, proteasas y lipasas digieren el bocadillo de jamón que has comido. d) El olivo almacena aceite en sus frutos.

Minerales 3,4 %

e) Nacen gatitos y se parecen a sus progenitores. f) Comer patatas o arroz aporta energía.

Glúcidos 0,6 % Agua 60 %

Las sustancias orgánicas y sus funciones biológicas

Molécula de glucosa

Los glúcidos Función energética. La glucosa es la principal fuente de energía para la célula. La glucosa puede formar otros glúcidos que se almacenan como reserva energética, como el almidón, presente en las células vegetales, o el glucógeno, que se acumula en las células del hígado y del músculo de los animales. Función estructural. Por ejemplo: la celulosa compone las paredes celulares de las células vegetales; la quitina, el exoesqueleto de los insectos; y la ribosa y la desoxirribosa, la estructura básica de los ácidos nucleicos. Otras funciones. Un ejemplo es la de los glúcidos que están unidos a proteínas de las membranas celulares formando glucoproteínas, que intervienen en el reconocimiento entre células.

Almidón

Los lípidos Función de reserva energética. Por ejemplo, los triglicéridos (grasas y aceites) que se almacenan en las células. Función estructural. Destacan el colesterol y los fosfolípidos, que constituyen la base estructural de las membranas plasmáticas. Función reguladora. Muchas hormonas, como las que regulan la reproducción sexual, son lípidos. Otras funciones. Algunos pigmentos, como las xantofilas o los carotenos, participan en la fotosíntesis.

Fosfolípido

Colesterol

Las proteínas Función estructural. Muchas proteínas forman parte importante de las estructuras celulares. Por ejemplo, las proteínas presentes en las membranas plasmática y de los orgánulos.

Proteína plegada

Función enzimática. Las enzimas son proteínas que se encargan de acelerar y regular las reacciones químicas del metabolismo. Casi todas las reacciones celulares requieren enzimas asociadas. Función de transporte. Un ejemplo es la hemoglobina de la sangre, que transporta oxígeno y dióxido de carbono. Otras funciones. Los anticuerpos son proteínas que defienden el organismo de agentes patógenos. La actina y la miosina son las proteínas responsables de la contracción muscular. La ovoalbúmina es una proteína que sirve como reserva de nutrientes.

Los ácidos nucleicos Función de control celular. El ADN (ácido desoxirribonucleico) y el ARN (ácido ribonucleico) son moléculas cuya actividad regula casi todas las funciones celulares, a través de la síntesis de proteínas. Función hereditaria. Estas moléculas, que contienen la información genética, son capaces de generar copias de sí mismas que la celula transmite a su descendencia.

ADN

2 No hay vida sin células

La biología, con la teoría celular, concluyó que todos los seres vivos están formados por células. La célula es la unidad más elemental de un ser vivo, que puede realizar las funciones vitales (nutrición, relación y reproducción). Las células tienen una estructura general común, pero no son todas iguales, sino que presentan una gran variedad de tamaños, formas y componentes que las especializan para realizar sus funciones.

2.1 La estructura general de las células Las estructuras comunes a todas las células son: 1 ¿Qué diferencia existe entre el material genético de las células procariotas y las células eucariotas? 2

Averigua el significado de la palabra «eucariota» y explica si está relacionado con el material genético de la célula. Averigua y dibuja la forma que tienen los Lactobacillus del yogur, los Streptoccus pneumoniae que causan la neumonía, Salmonella enterica que provoca la salmonelosis y Vibrio cholerae que causa el cólera.

• La membrana plasmática. Es una envoltura muy delgada y elástica que rodea la célula y separa su contenido del exterior. Regula la entrada y la salida de sustancias de la célula, detecta estímulos del medio externo y permite que las células se relacionen o establezcan comunicación unas con otras. • El citoplasma, que es la sustancia gelatinosa que rellena la célula y el medio en el que se encuentra el contenido celular. En todas las células se encuentran unas pequeñas partículas, los ribosomas, en las que se sintetizan las proteínas. Además, dependiendo del tipo de célula, en el citoplasma se encuentran orgánulos, que son compartimentos membranosos de diferente tipo. • El material genético, que es el ADN, una biomolécula que contiene la información necesaria para regular el funcionamiento de la célula y determinar sus características y las de todo un organismo. Esta información se denomina información genética.

Dos tipos de organización celular: procariota y eucariota Dependiendo de dónde se localice el ADN en la célula, se distinguen dos tipos de organización celular:

Material genético (ADN)

Célula procariota

Las células procariotas Son muy sencillas, de pequeño tamaño, y no tienen núcleo ni orgánulos membranosos. Su material genético se encuentra disperso en el citoplasma.

Las células eucariotas Son más complejas y de mayor tamaño que las procariotas. Presentan un núcleo, que contiene el material genético, y tienen una gran variedad de orgánulos membranosos en el citoplasma.

Citoplasma

Membrana plasmática

Orgánulos celulares

Célula eucariota

Núcleo

La observación y la representación de las células Te dedicas a la divulgación científica y vas a escribir un artículo sobre las formas de ver y representar las células. Para ello, cuentas con unas imágenes de células tomadas con diferentes tipos de microscopios, y con varios dibujos de estas estructuras. a)

Bacteria (1 a 2 μm)

Célula del intestino (20 μm)

Glóbulo rojo (7 a 10 μm)

Consulta en anayaeducacion.es «Algunas técnicas de observación microscópica», ten en cuenta las imágenes de esta página y completa tu artículo con la siguiente información: • ¿Cómo se observan las células con cada tipo de microscopio? • Si el microscopio óptico de un centro escolar tuviera un máximo de 800 aumentos, ¿qué tamaño tendría una bacteria en una foto sacada con ese microscopio? Calcula el tamaño real, en micras, del núcleo de la célula de la fotografía D. • ¿Por qué se suelen teñir las imágenes como A, tomadas con microscopios ópticos? ¿Y por qué se colorean algunas fotos tomadas por los microscopios electrónicos?

b) Consigue en internet fotos de células de plantas realizadas con distintos microscopios y haz representaciones de este tipo de célula similares a las que aparecen aquí.

Célula representada en 3D

1 μm

Óvulo (150 μm)

1 μm

Neurona. Cuerpo (10 a 150 μm) Axón (0,5 mm a metros)

Célula vegetal (10 a 100 μm)

Representación de un corte celular

1 μm

A. Célula eucariota observada con microscopio óptico y teñida con un colorante. B. Célula eucariota observada con un microscopio electrónico de barrido. Se aprecia la superficie de su membrana plasmática. C y D. Corte de una célula eucariota observado con el microscopio electrónico de transmisión: coloreado mediante aplicaciones informáticas (C) y sin colorear (D).

3 Las funciones vitales celulares En situación Las células que encuentras en un animal son todas heterótrofas, como es natural. En las plantas, en cambio, encuentras variedad. Hay células autótrofas, como cabía esperar, en las zonas capaces de fotosintetizar; pero en otras zonas, como en la raíz, las células son heterótrofas, igual que en tu nariz.

Como unidad mínima de vida, las células son estructuras capaces de realizar las tres funciones vitales: nutrición, relación y reproducción.

3.1 La nutrición celular La función de nutrición comprende todos los procesos que proporcionan a las células materia y energía para crecer, construir y renovar sus estructuras y realizar todos sus procesos vitales. Dependiendo de la forma en la que las células obtienen del medio las sustancias que necesitan, se distinguen dos tipos: • Las células con nutrición autótrofa. Son capaces de sintetizar, a partir de moléculas inorgánicas sencillas y una fuente de energía externa, las moléculas orgánicas que necesitan. • Las células con nutrición heterótrofa. Deben tomar del medio las sustancias orgánicas que necesitan, ya que no pueden fabricarlas. Tanto las células autótrofas como las heterótrofas utilizarán después esas sustancias orgánicas que han obtenido: por una parte, las combinarán con oxígeno en la respiración celular para obtener energía; por otra parte, usarán esa energía para sus procesos vitales, como el movimiento, la reproducción o la síntesis de componentes celulares.

El transporte de sustancias a través de la membrana Independientemente de cuál sea su forma de nutrición, las células deben intercambiar sustancias con el medio y, para ello, dichas sustancias deben atravesar la membrana plas-

Por difusión Sucede cuando las sustancias son de pequeño tamaño, como el oxígeno, el dióxido de carbono o las sales minerales.

Por difusión Siempre a favor del gradiente de concentración de la sustancia (desde el lado donde están más concentradas hasta el lado donde lo están menos).

Mediante proteínas Cuando las sustancias son de mayor tamaño o son pequeñas pero tienen cargas (iones), las proteínas de la membrana plasmática forman canales o bombas (unas estructuras que «bombean» las sustancias) a través de los cuales pasan las moléculas.

Formando vesículas Cuando se trata de sustancias muy grandes o incluso de partículas, la membrana se hunde y las engloba, originando una vesícula que pasa al citoplasma celular. Este proceso se denomina endocitosis. Las células también pueden expulsar del citoplasma partículas, fundiendo las vesículas con la membrana. Este proceso se denomina exocitosis.

mática; una barrera selectiva que cuenta con varios sistemas para dejar pasar unas sustancias e impedir el paso de otras, dependiendo de su tamaño y su naturaleza.

Endocitosis

Exocitosis

Mediante proteínas Los canales dejan pasar sustancias a favor de gradiente.

Las bombas transportan sustancias grandes o con carga en contra del gradiente de concentración y requieren energía.

1 El metabolismo celular

El metabolismo celular

El metabolismo celular es el conjunto de las reacciones químicas que suceden en la célula para transformar las sustancias y utilizarlas en la síntesis de los componentes celulares, en la realización de los procesos vitales y en la obtención de la energía necesaria para todo ello.

C ATA B O L I S M O

El metabolismo celular es un intercambio de materia y energía que tiene dos partes diferenciadas: • El catabolismo. Es el conjunto de reacciones químicas por las que las moléculas complejas se fragmentan y se transforman en otras más sencillas. Estas reacciones liberan energía química que la célula emplea en otros procesos. La respiración celular es un ejemplo de proceso catabólico en el que la glucosa se rompe sucesivamente hasta generar agua y CO2. • El anabolismo. Es el conjunto de reacciones químicas por las que, a partir de moléculas sencillas, se fabrican moléculas más complejas como proteínas, lípidos, etc., que la célula utiliza en otros procesos. Estas reacciones necesitan el aporte de energía química, que procede del catabolismo o de fuentes externas como la luz solar. Un ejemplo de proceso anabólico es la fotosíntesis, en la que el CO2 y el agua se combinan para producir glúcidos utilizando la energía captada de la luz solar y transformada en energía química.

ANABOLISMO

Sustancias orgánicas complejas Por ejemplo, glucosa

Energía química

Energía de la luz solar

Sustancias inorgánicas sencillas Por ejemplo, agua y dióxido de carbono

El espejo. Compara el catabolismo y el anabolismo de una célula en lo que se refiere al tipo de sustancias y a la energía que están implicadas en cada grupo de procesos.

Ordenamos un proceso metabólico La imagen que ves aquí es una representación esquemática de dos de los procesos metabólicos de una célula: la fotosíntesis y la respiración celular.

Luz (energía)

H2O

CO2 O2

a) Pon en orden cronológico los pasos que hacen referencia a la respiración celular y contesta a las cuestiones.

Azúcares

• En la mitocondria, los glúcidos se combinan con el O2, que los degrada liberando la energía que contienen.

Cloroplasto

• Los glúcidos llegan a la mitocondria. • En este proceso se genera agua (H2O), que queda en el interior celular, y CO2, un desecho que se expulsa fuera de la célula. • El O2 entra en la célula y llega a la mitocondria.

Mitocondria

CO2

H2O O2

b) ¿Qué tipo de célula crees que está representada en el dibujo? Razona tu respuesta. c) Elabora un diagrama de entradas y salidas de materia y energía para los procesos representados en la imagen. Sigue el modelo que aparece junto a esta actividad para elaborar tu diagrama en tu cuaderno.

ENTRADA

PROCESO METABÓLICO

SALIDA

Las funciones vitales celulares

La respuesta estática: secreciones Las neuronas, por ejemplo, segregan neurotransmisores en el extremo de su axón cuando reciben un impulso nervioso. 1. La neurona recibe el impulso nervioso.

3.2 La función de relación La función de relación de una célula es su capacidad para responder ante un estímulo del medio.

Estímulos y respuestas celulares Un estímulo es cualquier tipo de cambio que se produce en el medio y que puede desencadenar una respuesta celular. Los estímulos pueden ser de dos tipos: químicos, como, por ejemplo, cambios en la composición o el pH del medio, presencia de una sustancia, etc.; y físicos, como, por ejemplo, cambios en la temperatura, en la presión, la luminosidad, etc. La respuesta de las células ante los estímulos puede ser de dos tipos: estática y dinámica. • La respuesta estática. En ella, la célula responde de cualquier forma que no suponga movimiento; por ejemplo, segregando una sustancia, absorbiendo o expulsando agua, etc.

2. La neurona segrega neurotransmisores en el extremo de su axón.

• La respuesta dinámica. En ella, la célula responde moviéndose. Estos movimientos en conjunto se denominan taxias o tactismos. Se consideran positivos si la célula se mueve hacia el estímulo, y negativos si se aleja de él. Los movimientos celulares están directamente relacionados con el citoesqueleto de la célula, cuyos filamentos forman estructuras contráctiles y prolongaciones hacia el exterior que permiten el movimento.

La respuesta dinámica: movimientos celulares Hay tres tipos principales de movimiento celular:

Cilios

Flagelo

Vibrátil Se produce por movimientos impulsores coordinados de cilios (cortos y numerosos) o de flagelos (largos y escasos). Muchos protozoos se desplazan así.

Contracción

Estado normal

Contráctil Consiste en un acortamiento de la célula o de parte de ella y es característico de las células musculares animales y de algunos protozoos.

Ameboide Se produce mediante prolongaciones del citoplasma llamadas seudópodos que hacen avanzar a la célula. Es característico de las amebas y de los glóbulos blancos de la sangre.

Seudópodos

3.3 La reproducción celular La reproducción celular (o división celular) es la capacidad de una célula de dividirse en dos o más células hijas idénticas.

¿Por qué se dividen las células? La división celular ocurre tanto en los organismos unicelulares como en los organismos pluricelulares, pero con funciones ligeramente diferentes:

2 Piensa y razona. ¿Mueren las células al reproducirse? 3 ¿Qué división celular elegirías si fueses un organismo unicelular eucariota con poder de decisión? 4 Explica por qué no supone lo mismo la división celular en un organismo unicelular y en uno pluricelular. 5

En parejas, observad estas imágenes y describid qué veis en ellas que tenga que ver con las funciones de relación o de reproducción de la célula.

• En los organismos unicelulares, como los protozoos, la división celular tiene como objetivo la reproducción del individuo, que solo es una célula. • En los organismos pluricelulares, la división celular sirve para que el individuo crezca y para que regenere sus tejidos; es decir, reponga las células que van muriendo o que pierde por lesiones. La división celular siempre implica un reparto del material genético y del citoplasma entre las dos células resultantes de la división.

Tipos de división celular Existen diferentes tipos de división celular dependiendo de la forma en la que se reparta el citoplasma en el proceso. Los principales son:

La bipartición La célula duplica su ADN y genera dos células hijas genéticamente idénticas y del mismo tamaño. Las células procariotas se dividen así y entre las células eucariotas que se dividen por bipartición destacan los protozoos.

La gemación La célula duplica su ADN y genera una yema, que se desarrolla y se separa de la célula madre. Se forman dos células hijas, genéticamente idénticas, pero de diferente tamaño. Así se reproducen algunos hongos unicelulares, como las levaduras.

La esporulación o división múltiple La célula genera múltiples copias de su ADN, que se rodean de una porción de citoplasma y de una membrana. La membrana de la célula progenitora se rompe, liberándose numerosas células hijas más pequeñas que se suelen llamar esporas. Las células reproductoras de muchos hongos y muchas plantas y las células de algunos protozoos se reproducen así.

Las células procariotas son muy pequeñas (de alrededor de una micra) y tienen el tipo de organización celular más sencillo. Recordemos:

Las células procariotas

• No tienen núcleo. Su material genético está en el citoplasma y no envuelto por una membrana. • Carecen de orgánulos con membrana que realicen funciones específicas. En su citoplasma, además del material genético, solo hay ribosomas.

En situación Las bacterias tienen gran importancia. Aunque algunas nos envíen al hospital en ambulancia, otras nos proporcionan lácteos en abundancia y otras usan tu intestino para una larga estancia.

4.1 La célula procariota en detalle Las observaciones de diversas células procariotas con los diferentes tipos de microscopios han permitido elaborar modelos sobre la estructura de una «célula procariota tipo» como el que muestra aquí. Fimbrias

Modelo de célula procariota Material genético Estas células cuentan con una gran molécula de ADN circular, el cromosoma bacteriano, que ocupa una región del citoplasma llamada nucleoide. En ocasiones, también pueden tener otros pequeños fragmentos circulares de ADN llamados plásmidos.

Citoplasma Su citoplasma no contiene orgánulos membranosos pero sí ribosomas, que son de menor tamaño que los de las células eucariotas. También se aprecian en él ciertas proteínas fibrosas que realizan funciones similares a las de un citoesqueleto.

Flagelos

Nucleoide (ADN en el citoplasma) 1 μm

Célula procariota de una bacteria observada mediante el microscopio electrónico. Se aprecian fímbrias y flagelos. Material genético (ADN) Membrana plasmática

Pared Es una envoltura exterior rígida que rodea la membrana plasmática y que protege y da forma a la bacteria. Su composición química es diferente a la de las paredes celulares vegetales. Algunos procariotas tienen una envoltura protectora que rodea a la pared celular, denominada cápsula.

Fimbrias

Citoplasma

Cápsula

Flagelos

Prolongaciones Algunas bacterias tienen flagelos, que son largos y sirven para la locomoción, o fimbrias, que son cortas y les sirven para fijarse a otras células y a superficies. Algunas bacterias pueden desarrollar, en ciertas condiciones, pequeños filamentos huecos denominados pili, que son unas fimbrias modificadas cuya función es el intercambio de material genético con otras bacterias.

Pared

Plásmidos Ribosomas

4.2 Así viven los organismos con células procariotas Las células procariotas son exclusivas de los seres que, como las bacterias, constituyen el reino Monera. Estos son organismos siempre unicelulares que se pueden encontrar en prácticamente todos los lugares del planeta, incluido el exterior y el interior de otros seres vivos. A pesar de su sencillísima estructura, llevan a cabo las tres funciones vitales.

Observamos células procariotas A pesar de la simplicidad de sus células, los organismos procariotas son capaces de realizar eficazmente sus funciones vitales. En ocasiones se puede apreciar cómo las llevan a cabo cuando las observamos mediante microscopios.

Nutrición Al no tener orgánulos membranosos, todos los procesos de la nutrición de un ser procariota suceden en su membrana y en su citoplasma. En cuanto a su metabolismo, estos seres pueden ser autótrofos o heterótrofos. • Autótrofos. La mayoría realizan la fotosíntesis y, por lo tanto, sintetizan compuestos orgánicos a partir de la materia inorgánica del medio, utilizando la energía de la luz solar. Sin embargo, existen bacterias que realizan un proceso autótrofo denominado quimiosíntesis, en el que fabrican compuestos orgánicos utilizando la energía que se libera en determinadas reacciones químicas que llevan a cabo. • Heterótrofos. Obtienen materia orgánica de otros seres vivos o de sus restos. Son bacterias que pueden ser parásitas (se aprovechan de otros seres), saprófitas (viven sobre materia orgánica en descomposición) o simbióticas (viven junto a otros seres o en ellos, de modo que hay beneficio mutuo).

Relación Muchas bacterias reaccionan a estímulos desplazándose con sus flagelos o deslizándose sobre las superficies. También pueden reaccionar emitiendo sustancias, encapsulándose en endosporas si hay condiciones desfavorables, o mediante una comunicación química con otras bacterias, sobre todo cuando forman colonias.

Reproducción Los seres procariotas se reproducen por bipartición; para ello, duplican su ADN y se dividen en dos células hijas muy similares, cada una con un cromosoma bacteriano y con la mitad del contenido celular. En ocasiones, las bacterias intercambian material genético, sobre todo plásmidos, a través de los pili. Así adquieren nuevas características, como la presencia de cápsula o la resistencia a antibióticos.

El equipo científico que captó estas imágenes de seres procariotas ha perdido los comentarios sobre cada una de ellas y te ha encargado a ti que los hagas. Quieren que incluyas, para cada una, notas que se puedan deducir a partir de la fotografía y que tengan que ver con el desempeño de las funciones vitales de estos seres.

1 ¿Qué es una bacteria simbiótica? Cita algún ejemplo real que conozcas. 2 ¿En qué se diferencia una bacteria saprófita de una bacteria parásita? Razona si estos tipos de bacterias son perjudiciales o beneficiosas para el medioambiente y el ser humano. 3 ¿Crees que puede haber bacterias autótrofas en lugares en los que no llega la luz solar? 43

5 Las células eucariotas En situación

Los organismos que tienen células eucariotas pertenecen a los reinos de los protoctistas, los hongos, las plantas y los animales, y pueden ser unicelulares o pluricelulares. Si recordamos, las células eucariotas son de mayor tamaño que las procariotas y se caracterizan por que: • Tienen núcleo; es decir, un compartimento delimitado por una membrana, en cuyo interior se halla protegido el material genético (ADN). • Tienen una gran variedad de orgánulos y estructuras. Algunos de estos orgánulos (mitocondrias, aparato de Golgi, retículo endoplasmático, etc.) están presentes en todas las células eucariotas; pero otros son específicos de determinados tipos celulares.

¡Escucha! Si ves una célula grandota ¡Es eucariota! Si su núcleo es como una pelota ¡Es eucariota! Si dentro tiene mazo de cosas, ¡Eucariota!

5.1 Las células eucariotas en detalle

¡Y no te olvides! En todos tus tejidos, la eucariota es la prota en todos los sentidos.

La observación de células eucariotas mediante microscopía ha revelado que tienen formas muy variables y combinaciones de orgánulos diferentes que dependen del tipo de célula y de su función. Aún así, se han establecido dos modelos principales de células eucariotas: el tipo animal y el tipo vegetal.

• Tienen un citoesqueleto complejo, que es una red de filamentos proteínicos que da forma a la célula y permite su movimiento.

Los tipos de células eucariotas La célula eucariota de tipo animal

La célula eucariota de tipo vegetal

Es típica de los animales y de los protozoos.

Es la que tienen las plantas y muchas algas.

Núcleo Retículo endoplasmático Ribosomas Flagelo

Mitocondrias Lisosomas

Centriolos

Cloroplastos Vacuola

Aparato de Golgi Pared celular

5.2 El núcleo celular El núcleo de las células eucariotas tiene importantes funciones: • Contener la información genética. Dicha información determina las características de la célula y las del organismo del que forma parte. • Controlar las actividades celulares. El ADN es como la programación, en forma de «código químico» de un ordenador biológico, que es la célula. La información que contiene dirige la red de complejas reacciones entre biomoléculas que constituyen el funcionamiento celular.

La estructura del núcleo Cuando una célula no se está dividiendo, su núcleo tiene una forma más o menos esférica y está situado en la parte central o desplazado hacia la periferia. En él se distinguen las siguientes estructuras: • La envoltura nuclear. Es una doble membrana atravesada por unas perforaciones llamadas poros nucleares, que permiten el intercambio de sustancias entre el núcleo y el citoplasma. • El nucleoplasma. Es el medio acuoso que rellena el núcleo y en el que se producen las reacciones que tienen que ver con los ácidos nucleicos.

Extraemos ADN Seguro que alguna vez te has preguntado qué aspecto tiene el ADN cuando se extrae de las células en los laboratorios. Pues comprobarlo no es tan difícil. a)

Consulta en anayaeducacion.es «Obtenemos el ADN de las células de espinaca» y responde: • ¿Para qué se utiliza la solución de agua, jabón y sal? • ¿Por qué se añade alcohol? • Describe el aspecto que tiene el ADN y relaciónalo con su estructura.

b) ¿Crees que podrías extraer ADN de un tejido animal? ¿Cómo lo harías?

El núcleo y la cromatina Estructura del núcleo Nucléolo

• El nucléolo. Es una estructura esférica, formada por ADN, ARN y proteínas. En él se sintetizan los componentes de los ribosomas. • La cromatina. Al microscopio electrónico se ve como una maraña de fibras entremezcladas. Es el material genético de la célula y es el componente más importante del núcleo.

La estructura de la cromatina y los cromosomas

Membrana nuclear

Poros Estructura de la cromatina ADN con histonas

Cuando la célula no se divide, su núcleo tiene varias fibras de cromatina independientes. Cada una de ellas está formada por una larguísima molécula de ADN unida a unas proteínas llamadas histonas. Cuando la célula se va a dividir, cada hebra de cromatina se duplica (hace una copia de sí misma). Estas dos copias se llaman cromátidas hermanas y permanecen unidas por una estructura llamada centrómero. Una vez duplicadas, las cromátidas hermanas se condensan, es decir, se enrollan sobre sí mismas para hacerse más cortas y anchas. Esto las transforma en cromosomas, que son visibles al microscopio óptico. Los cromosomas son las unidades que se reparten en la división celular. Tras su reparto, se descondensan en las células hijas para ser, de nuevo, cromatina.

Hebra de cromatina

Histonas

Molécula de ADN

Empaquetamiento de la cromatina La hebra de cromatina se duplica en dos cromátidas.

Las dos cromátidas hermanas se empaquetan y forman un cromosoma

Centrómero

Las células eucariotas

5.3 Los orgánulos celulares Los orgánulos de las células eucariotas son componentes celulares especializados en el desempeño de alguna de las actividades de la célula. La mayoría de ellos son compartimentos delimitados por membranas similares a la membrana plasmática, dobles o sencillas.

Orgánulos presentes en células animales y vegetales Ribosomas

Lisosomas

Son pequeñas estructuras globulares formadas por dos subunidades de naturaleza proteínica. Se encuentran adheridos a la superficie exterior del retículo endoplasmático, o dispersos por el citoplasma.

Los lisosomas son vesículas procedentes del aparato de Golgi y llenas de enzimas hidrolíticas.

Se encargan de la síntesis de las proteínas de la célula.

Retículo endoplasmático Es un conjunto de sacos y canales comunicados entre sí. El retículo endoplasmático rugoso (RER) tiene ribosomas adheridos; el retículo endoplasmático liso (REL) carece de ellos. El RER modifica y almacena las proteínas que sintetizan los ribosomas adheridos a él y después las transporta al aparato de Golgi. El REL sintetiza lípidos.

Estos orgánulos pueden fusionarse con otras vesículas y liberar en ellas sus enzimas para descomponer su contenido y obtener sustancias útiles (digestión intracelular).

Mitocondrias Son compartimentos membranosos de forma ovalada. Su membrana es doble: la exterior es lisa y la interior se repliega formando crestas. Contienen una molécula de ADN circular. En las mitocondrias tiene lugar la respiración celular, que es un proceso del catabolismo por el cual la célula obtiene energía rompiendo las moléculas de glucosa en presencia de oxígeno.

Aparato de Golgi

Citoesqueleto

Es un conjunto de sacos membranosos aplanados y apilados, de los que van separándose pequeños contenedores esféricos llenos de sustancias, llamados vesículas.

Es un entramado de fibras de naturaleza proteínica que se extiende por el citoplasma de las células. Algunos de estos filamentos pueden contraerse y extenderse, de modo que pueden ejercer tracción sobre las estructuras celulares.

El aparato de Golgi se encarga de modificar diversas sustancias y de empaquetarlas en las vesículas, que después se desprenden en el citoplasma. Estas vesículas pueden moverse hasta otras partes de la célula o fusionarse con la membrana plasmática para liberar su contenido al exterior celular.

La finalidad del citoesqueleto es producir y dirigir los movimientos de los orgánulos dentro del citoplasma celular, emitir seudópodos, mover cilios y flagelos, etc.

1 Hay orgánulos que están presentes en todos los tipos de células eucariotas, como el retículo endoplasmático, el aparato de Golgi o las mitocondrias, mientras que otros son exclusivos de las células vegetales o de las células animales. La descripción, el aspecto al microscopio electrónico, la representación y la función de los principales orgánulos, se resumen en estas páginas.

Orgánulos presentes solo en algunos tipos celulares Cloroplastos

Cilios y flagelos

Se encuentran solo en las células vegetales. Son ovalados y tienen dos membranas, interna y externa, las dos lisas y sin repliegues. En su interior, el estroma, hay unos sacos membranosos también aplanados, llamados tilacoides, que contienen el pigmento clorofila, de color verde. Contienen una molécula de ADN circular.

Son exclusivos de las células animales y de algunas células de algas unicelulares. Son prolongaciones de la membrana con filamentos del exoesqueleto en su interior. Los cilios son cortos y numerosos, mientras que los flagelos son largos y escasos o únicos.

En los cloroplastos ocurre la fotosíntesis.

Al agitarse, permiten el desplazamiento de las células y el movimiento de las partículas del medio que rodean a la célula.

Vacuolas Son exclusivas de las células vegetales. Se trata de grandes contenedores membranosos rellenos de agua y otras sustancias, como sales, azúcares y proteínas. La función de las grandes vacuolas está relacionada con el mantenimiento de la forma de la célula vegetal, ya que el líquido que contiene ejerce presión hacia fuera.

Paredes celulares La pared celular solo se da en las células vegetales, en las de los hongos y en las de algunos protoctistas. Es una envoltura rígida externa a la membrana plasmática. Su composición varía: en las células de las plantas contiene celulosa, en las de los hongos, quitina, etc. Protege y proporciona rigidez a la célula. frente a los cambios de presión.

1 Diferencia entre la célula eucariota animal y la vegetal.

Centriolos Los centriolos, solo presentes en células animales, son grupos de filamentos dispuestos en dos cilindros huecos. Organizan el citoesqueleto celular y dirigen su movimiento, por ejemplo, para producir la separación de los cromosomas durante la división de la célula. También intervienen en la formación de los cilios y los flagelos.

2 Cita las funciones del núcleo. 3 Relaciona los conceptos de cromatina y de cromosomas. 4 ¿Qué relación existe entre los siguientes orgánulos? a) Ribosomas y retículo endoplasmático. b) Lisosomas y aparato de Golgi. c) Citoesqueleto, centriolos, cilios y flagelos. 47

Power

STEAM PROTAGONISTA

ADA YONATH A mediados del siglo xx, el conocimiento de los orgánulos celulares y de los procesos que realizaba cada uno era aún muy limitado. En este contexto, el trabajo de Ada Yonath resultó pionero y ayudó a desentrañar el funcionamiento de uno de los orgánulos más misteriosos: el ribosoma.

Además de su contribución científica, Ada demostró una gran perseverancia para superar los retos que iban surgiendo en sus investigaciones gracias a su capacidad para resolver problemas con un enfoque innovador. La habilidad de Ada para aprender de los errores la situó en la vanguardia de la investigación científica, y su legado continúa siendo una fuente de inspiración para los científicos y científicas del siglo xxi.

POWER SKILLS!

D NTE A D I S STA N O I O C CURRENDIZAJE CIA AP RAN E V E S PER LUCIÓN DE PROBLEMAS R ESO APRENDER DE LOS ERRORES

INSTITUTO DE BIOMEDICINA DE SEVILLA

CENTRO DE INVESTIGACIÓN

Nacida en Jerusalén en 1939 en una familia con pocos medios económicos, Ada demostró desde muy temprana edad una gran curiosidad y entusiasmo por aprender. Tras costearse los estudios de secundaria dando clases de matemáticas, entró en la universidad y se especializó en el estudio cristalográfico de las estructuras celulares. Ada centró su investigación en los ribosomas, vitales para la síntesis de proteínas dentro de las células. Mediante técnicas avanzadas, determinó la estructura tridimensional de los ribosomas y su función en la síntesis de proteínas, así como el papel de algunos antibióticos en la inhibición de este proceso. Por este revolucionario trabajo, fue galardonada con el Premio Nobel de Química en 2009.

SEVILLA

Se trata de unos de los centros más prestigiosos de investigación biomédica en Europa. Su principal objetivo es la investigación sobre las causas y los mecanismos de las patologías más comunes en la población y el desarrollo de nuevos métodos de diagnóstico y tratamiento para estas. Entre las áreas de investigación que llevan a cabo, destacan: las enfermedades infecciosas y del sistema inmunitario, la genética, las patologías cardiovasculares y respiratorias, etc. Además, realizan una importante labor divulgativa, invitando a colegios en el Día Internacional de la Mujer y la Niña en la Ciencia y realizando otras actividades como Ciencia en los Barrios, etc.

MI PROFESIÓN

TÉCNICO SUPERIOR EN LABORATORIO CLÍNICO Y BIOMÉDICO Hola, me llamo Tomás y soy técnico superior de laboratorio clínico y biomédico. Mi trabajo consiste en analizar muestras biológicas humanas para proporcionar datos esenciales al equipo médico. Estos datos sirven para diagnosticar y tratar enfermedades y para la investigación científica. Para ser técnico de laboratorio, he realizado un grado superior de formación profesional en el que he aprendido las bases teóricas y prácticas para analizar muestras correctamente. Dentro de mi profesión, hay quienes se especializan en bioquímica, hematología o genética. Yo trabajo en microbiología, ya que estudio la presencia de bacterias y otros microorganismos en las muestras. Por ejemplo, si alguien tiene una infección, yo determino qué bacteria la está causando. Para ello, cuento con equipos avanzados como microscopios, centrifugadoras o termocicladores en un laboratorio especializado. Una de las habilidades más importantes en mi profesión es la capacidad para trabajar bajo presión, especialmente cuando hay urgencia en los resultados. También es fundamental la

BAJAR

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Me apasiona la posibilidad de ayudar a la gente que tiene problemas de salud. Es una responsabilidad enorme, pero cuando identifico los microorganismos que causan las infecciones, estoy ayudando a elegir el tratamiento adecuado para el paciente.

¿ME AYUDAS A IDENTIFICAR MICROORGANISMOS? Distinguir bacterias es crucial para saber cómo tratar una infección. A menudo, las bacterias crecen en placas de Petri, formando colonias con apariencias distintas según el patógeno. Por ejemplo: Escherichia coli (E. coli) produce colonias de color rosa o rojo debido a la fermentación de lactosa; sin embargo, Staphylococcus aureus: en placas con otro medio de cultivo, forma colonias de color dorado con una zona clara alrededor. Basándote en las descripciones, ¿puedes identificar el microorganismo que crece en cada una de estas placas?

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IÓNÍA S E R P ONOM O J A B AUT IDAD D IL OSIDA E B A S CURI AJ N O P DIZ ANTE N R ES E ST R P A CON

IDAD CAPAC

autonomía, ya que a menudo realizo pruebas sin supervisión directa. Además, necesito tener una mentalidad abierta y curiosidad científica para aprender de forma constante e ir incorporando a mi trabajo las últimas técnicas y descubrimientos.

¿SABÍAS QUE...? Cuando se identifica un nuevo virus, se emplean técnicas avanzadas de análisis clínico para determinar su estructura y su genética, lo que facilita el desarrollo temprano de pruebas de detección y la posterior investigación para producir vacunas.

PORFOLIO ¿Qué has aprendido? Organiza las ideas

Interpreta imágenes

3 Observa las imágenes y responde a las preguntas sobre ellas aportando argumentos para justificar tus respuestas.

Diagrama de Venn. Copia y completa en tu cuaderno este diagrama, colocando en los diferentes sectores las estructuras de cada tipo de célula, y en las intersecciones, las estructuras comunes a los tipos celulares que se solapan.

PROCARIOTAS

EUCARIOTAS (tipo animal)

EUCARIOTAS (tipo vegetal)

Haz un resumen 2 Elabora tu propio resumen siguiendo este guion:

• Ordena y describe los niveles de organización de la materia. • Nombra las moléculas inorgánicas y orgánicas presentes en los seres vivos e indica sus principales funciones.

6 E

• Explica cómo se produce el intercambio de materia y energía entre la célula y el medio. • Comenta cómo responde la célula ante los estímulos a los que se ve sometida. • Explica cómo y para qué se reproducen las celulas, y de qué formas lo hacen.

• Explica cómo es y cómo está organizada una célula procariota. • Comenta cómo se nutren, reaccionan y se reproducen las células procariotas. • Compara una célula animal y una célula vegetal, indicando la función de los orgánulos propios y los comunes. • Establece las diferencias entre la estructura del material genético de la célula eucariota cuando está en división y cuando no se divide. 50

a) ¿Con qué tipo de microscopio está tomada cada una de ellas? b) ¿A qué tipo de célula corresponde cada imagen? Razona tu respuesta. c) ¿Qué estructuras celulares están señaladas en cada foto? Indica la función de cada una de esas estructuras.

Aplica

Avanza

4 Relaciona una o varias sustancias inorgánicas o biomoléculas con estas funciones: reserva de energía; enzimática; reconocimiento celular; termorreguladora; contener y transmitir la información genética; estructural.

8 Los glóbulos rojos de la sangre de los mamíferos son células que se especializan y pierden su núcleo.

5 ¿Por qué la fotosíntesis es un proceso anabólico, y la respiración celular, un proceso catabólico?

b) ¿Qué funciones vitales celulares crees que pierden los glóbulos rojos?

6 Indica las estructuras celulares por las que puede pasar una proteína desde que se forma en la célula hasta que es secretada al exterior celular.

9 En la sangre de los mamíferos también hay glóbulos blancos. Algunas de estas células nos defienden de bacterias patógenas introduciéndolas en su citoplasma y digiriéndolas. Explica cómo se lleva a cabo esta digestión intracelular y qué orgánulos celulares están implicados en ella.

a) ¿Por qué crees que los mamíferos han desarrollado este tipo de células?

7 ¿Qué tipo de división lleva a cabo una célula que produce muchas células hijas menores que ella?

Es hora de crear. Repartid los contenidos que habéis aprendido entre las parejas formadas. Escoged aspectos que sea importante recordar o con muchos términos nuevos. Anotad las ideas clave. 1

Análisis asociativo. Antes de escribir la letra, usad un organizador visual como el del ejemplo para conectar ideas y encontrar relaciones entre la idea central y sus diferentes aspectos.

2 Escribid las estrofas y las rimas con las ideas generadas y conectadas. Escoged una base rítmica que se adapte a vuestra letra. 3 Decidid cómo difundir vuestra interpretación: en directo, en una «batalla» con otras parejas, mediante vídeo o audio... La idea es crear una pieza que os podáis aprender y que os ayude a recordar para siempre estos contenidos.

¿Cómo son? Pequeñas y simples. Sin núcleo. Solo ribosomas. Pared. Valoración Sin ellas no hay vida. Pero también nos causan enfermedades.

¿Dónde están? Son las células de las bacterias. En todos los ecosistemas. LAS CÉLULAS PROCARIOTAS

Utilidad e importancia Utilidad: para lácteos, vinagre. Importantes en ecosistemas, microbiota...

Origen Muy antiguas. Relacionadas con los primeros seres vivos.

Situación de aprendizaje

¡ACTÚA!

Usamos un organizador visual para ordenar nuestro aprendizaje y componer un rap

¿Por qué son así? Simples, pero muy adaptables y resitentes.

Reflexiona cómo has aprendido 1 De todos los conceptos que has tratado a partir de esta situación de aprendizaje. ¿Cuáles te han supuesto mayor dificultad? ¿Por qué? ¿Cómo te has enfrentado a esa circunstancia? Reflexiona sobre tu aprendizaje rellenando el cuestionario y las rúbricas disponibles en anayaeducacion.es. 51

Situación de aprendizaje

El material genético y su transmisión Al sumergirte en un videojuego, no notas que cada detalle, cada misión o cada mundo se construyen a partir de las instrucciones codificadas en su programación informática. Pero ¿sabías que la vida, hasta cierto punto, opera con un sistema de codificación similar? El ADN es nuestro «código fuente», y contiene las instrucciones que determinan desde el color de nuestros ojos hasta el funcionamiento de nuestros procesos vitales. Cada célula funciona incansablemente transcribiendo y ejecutando las instrucciones de ese código genético y trabaja para replicarlo y transmitirlo y así asegurar la continuidad de la vida. Además, al igual que un equipo de desarrollo informático revisa cada línea de la programación para corregir errores que podrían arruinar un juego, las células cuentan con sofisticados sistemas de revisión y reparación del código de su ADN. Pero, a diferencia del videojuego, que puede ser parcheado o actualizado, los errores en el ADN pueden hacer inviable un organismo… o causarle cambios que iniciarán un proceso evolutivo. Esta analogía entre la programación de un videojuego y la genética molecular os podría resultar útil para comprender y recordar mejor los procesos de replicación, transmisión y transcripción de la información en el ADN. Así que, imaginad que fueseis el equipo de desarrollo del código Un programa informático que controlará el emocionante videojuego de la vida. es un conjunto de instrucciones para controlar el funcionamiento de una máquina: el ordenador.

Tú qué ¿pie nsas

¿Qué «máquina» es controlada por el ADN? ¿Cómo lo hace?

¡ACTÚA ! Crea un organizador visual, similar al que se haría en la etapa de diseño de un videojuego, para situar y establecer relaciones entre las etapas de transcripción, traducción, replicación y transmisión del ADN.

Para lograrlo, sigue esta ruta:

9. Industria, innovación e infraestructuras

Las características del material genético de las células

Los genes y su expresión: transcripción y traducción del ADN

Los códigos de programación pueden ser diferentes. Existen varios lenguajes para dar instrucciones a los ordenadores.

En cambio, el ADN de todos los seres vivos y el de los virus tiene las mismas bases químicas y estructurales. Es un código universal.

La transmisión del material genético: la replicación del ADN

El ciclo celular, la mitosis y la citocinesis

La meiosis y la reproducción sexual

STEAM Power

1 El material genético en las células En situación La programación de un videojuego son líneas de código con instrucciones para un ordenador; el ADN es una secuencia química que dirige el funcionamiento celular.

El componente fundamental del material genético de las células es el ADN. Esta compleja macromolécula es capaz de codificar la información necesaria para dirigir el funcionamiento celular y definir así las características de las células y de los organismos de los que forma parte. Para hacer uso de esa información, las células disponen de otro importante ácido nucleico, el ARN, que es un mediador que transforma el código del ADN en las sustancias capaces de actuar en los procesos vitales de la célula, que son, sobre todo, proteínas. Además, la maquinaria celular permite que las moléculas de ADN produzcan copias de sí mismas, de modo que la información que contienen puede ser transmitida a las células hijas.

1.1 La fantástica molécula de ADN Los nucleótidos y el ADN El ADN (ácido desoxirribonucleico) es una macromolécula formada por dos cadenas paralelas de nucleótidos unidas entre sí y dispuestas en una configuración de doble hélice.

Estructura de un nucleótido

Grupo fosfato

P Base nitrogenada

Desoxirribosa

Los nucleótidos son las subunidades que componen el ADN. Cada nucleótido es, a su vez, una molécula compuesta por:

Bases nitrogenadas Adenina

Timina

Guanina

Citosina

Estructura de la doble hélice del ADN Cadenas de desoxirribosas unidas por los fosfatos

P P

Bases unidas C G por enlaces débiles G

T P

P P

Doble hélice

PP PP

El modelo de la doble hélice

P P

P T

C C

• Una base nitrogenada, de la que existen cuatro tipos diferentes: adenina (A), timina (T), guanina (G) y citosina (C).

• Un grupo fosfato. Es un compuesto de fósforo, oxígeno e hidrógeno.

• Desoxirribosa. Es un glúcido del grupo de los azúcares.

En el ADN, los nucleótidos se unen entre sí para formar la cadena mediante un enlace entre el grupo fosfato de un nucleótido y el azúcar del nucleótido siguiente.

Los nucleótidos del ADN

PP PP

Según el modelo establecido por Francis Watson y James Crick en base a estudios de Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, las dos cadenas de nucleótidos del ADN se disponen la una junto a la otra formando una doble hélice con estas características: • Las cadenas de azúcares y fosfatos forman el armazón exterior de la doble hélice, mientras que las bases nitrogenadas de ambas cadenas se sitúan hacia el interior de la hélice. • Ambas cadenas se mantienen unidas mediante enlaces débiles que se establecen entre las bases nitrogenadas. Estas se emparejan siempre así: la timina se une con la adenina, y la citosina, con la guanina. Debido a ello, las cadenas son complementarias; es decir, la sucesión de bases de una cadena de nucleótidos determina la sucesión de bases en la otra cadena. Esta complementariedad es la base para la replicación del ADN.

1.2 El ARN y sus tipos El ARN es otro importante ácido nucleico. Sus principales características son las siguientes: • Es monocatenario, es decir, no forma dobles cadenas como el ADN, salvo en algunos tipos de virus. • Sus nucleótidos están formados por la unión de ribosa (un glúcido distinto del del ADN), un grupo fosfato y una base nitrogenada que puede ser adenina (A), guanina (G), citosina (C) o uracilo (U), que sustituye a la timina. • Las hebras de ARN son de menor tamaño que las de ADN, porque tienen un menor número de nucleótidos. • Su estructura tridimensional puede ser compleja, ya que a menudo su molécula se pliega y forma uniones débiles entre varios de sus tramos. Esto hace que, a veces, tenga formas peculiares.

Tipos de ARN Existen distintos tipos de ARN con diferentes funciones: • El ARN mensajero (ARNm). Es lineal y es el ARN que se sintetiza en el núcleo a partir del ADN y que lleva la información para fabricar las proteínas en el citoplasma. • El ARN ribosómico (ARNr). Está formado por moléculas de distintos tamaños y plegadas en formas globulares. Es el ARN que forma la estructura de los ribosomas. • El ARN transferente (ARNt). Se trata de moléculas de ARN plegadas y con formas características. Intervienen en la síntesis de proteínas, ya que transportan los aminoácidos hasta los ribosomas, donde guían el ensamblaje correcto de estas moléculas para sintetizar las proteínas.

1 Dibuja en tu cuaderno un nucleótido indicando sus componentes. ¿En qué se diferencian los diferentes nucleótidos que forman la molécula de ADN? 2 Dibuja una molécula de ADN que tenga cinco pares de bases nitrogenadas. 3

El espejo. Utiliza esta técnica de pensamiento y completa una tabla comparativa sobre el ADN y el ARN.

4 Explica qué significa que las dos cadenas que forman la doble hélice de ADN son complementarias, y escribe en tu cuaderno la secuencia de la hebra de ADN complementaria a esta: A T G G G A A T C C T A C G. 5 Una regla nemotécnica para recordar el emparejamiento de bases del ADN es Accidente de Tráfico (A-T), Guardia Civil (G-C). Inventa otra regla de este tipo para el emparejamiento de bases en el ARN.

Los tipos de ARN ARN mensajero

ARN ribosómico

Adenina

Uracilo

Guanina

Citosina

P P P

Citosina

Cadena única superenrollada

Adenina

ARN transferente 3' A

Cadena única de ribosas unidas por los fosfatos

C C A C C 3' U G C U 5' C AGGC CUU A

5' G

G C 3' G 5' 3' U GMe A U UG G G C C G G UH2 C G

G UH A

GC G C

GH2 C

U C 5' C C U U 3'

G C UC C G G y U G C 5' 3' A A UH G G G G y

IMe

G C C C G I

Cadena única con estructura tridimensional

El ADN de la teniente Ripley El conocimiento de que el ADN tiene la información genética se ha popularizado tanto que numerosas películas, series o novelas lo tratan de forma habitual, pero ¿lo hacen siempre correctamente? En la película Alien: Resurrection (1977) se crea un clon de la teniente Ripley 200 años después de su fallecimiento. A partir de su ADN clonan un ser humano completo que, además, conserva los recuerdos de la teniente Ripley original. a) ¿Crees que la memoria es un tipo de información que se transmite en el ADN? Justifica tu respuesta. b) Busca otros ejemplos de gazapos científicos en series, películas o novelas que tengan que ver con el ADN y explica por qué son erróneos.

El material genético en las células

1.3 La cromatina y los cromosomas

Los tipos de cromosomas

Submetacéntricos

En las células procariotas, el material genético está formado por una molécula principal de ADN circular, asociada a proteínas y enrollada formando una única fibra o cromosoma bacteriano. Cuando la célula se va a dividir, esta fibra se duplica, pero no se condensa.

Telocéntricos

En cambio, en las células eucariotas, el material genético está formado por varias moléculas de ADN asociadas con unas proteínas llamadas histonas, para formar varias fibras de cromatina. Durante la división celular, cada una de estas fibras de cromatina se duplica y se condensa (se empaqueta enrollándose sobre sí misma) hasta dar lugar a un cromosoma con dos cromátidas hermanas.

Los cromosomas se clasifican en función de la posición del centrómero respecto de los brazos y de la longitud de estos.

Metacéntricos

Acrocéntricos

La dotación cromosómica La dotación cromosómica de una célula es el número de cromosomas que esta tiene. La dotación cromosómica de la mayoría de las células eucariotas está formada por dos series similares de cromosomas. Cada cromosoma de una serie tiene su pareja con la misma forma y tamaño en la otra serie; son cromosomas homólogos.

Células y dotación cromosómica Célula haploide

Célula diploide

Un cromosoma de cada pareja

Dos cromosomas de cada pareja

El número de parejas de cromosomas que tiene una célula es su número haploide (n), y el número total de cromosomas, su número diploide (2n). Según esto: • Las células con las dos series de cromosomas homólogos se llaman diploides. • Las que solo tienen uno de los cromosomas de cada pareja se llaman haploides. • Y las células que tienen tríos, cuartetos o incluso más cromosomas homólogos se llaman poliploides. En los animales, la mayoría de las células son diploides excepto las células reproductoras, que son haploides.

Célula poliploide Más de dos cromosomas de cada pareja

Los musgos, muchos hongos o algunos protoctistas, tienen una mayoría de células haploides y solo producen células diploides en algunas fases de su ciclo vital. Por último, algunas plantas tienen células poliploides. En general, las células de los individuos de una misma especie tienen la misma dotación cromosómica. También son constantes la forma y el tamaño de cada cromosoma. Por ejemplo, las células de todos los mosquitos de la especie Aedes aegypti son n = 3 y 2n = 6; las de todo ser humano, n = 23 y 2n = 46; las de los perros, n = 39 y 2n = 78; y las de algunas especies de plantas pueden tener más de 500 cromosomas.

2 Cromosomas y sexo biológico En las células de muchos seres vivos con reproducción sexual y sexos separados, el sexo de cada individuo está determinado por una pareja de cromosomas, llamados cromosomas sexuales. A diferencia del resto de los cromosomas de la célula, los autosomas, los cromosomas sexuales no son completamente homólogos, sino que presentan diferencias en su forma y tamaño en uno de los dos sexos.

6 ¿Qué criterio se utiliza para clasificar los cromosomas?

En los mamíferos, por ejemplo, el sexo que tiene los cromosomas sexuales diferentes es el masculino (XY). En las aves, en cambio, es la hembra la que presenta cromosomas sexuales no homólogos (ZW).

8 Indica por qué los cromosomas tienen dos cromátidas hermanas.

7 ¿Qué similitudes y qué diferencias existen entre la cromatina y los cromosomas?

9 Si las células diploides de un organismo tienen 62 cromosomas, ¿cuántos cromosomas tendrán sus células haploides?

El cariotipo El cariotipo es la disposición ordenada del conjunto de todos los cromosomas presentes en una célula y refleja el número, el tipo y la estructura de los cromosomas característicos de una especie.

Obtención de muestra, fijación y tinción

Para construir un cariotipo se realizan microfotografías de las células durante su división, cuando los cromosomas están en su máxima definición (condensados al máximo). A continuación, los cromosomas se aislan de las fotografías y se colocan por pares de homólogos: los autosomas primero, de mayor a menor tamaño, y los cromosomas sexuales al final. Observación de células en mitosis y microfotografía

Interpretamos un cariotipo El cariotipo es una técnica que permite detectar alteraciones en el número o la estructura de los cromosomas, que se asocian a distintas enfermedades. Observa los siguientes cariotipos: uno es de la especie humana y el otro es de un pingüino.

Tratamiento digital de la foto para aislar los cromosomas

a) Fíjate en el número de cromosomas y deduce cuál es el humano. b) Investiga cómo es un cariotipo de una persona con síndrome de Down y una con síndrome de Turner. Compáralos con el cariotipo humano de la imagen y describe las diferencias que existen entre ellos.

X X (hembra)

X Y (macho)

Z Z Z39 W (hembra) (macho)

2 Los genes y su expresión En situación La transcripción y la traducción de los genes son el equivalente a la decodificación del lenguaje de programación de un videojuego, en la que las instrucciones del código dirigen impulsos electrónicos en la máquina, que vemos como imágenes, movimiento, interacción...

¿Cómo «funciona» el ADN? ¿Cómo hace la molécula portadora de la información genética para controlar el funcionamiento celular y así definir las características de las células y del organismo del que forman parte? Para comprender este «funcionamiento» del ADN, tenemos que saber cómo se expresa la información genética que contiene.

2.1 Los genes y el genoma Para entender la expresión de la información genética, tenemos que definir antes los conceptos de gen y de genoma. Un gen es un tramo de una molécula de ADN que lleva la información necesaria para que se sintetice una determidada proteína. El conjunto de todos los genes de una célula es su genoma. El genoma de un individuo es único y es el mismo en todas sus células.

La transcripción de un gen

Doble hélice de ADN que contiene el gen que se va a transcribir.

La expresión de un gen es la síntesis de la proteína que codifica. Como esa proteína interviene en los procesos celulares y se sintetiza en muchas células a la vez en un individuo, su expresión determina la aparición de un carácter en dicho individuo. Así, la expresión de un gen puede hacer, por ejemplo, que la flor de una planta sea de un color determinado.

La doble hélice se abre y las cadenas se separan en el tramo del gen.

No todo el ADN de una célula son genes. En cada molécula de ADN hay miles de genes, pero también hay tramos que no codifican para sintetizar proteínas, sino que sirven, por ejemplo, para la regulación de la expresión de los genes.

2.2 La transcripción del ADN El ADN, y por tanto los genes, se encuentran en el núcleo. En cambio, las proteínas se sintetizan en los ribosomas, que se encuentran en el citoplasma celular (libres o adheridos al retículo endoplasmático).

Una enzima fabrica una cadena de ARNm complementaria de la cadena de ADN.

Según esto, para que los genes puedan expresarse, debe existir un mecanismo que permita «trasladar» la información del material genético hasta los ribosomas. Este mecanismo es la transcripción.

ARNm

Triplete de bases que indica inicio de secuencia.

Triplete de bases que indica fin de secuencia.

La transcripción es la transferencia de la información del ADN de un gen (la secuencia de sus bases nitrogenadas) a una molécula de ARN mensajero (ARNm) complementaria.

2.3 El código genético y la traducción El ARNm sale del núcleo para ser traducido, es decir, utilizado como patrón para sintetizar una proteína con una secuencia de aminoácidos característica. La traducción es la síntesis de una molécula de proteína correspondiente a la secuencia de bases de la molécula de ARNm, que fue transcrita a partir del gen (ADN).

La síntesis de una proteína 1

Fin de secuencia

El ribosoma se une al ARNm. Ribosoma

GG UU

ARNm Aminoácido

Los ARNt transportan aminoácidos hasta el ribosoma.

ARNt

El código genético

U G

El código genético es la correspondencia entre la secuencia de bases del ARNm y la secuencia de aminoácidos de una proteína. El código genético tiene estas características:

A C

El anticodón del ARNt se une al codón del ARNm complementario.

Los aminoácidos se van ensamblando en la secuencia correcta, determinada por el ARNm.

• Está formado por tríos de nucleótidos consecutivos del ARNm. Cada trío se llama codón o triplete y se corresponde con un aminoácido. Además, hay algunos que indican el inicio y el final de la secuencia.

GG C

A A U

GG UU

• Es degenerado, es decir, que varios tripletes distintos pueden corresponder a un mismo aminoácido. Por ejemplo: la prolina puede corresponder a CCU, CCC, CCA y CCG. Este mecanismo protege de posibles errores producidos en la transcripción. • Es universal, es decir, es el mismo para todas las células de todos los seres vivos del planeta, aunque en el ADN de las mitocondrias puede variar.

Así se realiza la síntesis de las proteínas La síntesis de las proteínas tiene lugar en el citoplasma y la realizan los ribosomas de esta forma: 1. El ribosoma se une a la molécula de ARNm resultante de la transcripción. La síntesis se inicia en un codón que indica principio de secuencia (AUG). 2. Varias moléculas de ARN transferente (ARNt) transportan los aminoácidos hasta el ribosoma. Hay, al menos, un ARNt diferente para cada aminoácido.

Proteína

1 Explica por qué un gen puede determinar una característica de un ser vivo; por ejemplo, su color.

3. Reconocimiento de la secuencia. Los ARNt contienen en su estructura un conjunto de tres nucleótidos, el anticodón, cuyas bases nitrogenadas son complementarias a las del codón del ARNm.

2 Escribe cómo sería el ARNm que se transcribiría a partir de la secuencia de ADN siguiente:

4. Ensamblaje. Tras unirse un aminoácido, el ribosoma se desplaza por el ARNm y se repite el proceso. Así se van ensamblando los aminoácidos de la proteína en el orden correcto. El proceso termina al encontrarse un codón de parada (UAA, UAG o UGA).

ATTGCAGGCTTAGTAAGTTTT Consulta en internet la tabla que resume el código genético y traduce la siguiente secuencia: AUGCCCUAUGCUAUCAUGUCGUAA 4 Ten en cuenta los inicios y finales de secuencia. 37

La maquinaria celular permite que las moléculas de ADN generen copias de sí mismas que pueden ser transmitidas a la descendencia en la reproducción celular.

La transmisión de la información genética

El ADN solo se duplica cuando la célula va a dividirse, lo que sucede cada cierto tiempo en el ciclo de la vida de una célula.

3.1 El ciclo celular Se llama ciclo celular a las fases en las que se puede dividir la vida de una célula. En las células eucariotas, el ciclo celular es muy complejo. Se divide en dos períodos: la interfase y la fase mitótica.

En situación La replicación del ADN asegura que la información genética se transmita con precisión en cada nueva célula. Sería similar a la creación de una copia de seguridad de un programa informático (por ejemplo, de un videojuego), en otro ordenador.

La interfase Es una etapa larga durante la cual la célula crece, duplica su ADN y sus centriolos y se prepara para la división. La interfase tiene varias partes: fase G1, fase S y fase G2.

Fase mitótica, fase M, o división celular Es una breve etapa durante la cual la célula divide, primero, su núcleo y, después, su citoplasma. En ella se pueden distinguir: • La mitosis. Es el proceso mediante el cual la célula reparte su material genético, ya duplicado, entre las dos células que está formando. Consta de cuatro fases: profase, metafase, anafase y telofase. • La citocinesis. Es el proceso por el que la célula divide su citoplasma y sus orgánulos entre las dos células hijas que se forman tras la mitosis.

Observamos el ciclo celular La célula duplica su ADN

La célula recién formada crece y desarrolla sus estructuras

La célula duplica sus centriolos y aumenta su tamaño

CÉLULA EN INTERFASE

FASE S FASE G1

FASE G2

FASE M O DIVISIÓN CELULAR

CÉLULA EN DIVISIÓN

CITOCINESIS TELOFASE

PROFASE ANAFASE

METAFASE

3.2 La replicación del ADN en la interfase

Así se replica el ADN

La replicación del ADN es el proceso por el cual se sintetizan dos copias idénticas de la molécula de ADN. Tiene lugar según el siguiente proceso:

La doble hélice se desenrolla para ser duplicada.

La ADN polimerasa construye dos cadenas complementarias.

1. La doble hélice de ADN se desenrolla y se abre como una cremallera, de manera que las dos cadenas se separan. 2. Cada una de las dos cadenas sirve de molde para construir una cadena complementaria mediante el acoplamiento de los nucleótidos (los de adenina con los de timina, y los de guanina con los de citosina). Este proceso es llevado a cabo por una enzima específica llamada ADN polimerasa.

Cadena original

3. Al terminar este proceso se habrán formado dos dobles hélices idénticas. Cada una de ellas está formada por una cadena conservada del ADN original y una cadena nueva. Por esa razón se dice que la replicación es un proceso semiconservativo.

ADN polimerasa

Cadena nueva

1 ¿Qué es el ciclo celular?

Se han formado dos dobles hélices idénticas.

2 Explica qué sucede en las fases G1, S y G2 del ciclo. 3 ¿Qué es la ADN polimerasa? 4 ¿Qué significa que la replicación es semiconservativa? Cada doble hélice conserva una cadena de ADN original y una cadena nueva.

5 ¿Qué consecuencias crees que tendría un error en el proceso de replicación de una cadena de ADN?

El ciclo celular y los tumores Los mecanismos reguladores del ciclo celular suelen ser partes del ADN que controlan la expresión de genes. Si algo daña esas partes del ADN, los mecanismos de regulación fallan, las células se dividen de forma incontrolada y se forman tumores. En los seres humanos, por ejemplo, la acción de la radiación UVA sobre las células de la piel puede causar una acumulación de estos «errores» en su ADN y causar desde simples lunares benignos hasta cáncer de piel (melanoma).

Investiga y responde: a) ¿Qué diferencia a un lunar de un melanoma? b) ¿Por qué es recomendable ponerse crema protectora para exponerse al sol? c) ¿Por qué algunos insectos inducen la formación de tumores tipo agalla a algunas plantas?

En las plantas, que también pueden tener tumores, ciertos insectos pueden inocular a la planta sustancias que actúan sobre estos genes reguladores y causan un tumor en los tejidos de la planta que conocemos como «agalla». También pueden causar tumores en plantas algunas bacterias y virus.

4 La mitosis y la citocinesis En situación Para distribuir un videojuego, se envían a otros ordenadores copias exactas de la programación inicial. Esto sería equivalente a la mitosis. Gracias a ella, cada célula nueva recibe una copia exacta del código genético «original».

En las células eucariotas, la división celular tiene lugar durante la fase M del ciclo celular una vez que el ADN se ha duplicado. Esta división implica un reparto del contenido celular entre las células hijas y se lleva a cabo mediante los procesos de la mitosis y de la citocinesis.

4.1 La mitosis La mitosis es el proceso mediante el que una célula progenitora reparte en dos partes iguales el material genético de su núcleo, entre dos células hijas, que tendrán el mismo genoma.

Significado biológico de la mitosis En los organismos unicelulares, la mitosis es un mecanismo de reproducción asexual, que permite aumentar el número de organismos de una especie. Pero en los organismos pluricelulares, la mitosis tiene como función permitir el crecimiento del individuo o la renovación de las células deterioradas mediante divisiones sucesivas.

Cómo observar la mitosis Te han encargado preparar un taller de prácticas para la clase de biología. Se trata de conseguir observar, mediante el microscopio óptico, células que estén experimentando una mitosis. Para ello, tienes que preparar los materiales necesarios y un procedimiento para realizar la observación y registrar los resultados. Elegir la muestra biológica más adecuada. Dispones de varios materiales biológicos. Razona cuáles son adecuados y cuáles no: a) Bacterias, ya que son células abundantes y se reproducen con mucha rapidez. b) Células de los ápices de la raíz de una planta, ya que es un tejido en crecimiento y las células son de gran tamaño. c) Glóbulos rojos, ya que son fáciles de obtener. Preparar las muestras. Para poder observar las células en pleno proceso de división, debes realizar un procedimiento con varias etapas. Aquí se citan desordenadas. Escríbelas ordenadas en tu cuaderno: a) Observar la muestra con el objetivo de 40 aumentos. b) Colocar un trocito de la muestra teñida y fijada en un «porta». c) Añadir orceína acética clorhídrica para fijar y teñir la muestra en el platillo (10 min. a 60 °C). d) Colocar la muestra fresca en un platillo de vidrio. e) Colocar un «cubre» sobre la muestra, luego un papel absorbente y aplastar suavemente la muestra. f) Al localizar una célula en división, pasar a un objetivo de mayor aumento.

Las fases del proceso de la mitosis Profase Cada par de centriolos migra a un polo de la célula y entre ellos se forma el huso acromático o huso mitótico, que es un haz de fibras del citoesqueleto que dirige la mitosis. La envoltura nuclear se desintegra y la cromatina del núcleo se condensa en forma de cromosomas, cada uno formado por dos cromátidas hermanas.

Metafase Los centriolos se mantienen en los polos opuestos de la célula y sus fibras se unen a los centrómeros de los cromosomas. Dirigidos por las fibras del huso, todos los cromosomas se sitúan en el plano ecuatorial de la célula.

Anafase Los centriolos comienzan a acortar las fibras del huso acromático. Como consecuencia, tiran de los cromosomas en direcciones opuestas. Debido a esta tracción, las dos cromátidas hermanas de cada cromosoma se separan y cada una de ellas se dirige hacia uno de los polos de la célula.

Telofase Cuando las cromátidas llegan a los polos celulares, el huso acromático se desintegra y se forma una nueva envoltura nuclear alrededor de cada conjunto de cromátidas. Las cromátidas se descondensan, hasta volver a su estado de cromatina que es el que tienen normalmente en el núcleo. Citocinesis en células animales

Citocinesis en células vegetales

Anillo de fibras

Fragmoplasto

4.2 La citocinesis La citocinesis es el proceso por el que la célula reparte su citoplasma y sus orgánulos entre las dos células hijas que produce al dividirse.

Tipos de citocinesis La citocinesis es diferente según el tipo celular: • En las células eucariotas de tipo animal, que no tienen pared, la membrana plasmática se estrangula hacia dentro debido a un anillo de fibras que se estrecha alrededor del ecuador de la célula. • En las células eucariotas de tipo vegetal, que tienen pared, se forma un tabique o fragmoplasto en el ecuador celular, que crece desde el centro hacia la periferia hasta dividir el citoplasma.

1 Describe los cromosomas al inicio de la mitosis. 2 ¿Cuál es la función del huso acromático? 3 ¿Por qué es diferente la citocinesis en las células de tipo animal y de tipo vegetal? 41

5 La meiosis y la reproducción sexual En situación La meiosis se podría comparar con los algoritmos de generación de variedad de muchos videojuegos, que combinan ciertos atributos para crear personajes únicos. Del mismo modo, la meiosis crea combinaciones únicas de código genético en los gametos, que darán descendientes con caracteres únicos.

En los organismos que tienen reproducción sexual, la unión de los dos gametos, uno procedente de cada progenitor, genera la célula del descendiente. Por tanto, esta tendrá material genético procedente de cada uno de los dos progenitores. Esta forma de reproducción plantea un problema. Si el material genético de los descendientes es la fusión de los de sus progenitores, ¿no se irá duplicando una y otra vez con el paso de las generaciones? La realidad es que esto no ocurre; la dotación cromosómica (la cantidad de material genético) de las células de los descendientes es la misma que la de sus progenitores. ¿Cómo consiguen esto los organismos?

5.1 Reproducción sexual y dotación cromosómica Los organismos con reproducción sexual tienen dos tipos de células: • Las células somáticas, que son células diploides (2n), suelen formar el cuerpo del organismo y no tienen función reproductora. • Las células germinales, especializadas en la reproducción, que son diploides (2n), pero que, a través de una división especial llamada meiosis, dan lugar a las células sexuales o gametos haploides (n). Gracias a que los gametos son haploides, cuando sucede la fecundación, el gameto masculino (n) se une al gameto femenino (n), para dar lugar al cigoto o célula huevo (2n). De este modo se garantiza que el descendiente tenga el mismo número de cromosomas que sus progenitores y no el doble.

La formación de gametos haploides y la fecundación Célula germinal diploide (2n)

Célula germinal diploide (2n)

Cigoto diploide (2n)

Meiosis I

Dos células haploides (n)

Meiosis II

Cuatro células haploides

Tres corpúsculos polares (células haploides que acaban degenerando) Fusión de los gametos Un óvulo, el gameto femenino, haploide (n)

Cuatro espermatozoides, gametos masculinos, haploides (n)

5.2 La meiosis y la formación de los gametos La meiosis es un proceso de división celular en el que una célula progenitora diploide produce cuatro células haploides con diferentes genomas.

Significado biológico de la meiosis La meiosis tiene una importancia doble para los seres vivos con reproducción sexual, ya que sirve para: • Generar células sexuales haploides, es decir, para reducir a la mitad el número de cromosomas. • Generar variabilidad genética, a través de diferencias en el genoma de las células descendientes (los gametos). Esto es posible porque cada gameto recibe solo uno de los dos cromosomas homólogos y porque, durante la meiosis, se produce un fenómeno llamado sobrecruzamiento, que intercambia fragmentos de cromátidas entre cromosomas homólogos. Así, los gametos resultantes son genéticamente distintos entre sí y distintos de la célula madre. La combinación al azar de dos gametos de dos progenitores en la reproducción sexual hace que toda su descendencia presente genomas diferentes. Estas diferencias genéticas entre individuos son la base de la evolución biológica.

1 Explica el significado biológico de la meiosis y compáralo con el de la mitosis. 2

Haced una asamblea de ideas sobre esta pregunta. ¿Por qué es importante que los individuos de una especie presenten variabilidad genética?

3 ¿Puede existir esta variabilidad genética en la reproducción asexual? Razona tu respuesta.

La meiosis y la diversidad genética Durante el proceso de meiosis, cada gameto recibe solo uno de los dos cromosomas que forman cada pareja de homólogos. Esto genera múltiples combinaciones de cromosomas y, por lo tanto, gran cantidad de gametos con una dotación genómica diferente. Para simular el proceso de formación de los gametos, toma un grupo de tres monedas de valor diferente. Cada una (su «cara» y su «cruz») representará una pareja de cromosomas homólogos de una especie n = 3 o 2n = 6. Lanza las monedas y observa la combinación de caras y cruces, que equivaldría a la combinación de cromosomas que le tocarían a un gameto en el reparto realizado en la meiosis.

Tres parejas diferentes de cromosomas homólogos

MEIOSIS

Posibles combinaciones en los gametos

¿Cuántas combinaciones posibles crees que pueden salir? Las matemáticas nos dicen que, en casos como este de las monedas, el número de combinaciones posibles es de 2x (donde x es el número de monedas). Según esto, ¿cuántas combinaciones posibles de cromosomas pueden existir en los gametos de la especie humana, cuya dotación cromosómica es de 23 pares? La dotación cromosómica de los descendientes de una pareja de individuos con reproducción sexual tiene aún más combinaciones posibles. ¿Por qué? Razónalo con el ejemplo de la especie con 6 cromosomas de esta actividad.

La meiosis y la reproducción sexual

5.3 Así se produce la meiosis El proceso de la meiosis tiene lugar en dos fases denominadas meiosis I y meiosis II.

Meiosis I En esta fase se producen dos células hijas haploides, con la mitad de la dotación cromosómica que la célula original diploide.

La primera división meiótica. Meiosis I Profase I Es la etapa más larga de la meiosis y tiene lugar sobre una célula original diploide (2n). En esta fase, las fibras de cromatina que se duplicaron en la interfase se condensan y se forman los cromosomas. Los centriolos se sitúan en los polos de la célula y forman el huso.

Sinapsis

Una vez formados, cada cromosoma reconoce a su homólogo y se empareja con él. La unión entre ambos es muy estrecha, se produce gen a gen y se denomina sinapsis. Durante la sinapsis se produce un intercambio de fragmentos de ADN (genes) entre las cromátidas no hermanas de los cromosomas homólogos. Este fenómeno se denomina sobrecruzamiento y supone un intercambio de información hereditaria o recombinación genética entre los cromosomas. Es un fenómeno de gran importancia por la variabilidad genética que genera.

Metafase I Las parejas de cromosomas homólogos se mantienen unidos por los puntos de sobrecruzamiento y se sitúan en el plano ecuatorial de la célula, sujetos a los filamentos del huso.

Anafase I Las fibras del huso comienzan a acortarse y a ejercer tracción. Esto separa a los cromosomas de cada pareja de homólogos, que se dirigen hacia polos opuestos. Al separarse, los brazos entrecruzados se llevan los fragmentos de las cromátidas no hermanas que fueron intercambiados durante la recombinación genética ocurrida en la profase I.

Telofase I y citocinesis Una vez que los cromosomas llegan a los polos, se descondensan y las fibras del huso desaparecen. También se forma de nuevo la membrana nuclear. A continuación, el citoplasma se divide y se forman dos células hijas (n) con la mitad de cromosomas que la célula original y con una recombinación de genes en ellos.

Sobrecruzamiento

2 Meiosis II Esta fase es similar a una mitosis. En ella, cada una de las células resultantes de la meiosis I se dividen a su vez. En esta fase ya no se reduce más la dotación cromosómica. El resultado total de la meiosis es de cuatro células haploides, con la mitad de cromosomas que la celula original.

La segunda división meiótica. Meiosis II Profase II Se produce de forma simultánea en las dos células resultantes de la primera división y sin que ninguna de ellas pase por una interfase. En cada célula, los centriolos se duplican y migran hacia los polos. La membrana nuclear desaparece otra vez y los cromosomas se condensan de nuevo y vuelven a ser visibles.

Metafase II Los cromosomas se disponen en el plano ecuatorial de la célula y las fibras del huso se unen a sus centrómeros.

Anafase II Las fibras del huso se acortan una vez más y, en este caso, su tracción separa las cromátidas hermanas de cada cromosoma, de modo similar a lo que ocurre en una mitosis.

Telofase II y citocinesis Con los cromosomas en cada polo, las fibras del huso desaparecen y los cromosomas se descondensan. Se forma de nuevo la membrana nuclear. Finalmente, el citoplasma se divide. El resultado total de la meiosis serán cuatro células hijas haploides (n).

4 Si quisieras observar la meiosis en las células, ¿qué material biológico deberías utilizar? Razona, en tu cuaderno, cuál de estas posibilidades es la más adecuada.

a) Células de la raíz de una cebolla. b) Células de la sangre. c) Células de las gónadas de un animal.

Power

STEAM PROTAGONISTA

NETTIE STEVENS A principios del siglo xx, se creía que el sexo de los recién nacidos dependía de factores ambientales o de la nutrición de la madre. Fue la investigadora Nettie Maria Stevens (1861-1912) quien descubrió las bases de la determinación del sexo en animales y su relación con los cromosomas.

CÓRDOBA

Nettie nació en Vermont, Estados Unidos, en 1861. Tras obtener su doctorado en la Universidad de Bryn Mawr, investigó los cromosomas de algunos insectos. Descubrió que la determinación del sexo en el escarabajo Tenebrio molitor no se debía a factores externos, sino a una pareja específica de cromosomas, uno grande y otro más pequeño, que, posteriormente, se denominarían X e Y, respectivamente.

Aunque los descubrimientos de Stevens son aplicables a la especie humana, hoy en día sabemos que otras especies presentan diferentes mecanismos en la determinación del sexo. No obstante, las investigaciones de Nettie Stevens marcaron el rumbo para todos los estudios posteriores en este campo. Su iniciativa, perseverancia y su capacidad para pensar de forma crítica la llevaron a abordar el problema sin ideas preconcebidas, y esta ausencia de prejuicios fue la clave de su éxito como investigadora.

POWER SKILLS!

A V I T A I A ICO INIRCSEVERANCI T Í R C PE NTO E I M A PENS

CENTRO DE INVESTIGACIÓN

Su investigación reveló que las hembras tienen dos cromosomas X grandes, mientras que los machos tienen un cromosoma X y uno Y más pequeño. Nettie Stevens dedujo que esta diferencia determinaba el sexo de los individuos. Además, demostró definitivamente la relación entre los cromosomas y la herencia de los caracteres, décadas antes de que se descubriera la estructura del ADN como principal componente de los cromosomas.

BANCO DE GERMOPLASMA VEGETAL ANDALUZ (BGVA) El germoplasma es el conjunto de genes que se transmite a la descendencia con los gametos. El de las plantas se recolecta en forma de semillas, bulbos, esporas o polen y se conserva en «bancos». Los bancos de germoplasma son esenciales para la conservación vegetal porque mantienen el patrimonio genético de la flora. El BGVA fue uno de los precursores de la Red Española de Bancos de Germoplasma, y colabora con otras instituciones cediendo germoplasma para la investigación. En este centro se estudian técnicas de propagación, recuperación de especies en peligro de extinción, evolución vegetal y aplicación en la agricultura y la farmacología.

MI PROFESIÓN

INGENIERO GENÉTICO Hola, me llamo Mohamed y soy ingeniero genético. Mi trabajo consiste en manipular y alterar algunos genes para obtener características específicas en los seres vivos que estudio y para desarrollar nuevos productos biotecnológicos.

damente, y hay que reaccionar con rapidez e imaginación a los descubrimientos de otros equipos científicos en todo el mundo. En esta profesión también es muy importante tener valores y ética a la hora de plantear experimentos con el material genético de los seres vivos.

Para ser ingeniero genético, hay que estudiar un grado en Biología o en Biotecnología y especializarse en genética. También es esencial aprender de forma constante para estar actualizado, ya que la genética es un campo en constante evolución.

Lo que más valoro de mi profesión es su potencial para curar enfermedades que, hasta ahora, resultaban incurables.

OREJAS DE FAMILIA

Mi trabajo se centra en la llamada terapia génica, que intenta curar enfermedades corrigiendo genes defectuosos. Para ello, diseño vectores virales (virus modificados de manera artificial) que pueden introducir genes sanos en células enfermas.

Mis colegas, a menudo, analizan las secuencias de ADN para rastrear rasgos genéticos. Un rasgo común es el tipo de lóbulo de la oreja (unido o libre). ¿Me ayudarías con esto?

Para este trabajo, es muy importante aprender a pensar de forma crítica, ya que cada detalle puede influir en los resultados. También es crucial la creatividad para diseñar experimentos que permitan poner a prueba nuestras hipótesis y avanzar en el conocimiento de la función de cada gen y de los efectos de su activación o inactivación sobre el organismo. Otras habilidades clave son la adaptabilidad y la autonomía, ya que las tecnologías cambian rápi-

1. Observa el lóbulo de tu oreja, ¿es unido o libre? Toma nota de los resultados. 2. Usando un cuestionario y entrevistando a familiares, intenta rastrear qué tipo de lóbulo predomina en tu familia. 3. Con los datos recopilados, discute en clase cómo ciertos rasgos pueden ser heredados y cómo las personas que se dedican a la ingeniería genética pueden usar información similar para rastrear enfermedades congénitas o rasgos específicos en familias.

¿SABÍAS QUE...? O AUTON

MÍA

POWER SKILLS!

ADA D I L I AB S Y ÉTIC E T P A AD VALORE IZAJ D ANTE D N E APRCONSTEATIVIDA R C

Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier fueron las ganadoras del Premio Nobel de Química en 2020 por su innovadora herramienta de edición genética CRISPR-Cas9, que permite «cortar» y «pegar» secuencias genéticas con precisión. Esta tecnología ha revolucionado la investigación genética y ha jugado un papel clave en el desarrollo de las pruebas de detección rápida del COVID-19.

PORFOLIO ¿Qué has aprendido? Organiza las ideas

Interpreta imágenes

3 Observa la siguiente imagen y responde:

Rueda de atributos. Copia en tu cuaderno este organizador visual sobre el código genético, pero complétalo con los textos que faltan.

Es la correspondencia entre ... y ... El código genético Es el mismo para todos los seres vivos, es decir, es ...

Está formado por...

P P

Cada ... o triplete se corresponde con un ...

Algunos codones indican ... o ... de secuencia

Haz un resumen 2 Elabora tu propio resumen de la unidad siguiendo este guion: • Explica la composición y la estructura del ADN. • Nombra los tipos de ARN que existen y relaciona cada uno de ellos con su función. • Define transcripción y nombra las moléculas implicadas en el proceso.

• Define meiosis y explica su significado biológico. • Indica los principales acontecimientos que tienen lugar en cada una de las fases de la meiosis.

b) Identifica el componente A e indica de qué está formado. c) ¿Qué representan las líneas señaladas con la letra B? ¿Qué importancia tienen para la estructura de la biomolécula? d) ¿Qué son los elementos marcados con las letras A, T, G y C? ¿Qué importancia tienen? 4 Explica qué representa el dibujo inferior y di a qué fases corresponden los números.

• Explica brevemente las diferentes fases del ciclo celular.

• Establece las diferencias entre la citocinesis de células animales y vegetales.

B P

a) ¿A qué biomolécula corresponde? ¿Cuál es su función?

• Explica qué es y para qué sirve el código genético.

• Explica las fases de la mitosis y el significado biológico del proceso.

• Define traducción y nombra las moléculas que intervienen en ella.

• Explica, paso a paso, cómo se produce la replicación del ADN.

Es degenerado, es decir, varias ... pueden corresponder al mismo ...

5 Di a qué proceso y a qué etapa de dicho proceso corresponden estas imágenes:

7 Establece las diferencias entre:

Aplica

a) Cromátidas hermanas y cromátidas homólogas.

6 Copia y completa en tu cuaderno esta tabla: MITOSIS

b) Metafase mitótica y Metafase I meiótica.

MEIOSIS

c) Anafase mitótica y anafase I meiótica.

Células en las que tiene lugar (somáticas o germinales).

Avanza

Número de divisiones.

8 Si en la meiosis no se produjera la recombinación genética, ¿crees que existiría variabilidad genética en la descendencia? ¿Por qué?

Número de células hijas resultantes. Dotación cromosómica de las células hijas (n o 2n).

9 Si la meiosis hace que cada gameto sea único, ¿por qué existen personas gemelas idénticas?

¿Hay recombinación? ¿Produce variabilidad genética?

¡ACTÚA!

Creamos un diagrama de flujo sobre el funcionamiento del código genético IDEA Y DISEÑO

PROGRAMACIÓN (líneas de código) Copia para distribución Decodificación: instrucciones para la máquina

Fíjate en el diagrama de flujo. Representa las etapas en el desarrollo, funcionamiento, almacenamiento y distribución de un videojuego. b) ¿Qué crees que representan los elementos sombreados? ¿Y el elemento «FALLO»?

Mundo

Personajes

c) ¿Qué diferencia hay entre las tres copias que se indican en el esquema? 4 Crea en tu cuaderno un esquema similar, pero sustituye los elementos del esquema por los elementos sobre el funcionamiento del ADN que has estudiado.

Copia de seguridad

FALLO

Interacción

Algoritmo Personalización Versiones del mundo

Versiones de personaje

Situación de aprendizaje

Ahora que conoces bien los procesos de transcripción, traducción y replicación del ADN, realiza un organizador visual que compare estos procesos con las etapas de creación, desarrollo funcionamiento y distribución de un videojuego.

Versiones de interacción

Copia personal única

Reflexiona cómo has aprendido 1 ¿Qué estrategias has utilizado para aprender procesos biológicos tan complicados como la transcripción, la síntesis de proteínas, la mitosis o la meiosis? 2 Reflexiona sobre tu aprendizaje rellenando el cuestionario y las rúbricas disponibles en anayaeducacion.es. 49

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