Download - Unidad 1. Vida
Biología Celular Programa desarrollado
Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Biotecnología 1
Licenciatura / Ingeniería en:
Biotecnología
Programa de la asignatura
Biología Celular
Clave:
200920415
190920415
ESAD
Biología Celular Programa desarrollado
Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Biotecnología 2
Unidad 1. Vida
Presentación de la unidad
La vida puede entenderse como “las cualidades que distinguen a un ser vivo de un cuerpo
muerto”, resulta muy difícil definir concretamente dichas cualidades porque los seres
vivos somos muy diversos, todos podemos dar por sentado que entendemos de manera
intuitiva el significado de estar vivo pero no podemos definir concretamente lo que
significa “vida”. Una forma práctica de definir la vida es estudiando las interacciones entre
un ser vivo con su medio, el flujo entre lo que dicho organismo toma de su medio y lo que
le regresa; el cual es un flujo energético y puede entenderse como termodinámica. Un ser
vivo posee una estructura organizada y compleja, que mantiene ordenada por medio de la
homeostasis, crece, se reproduce heredando sus características almacenadas en el ADN
y muere. En este sentido la mínima expresión de vida que presenta estas características
es la célula como unidad básica de vida. En esta unidad estudiaremos el flujo
termodinámico entre la célula y su medio.
Propósitos
Al término de la unidad, comprenderás la necesidad de incorporar los conocimientos
generales de la biología celular, la importancia de la estructura y su relación con el
metabolismo celular, lo cual posteriormente te permitirá desarrollar habilidades para la
investigación, resolución de problemas y toma de decisiones.
Competencia específica
Analizar el concepto de vida para relacionar sus distintas definiciones bioquímicas y
termodinámicas con los distintos procesos biotecnológicos mediante la identificación de
las características que definen a un ser vivo.
1.1. Definiciones e interpretaciones bioquímicas y termodinámicas
La vida es un concepto abstracto y difícil de definir, a nivel biológico la vida se manifiesta
a través de la energía, la vida fluye gracias a que la energía está presente y se mueve a
través de los sistemas biológicos. Para entender la vida en términos de energía y explicar
sus procesos es necesario recurrir a la termodinámica, esta ciencia nos permite entender
el flujo de la energía y las transformaciones que sufre en un sistema cerrado, como
nuestro planeta y en un sistema abierto, como lo es la célula o un organismo multicelular.
Las leyes de la termodinámica expresan que la energía solo puede transformarse y que
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estas transformaciones promueven el caos, el cambio, la aleatoriedad dentro de un
sistema. La célula a simple vista parece ir en contra de las leyes de la termodinámica al
permanecer siempre constante en sus procesos, invirtiendo mucha energía para
mantener el equilibrio u homeostasis en su sistema.
El abordaje de las leyes de la termodinámica desde el punto de vista de la biología celular
te permitirá comprender el flujo y las transformaciones de la energía dentro del ambiente
celular así como identificar y analizar el papel que juega la energía en el desarrollo de las
funciones celulares, como son el crecimiento, organización, metabolismo y reproducción.
Así mismo descubrirás que estos procesos han estado presentes desde la aparición de la
célula y que han permitido la adaptación y evolución de la vida hasta el día de hoy. En
esta unidad te brindaremos las bases que te permitan comprender el metabolismo celular
e identificar sus posibles aplicaciones en procesos biotecnológicos como puede ser el uso
de los procesos bioquímicos de microorganismos como herramienta en la obtención de
productos en industrias como la alimenticia, farmacéutica y salud pública.
1.1.1. Entropía y su relación con la vida
Si observamos a nuestro alrededor nos percataremos de que todo se mueve; el universo,
nuestro sistema solar, el planeta tierra, el aire, el mar, los seres vivos con quienes
coexistimos, nosotros, nuestras células, moléculas y átomos, todo está en movimiento
constante, este movimiento se debe a la energía. La energía se puede definir como la
capacidad de realizar un trabajo, y está presente de dos formas principales: energía
potencial y energía cinética, la primera es la que tiene todo cuerpo justo antes de realizar
un trabajo (puede entenderse como cuerpo a una molécula u organismo) y la segunda,
es la que se tiene cuando el cuerpo se encuentra en movimiento.
Imagina que tienes en tus manos una resortera y quieres lanzar una piedra con ella, para
poder hacerlo necesitas estirar la liga de la resortera cargándola de energía, que se
almacena en la liga antes de que la sueltes. En cuanto tu mano libera la liga, ésta
transfiere toda la energía potencial a la piedra, la energía potencial que estaba presente
al principio se convierte en energía cinética, o energía de movimiento, que le permite a la
piedra desplazarse por el aire primero muy rápido, después su velocidad va
disminuyendo conforme se le acaba la energía y finalmente se detiene cayendo al suelo.
De un modo similar, la energía potencial almacenada en los alimentos que consumes (en
forma de energía química) es convertida en energía cinética por los músculos de tu
brazo cuando jalas la liga de tu resortera.
La ciencia que estudia a la energía y las transformaciones que sufre se llama
Termodinámica, proviene de los vocablos griegos termo, que significa "calor" y dinamis,
que significa "fuerza-movimiento”. La energía puede estudiarse a través de su
interacción con dos tipos de sistemas: El sistema cerrado, que no puede intercambiar
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materia, pero si energía con su alrededor: como nuestro planeta, y el sistema abierto,
que si puede intercambiar materia y energía con su medio: por ejemplo, un automóvil;
cabe mencionar que todos los seres vivos (incluyendo a las células) funcionamos como
sistemas abiertos.
Existen dos unidades de medida con las que se puede expresar o medir la energía:
La caloría (cal) que es la cantidad de energía que se necesita para elevar un grado
Celsius la temperatura de un gramo de agua pura, desde 14,5 °C a 15,5 °C, a una
atmósfera de presión. Ésta es principalmente una unidad de calor, en sistemas
biológicos no se utiliza con frecuencia ya que por lo general las células no utilizan el calor
como energía para realizar sus funciones; el calor es un producto celular de la
transformación de energía, sin embargo se utiliza el término caloría o kilocaloría para
describir el potencial energético de los alimentos y es usada comúnmente por los
nutriólogos; una caloría equivale a 4.148 Joules.
El joule (J) es la segunda unidad, que nos permite medir energía, trabajo y calor; tiene
muchas formas de expresarse, por ejemplo un joule equivale a 0.2390 Cal.
Para poder estudiar y entender a la energía y sus cambios nos valemos de las dos
primeras leyes de la termodinámica.
Primera ley de la termodinámica:
Esta ley postula que la energía no se crea ni se destruye, solo puede transformarse
en un tipo de energía distinto de la original. Una célula, por ejemplo, no puede crear la
energía que necesita para vivir, debe tomarla de su medio y transformarla para poder
realizar su trabajo (metabolismo). En una red trófica las plantas captan la energía
luminosa que proviene del sol y mediante la fotosíntesis la convierten en energía química
almacenada en las moléculas de azúcar que sintetiza la planta y que acumula en sus
frutos, posteriormente algún animal: por ejemplo, un mono, comerá este fruto lleno de
energía química y lo transformará en energía cinética para poder mover sus músculos y
en calor.
En este ejemplo, solo una parte de la energía proveniente del rayo de sol fue
transformada en azucares por la planta mediante la fotosíntesis, y solo una parte de la
energía química del azúcar es transformada en energía cinética por el músculo del mono
que consumió la fruta, el resto de la energía se transformó en calor que no puede ser
usado por un ser vivo para realizar trabajo; este calor se transfiere al medio cumpliéndose
la primera ley “la energía no se crea ni se destruye, solo puede transformarse.
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En nuestra vida diaria encontramos muchos ejemplos de transformación de energía: La
energía cinética del agua corriente de un gran rio se convierte en energía eléctrica
mediante un alternador y se conduce a través de la red eléctrica hasta nuestro hogar y al
encender el foco de tu habitación esta energía eléctrica se transforma en energía
luminosa y calor.
Segunda ley de la termodinámica: “entropía”
La segunda ley de la termodinámica puede abordarse como sigue: cuando la energía es
convertida de una forma en otra parte de esta energía utilizable, es decir, la energía
disponible para realizar algún trabajo, se degrada a una forma menos útil; el calor, que
se dispersa a los alrededores del sistema. Como resultado, la cantidad de energía útil
disponible para realizar un trabajo va disminuyendo a lo largo del tiempo conforme se va
transformando.
Es importante comprender que la segunda ley de la termodinámica es consistente con la
primera ley, en otras palabras, la cantidad total de energía en el universo no disminuye
con el tiempo, sin embargo, la energía disponible para realizar trabajo se degrada en
energías menos utilizables con el tiempo; esta energía es más difusa o desorganizada.
La Entropía (S) es la unidad de medida de este desorden o aleatoriedad; la energía útil
es más organizada y tiene menos entropía, mientras que la energía desorganizada como
el calor tiene una alta entropía.
La entropía total del universo está en constante aumento en todos los procesos
naturales, de tal suerte que al paso del tiempo, billones de años a partir de ahora toda la
energía habrá sido transformada en calor y se distribuirá uniformemente por el universo.
Si esto ocurre, el universo dejará de moverse porque todo tendrá la misma temperatura
y no habrá forma de realizar trabajo porque no es posible utilizar el calor como energía
para realizar trabajo
Otra forma de explicar la segunda ley es que la entropía, o desorden, en un sistema
cerrado está presente de manera natural como parte inherente del sistema, ms que ser
causada por alguna influencia externa.
Como resultado de la segunda ley, ningún proceso en que se involucra la conversión de
energía es 100% eficiente, ya que como se ha explicado parte de la energía se dispersa
como calor contribuyendo al incremento de la entropía. Por ejemplo, el motor de un
automóvil, que convierte la energía química de la gasolina en energía mecánica tiene una
eficiencia del 20-30%, esto es; solo este rango de la energía es convertida en movimiento,
el resto se dispersa como calor. Las células tienen una eficiencia promedio del 40%.
Una célula, como sistema, para poder sobrevivir necesita mantenerse en un estado
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ordenado y por lo que parecería que viola esta segunda ley al resistirse al desorden.
Esto puede explicarse porque la célula no es un sistema aislado(como lo marca la
primera ley), puede tomar energía de su entorno para generar su propio alimento y usar
la energía contenida en este por medio de reacciones químicas para mantener el orden
dentro de sí y mantener su estructura en un estado ordenado , en estas reacciones,
parte de esta energía será transformada en calor( primera ley), este calor incrementará
el movimiento de las moléculas del sistema y se transmitirá hacia el ambiente
extracelular desordenándolo, de tal suerte que la entropía total de la célula y el de su
alrededor incrementa, como lo demanda la segunda ley de la termodinámica(Alberts,
2002).
Análisis termodinámico de una
célula.
ALBERTS, B. et al. 2002
Molecular Biology of the Cell
Para entender mejor este proceso, analicemos el siguiente ejemplo: En todo proceso
termodinámico, la transformación de energía genera calor que momentáneamente
calienta el sistema y se enfría nuevamente ya que el calor es transmitido al exterior.
Cuando pones a funcionar un automóvil la combustión de la gasolina lo calienta bastante
incrementando su entropía, sin embargo el motor no permanece caliente porque cuando
lo apagas este calor es transmitido al aire que rodea el motor, el aire absorbe el calor y lo
transporta enfriando el motor nuevamente llegando a su nivel máximo de entropía.
En un sistema biológico como nuestro cuerpo, el mantener el calor es importante, de
acuerdo a la primera ley de la termodinámica nuestro cuerpo transforma a los alimentos
en energía y calor, nosotros necesitamos mantener una temperatura constante de
alrededor de 36 °C para poder funcionar de manera óptima, si fuéramos un sistema
cerrado, al terminar de digerir el alimento nos enfriaríamos por debajo de esta
temperatura comprometiendo nuestra vida. Sin embargo mantenemos nuestra
temperatura corporal yendo en contra de la entropía quemando todas nuestras reservas
para generar calor y mantener nuestra temperatura constante. En apariencia estamos
yendo en contra de la entropía al impedir que nuestro cuerpo se enfríe, sin embargo el
aire que nos rodea se calienta con el calor que emana de nuestro cuerpo, al calentarse el
aire incrementa su entropía cumpliéndose así ambas leyes de la termodinámica
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1.1.2. Organización
La vida está organizada en niveles jerárquicos ordenados de menor a mayor nivel de
complejidad donde cada nivel se construye a partir del nivel anterior. El primer nivel es el
sub atómico compuesto por las partículas que forman un átomo como protones,
neutrones y electrones (entre muchas otras) estas partículas elementales se organizan
para formar el siguiente nivel, el atómico, donde un átomo se define como la mínima
expresión de un elemento que conserva las características de este, por ejemplo, un
átomo de oro tiene las mismas propiedades que una tonelada de oro.
Los átomos se ordenan en un nivel superior para formar moléculas, que son la
combinación de átomos diferentes para dar origen a compuestos y moléculas: la sal de
mesa, formada por un átomo de Sodio más uno de cloro forman el cloruro de sodio
(NaCl), la unión de dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno para formar el
hidróxido de hidrógeno, compuesto que conocemos como agua (H-OH). Las moléculas a
pesar de estar formadas por elementos químicos como los compuestos se diferencian de
ellos en que las moléculas son orgánicas, las moléculas orgánicas contienen carbono
(C). El alcohol que compramos en la farmacia está compuesto por un átomo de carbono,
cuatro de hidrógeno y un átomo de oxígeno. (CH3OH), el vinagre de cocina (CH3COO-)
también tiene carbono, existen moléculas que están directamente relacionadas con la
aparición y mantenimiento de la vida, a estas moléculas se les conoce como
biomoléculas: Carbohidratos o azúcares, lípidos o grasas, proteínas y ácidos nucléicos
ADN y ARN.
Azucar de mesa (Lodish, 2004).
Ácido linoléico (membranas celulares)
(Lodish, 2004).
Moléculas distintas se ordenan para formar organelos, donde un organelo es una
Estructura de la doble
hélice del ADN (Levin,
2004).
Grupo hemo de la hemoglobina,
proteína wue transporta oxígeno en la
sangre (Lodish 2004).
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estructura celular que desempeña una función específica (el organelo encargado de
generar la energía para el funcionamiento de una célula eucarionte es la “mitocondria”),
Los organelos en su conjunto forman una célula que es la unidad de vida más pequeña.
Este es el nivel de organización que estudia la biología celular (sin embargo estos
niveles continúan en complejidad ya que las células forman tejidos, los tejidos órganos,
los órganos sistemas y los sistemas organismos).
Ejemplo: Yo quiero construir una casa de adobe. Las partículas subatómicas serían los
miles de granitos de arcilla que mezclo con agua para formar el adobe que serían mis
átomos de construcción. Al ampliar los adobes obtengo paredes que serían análogas a
moléculas, las paredes formarían cuartos que serían como los organelos; un organelo
baño, otro organelo recámara, un organelo cocina, un organelo cuarto de TV; Y el
conjunto recámaras organelos formarían mi casa, que sería la célula, muchas casas
formarían una cuadra que sería como un tejido, muchas cuadras formarían un órgano
que sería una colonia y muchas colonias formarían a un organismo multicelular que sería
una Ciudad.
Niveles de organización de la materia. Extraído de: Audresirk, T. et. Al, 1998. BIOLOGÍA, la vida en la tierra.
Actividad 1. ¿Qué es la vida?
Esta actividad aborda el tema de la Vida y la íntima relación que ésta tiene con la
energía y con el degradamiento del orden de los sistemas –de cualquier sistema tanto
físico como biológico- lo cual se esclarece con ayuda del concepto de entropía, todo
esto te permitirá profundizar y afinar tu punto de vista.
Para comenzar, elabora un documento de texto que contenga un ensayo sobre la vida
desde distintas perspectivas científicas con los siguientes elementos:
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1. Una extensión por lo menos de una cuartilla.
2. Que incluya nombre del tema (original), introducción, desarrollo, conclusiones;
bibliografía y ligas de web consultadas.
3. Tipo de letra Arial 11, interlineado 1.15.
Nota 1: Si necesitas orientación para realizar tu trabajo, puedes consultar a tu
Facilitador(a).
Nota 2: Te exhortamos atentamente a abstenerte de cualquier acción de plagio o copia
de contenidos, ya que tu Facilitador(a) podrá detectar esta situación sin dificultad y,
además, tu formación exige que desde esta etapa todo producto o tarea que reportes sea
totalmente original y propio de tu iniciativa y creatividad; para que en lo sucesivo esta
actitud se proyecte directamente en tu práctica profesional.
1.1.3. Homeostasis
Tomando en cuenta que la energía no se crea ni se destruye, si no que se transforma y
que todos los sistemas tienden al desorden o entropía (primera y segunda ley de la
termodinámica), un sistema con un nivel de organización como la célula no se mantiene
ordenado fácilmente, precisamente por efecto de la entropía. Para que una célula
continúe con vida y funcionando óptimamente debe mantener sus condiciones celulares
constantes (su metabolismo en balance), este proceso se conoce como “homeostasis”
que significa equilibrio, permanecer sin cambio. La célula mantiene la homeostasis
por medio de su metabolismo consumiendo toda su energía en este proceso en el
entendido de la pérdida de la homeostasis significa la muerte como máximo grado
irreversible de entropía.
A nivel celular la homeostasis contrarresta el efecto caótico que la entropía ejerce sobre
la célula. Un ejemplo sencillo por el cual la célula mantiene su homeostasis es regulando
la presión de su interior en respuesta a los cambios en su exterior, este proceso se
conoce como regulación de la presión osmótica. Osmosis se refiere al movimiento de un
disolvente (en sistemas celulares el disolvente es el agua a través de una membrana
semipermeable). Dentro de la célula la concentración de sus iones en solución (por
ejemplo Na y Cl) tiende a ser constante, cuando la concentración de iones en el exterior
de la célula es igual a la del interior se dice que es una solución isotónica, que tiene la
misma concentración con respecto a la célula. Cuando la concentración de iones en el
exterior es menor que la de la célula, estamos hablando de una solución hipotónica con
respecto a la célula y si es mayor se dice que es hipertónica. La célula responde de
manera diferente si entra en contacto con una solución hipo o hipertónica.
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(a) Cuando la célula es puesta
en una solución isotónica el
agua puede pasar a través de
la membrana hacia adentro y
hacia afuera, de tal forma que
el movimiento neto es cero.
(b) Si está en una solución
hipertónica el agua se mueve
fuera de la célula para tratar
de diluir la concentración
iónica e igualarla a la de su
interior
(c) Si la solución es hipotónica,
el agua se mueve dentro de
la célula para diluir la
concentración iónica dentro
de esta e igualar la
concentración del exterior
(Solomon 2009).
1.1.4. Reproducción
La reproducción, en términos de biología celular es la generación de dos células
idénticas a la célula que le dio origen, para esto, la célula debe duplicar todo su
contenido (organelos, material genético, membranas) para asegurarse de que cada
célula hija cuente con todos los elementos necesarios para continuar con su vida
conservando las características del tipo celular que le dio origen.
Las células procariontes, como las bacterias, cuentan con dos mecanismos de
reproducción
1) Asexual
Fisión binaria: La bacteria se divide en dos células similares, primero duplica su AND
circular, posteriormente forma una pared en su eje transversal que va creciendo y
eventualmente divide a la bacteria formado dos nuevas bacterias cada una con una copia
de ADN circular idéntico a la célula que les dio origen. Este proceso es muy rápido,
algunas especies se dividen cada 20 minutos de tal suerte que si nada interfiere, una sola
bacteria puede dar origen a una colonia de alrededor de un billón de bacterias en un
periodo de 10 horas
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Gemación: En este mecanismo la bacteria que
puede ser también una levadura, genera una
pequeña protuberancia o “gema” en su membrana,
que conforme crece se va separando de la célula
original conteniendo dentro de si, una copia idéntica
del material genético
de la célula madre.
Levadura en gemación (Alberts, 2002).
2) Sexual
El término sexual involucra la combinación de gametos como óvulos y espermatozoides,
las bacterias no tienen gametos, pero si intercambian porciones de su material genético
por lo que para fines didácticos a este tipo de reproducción se le conoce como sexual
Transformación: Una bacteria libera al exterior fragmentos de su ADN (principalmente
por lisis o rompimiento) y son tomados por otra bacteria, este nuevo material genético
enriquece al que la bacteria ya tenía confiriéndole nuevas características, un ejemplo de
ellos es la resistencia a antibióticos, en las moléculas de ADN que la bacteria absorbe pot
transformación está codificada la información para sintetizar enzimas que degradan a los
antibióticos principalmente. Esta información que la bacteria antes no tenía, ahora pasa a
ser parte de su genoma y la heredará a sus células hijas.
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Extradida de: Albrets, B. 2002. Biología molecular de la célula. Ediciones Omega. Barcelona, España. Cap 6, figura
6,80
Transformación bacteriana, una bacteria sufre lisis y libera su
ADN al medio que es captado por otra bacteria
transformándose, en la transducción un virus inyecta su propio
material genético a la célula y en la conjugación dos bacterias
de las mismas características intercambian material genético
en un proceso análogo a la reproducción sexual, conocido
como conjugación. Rev. Otorrinolaringol. Cir. Cabeza Cuello
2009; 69:185-192
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Microscopía electrónica de un fago infectando a una célula Vegetal (Alberts, 2002).
Transducción: En este proceso, los virus conocidos como
“fagos” durante el proceso de infección inyectan su material
genético en la bacteria en forma de cromosoma circular, el
ADN bacteriano absorbe este cromosoma viral haciéndolo
parte de su genoma adquiriendo nueva información genética
que se replica conforme la bacteria se divide (vía lisogénica
donde la bacteria sobrevive), cuando la bacteria se ve
sometida a estrés, los genes del fago lambda se activan,
iniciando la producción de nuevos virus dentro de la bacteria
infectada. Cuando estos virus ya están formados salen de la
bacteria matándola quedando libres para infectar a otras
células. Estos nuevos virus ahora tienen una nueva mezcla
de ADN viral-bacteriano producto de la transducción que
combinarán de
Nuevo cuando infecten a una nueva bacteria. Un claro ejemplo es la infección de la
bacteria Eschlerichia Coli por el bacteriófago lambda.
Conjugación: En este proceso, dos bacterias de diferente estirpe se unen mediante una
estructura que funciona como puente entre ellas, una parte del material genético (que por
lo general es un plásmido producto de la infección de un virus
como en la transducción, Por plásmido se define al ADN circular
de los virus, es el material genético que inyectan a la célula que
va a infectar) es duplicado y transferido hacia la otra bacteria,
con lo que adquiere nueva información genética. En contraste
con los proceso de transformación t transducción, este proceso
requiere contacto estrecho entre las dos bacterias involucradas.
La bacteria Eschlerichia Coli recurre con frecuencia a este
proceso, existen cepas (colonias bacterianas con el mismo
origen, por lo general son clones) que fungen como
donadoras de material genético, a estas se les conoce como
“machos” mientras que a las cepas que preferentemente
reciben el material genético se les conoce como “hembras”
aunque esta clasificación es meramente descriptiva, ya que las bacterias no tienen sexo.
Reproducción de las células eucariontes:
Eucarionte significa “núcleo verdadero” este término se emplea para definir a las células
más evolucionadas que presentan una estructura membranosa llamada núcleo, organelo
donde se almacena el material genético además del núcleo presentan otros organelos
como mitocondrias, cloroplastos (en plantas), retículo endoplásmico, aparato de golgi,
etc., que también son estructuras membranosas que tienen una función específica en la
E. Coli en conjugación, microscopía electrónica de transmisión: Sciencephotolibrary.com
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célula. Las bacterias se definen como células procariontes (anteriores al núcleo) y no
presentan núcleo ni organelos, por lo que se les considera como células menos
especializadas o evolucionadas.
Las células eucariontes forman a todos los seres vivos, desde hongos y protozoarios
como las amibas, plantas, animales y al hombre.
La estrategia de reproducción de las células eucariontes se conoce como Mitosis o
división celular; cuando una célula eucarionte se va a dividir, primero debe duplicar todo
su material genético y ordenarlo en cromosomas, además del ADN también debe duplicar
sus organelos; cuando ha terminado de duplicarse la célula se divide por medio de la
mitosis que es un proceso que se asegura de repartir entre las dos células hijas que se
van a formar una copia completa del material genético que se duplicó previamente junto
con aproximadamente la misma cantidad de organelos para que ambas compartan las
mismas características de su célula madre. (Este proceso se abordará extensamente en
el apartado de ciclo celular).
1.1.5. Crecimiento
En sentido biológico, crecer implica el incremento en talla de un ser vivo (desde una
célula hasta cualquier organismo pluricelular como un elefante), también puede implicar
un incremento en el número de células que lo conforman o ambas. El crecimiento puede
apreciarse como aumento en talla como parte del desarrollo de un organismo, En una
colonia bacteriana, por ejemplo, el crecimiento implica incremento en el número
poblacional. A nivel celular, una célula debe alcanzar un tamaño adecuado que le
permita realizar sus funciones correctamente.
1.1.6. Evolución
Hablar de evolución desde la óptica de la biología celular resulta complicado, ya que
básicamente la teoría de la evolución explica los cambios secuenciales que sufre una
especia a lo largo del tiempo. Para que exista evolución debe presentarse un cambio, el
cambio implica incremento de la entropía, fenómeno que es contrarrestado por el
metabolismo celular para asegurar su continuidad, sin embargo existen algunos ejemplos
con los cuales se puede abordar la evolución e biología celular.
Existen teorías que postulan que las células eucariontes provienen de una célula
eucarionte primaria, está célula tomó la estrategia de ir incorporando dentro de sí misma a
otras células con características y metabolismo diferentes, realizando un trabajo de
equipo donde cada célula aportaba algo al conjunto y también recibía algo a cambio como
un trabajo en equipo, vivían en conjunto y se reproducían sincrónicamente, con el paso
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del tiempo cada una de estas células se especializó y dio origen a los organelos que
conocemos hoy en día formando a la célula eucarionte, este proceso podría considerarse
como evolutivo. Una posible evidencia de esto es que algunos organelos como la
mitocondria y los cloroplastos conservan su propio ADN circular semejante a las
bacterias.
1.1.7. Movimiento
Para que un sistema pueda existir necesita energía, la energía implica movimiento e
incremento de la entropía como mecanismos inherentes a su existencia. En el universo
todo está relacionado con un proceso dinámico desde el movimiento estelar hasta los
procesos dinámicos de una célula. El metabolismo tanto celular como de un organismo
pluricelular implica movimiento, el que un organismo se desplace para conseguir su
alimento, emprender una migración, perpetuar su especie implica movimiento.
A nivel celular, la membrana plasmática y los organelos están en constante movimiento
sintetizando y transportando miles de sustancias, esto se replica también a nivel atómico.
Los seres vivos, se mueven conforme interactúan con su medio, como en todo sistema,
las moléculas contenidas dentro de una célula están en permanente movimiento como
fruto de la entropía generada en el sistema celular, este movimiento es necesario para dar
continuidad al flujo de energía, para dar continuidad a la vida, en el sentido de que la
ausencia de movimiento indica la ausencia de energía y la ausencia de energía conduce a
la muerte del sistema y la muerte es, para un ser vivo, el máximo grado de entropía, que
es en este punto irreversible, como lo dictan las leyes de la termodinámica.
Actividad 2. De chile, mole y pozole
En esta actividad leerás el artículo: Animales transgénicos: usos y limitaciones en la
medicina del siglo XXI, Arch Argent Pediatre 2010, 108(4):343-349, que puedes
descargar desde el aula; el cual te servirá de detonador para entablar una charla en el
foro que lleva el nombre de esta actividad.
Una vez que hayas leído el artículo dirígete al foro y participa a partir de las preguntas
que se te plantean.
De esta forma se llevará a cabo un trabajo colaborativo que te hará incursionar en el
tema particular de transgénicos y su relación con los sistemas celulares de los seres
vivos, con el que podrás manifestar el dominio del tema en caracterización de un
sistema celular, y las posibilidades de intervención en el mismo.
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Cortes de corcho de Hooke
Nota: Te exhortamos atentamente a abstenerte de cualquier acción de plagio o copia de
contenidos, el facilitador puede detectar esta situación sin dificultad; tu formación exige
que desde esta etapa todo producto o tarea que reportes sea totalmente original y
propio de tu iniciativa y creatividad; para que en lo sucesivo esta actitud se proyecte
directamente en tu práctica profesional.
1.2. Célula
La célula es la unidad estructural y funcional de la vida, existen muchas teorías que
intentan explicar su origen, su evolución y su variedad morfológica y funcional que se
refleja en la gran diversidad de seres vivos que podemos apreciar. Este tema tiene la
finalidad de abordar las teorías sobre el origen celular como preámbulo para comprender
las diferencias entre los dos grandes tipos celulares que podemos estudiar hoy en día: las
células procariontes; las bacterias como las primeras células en aparecer; y a las células
eucariontes; con una estructura y nivel de organización más compleja y responsable de la
diversidad de organismos. Analizaremos la anatomía celular, sus niveles de organización,
la relación estructura-función – Metabolismo para comprender mejor el funcionamiento
celular como parte esencial de los procesos biotecnológicos. Así mismo, se estudiará a
los virus desde el punto de vista estructural y funcional como organismos con estrategias
diferentes a las celulares, así como la infuencia que tienen estos en los procesos
celulares.
1.2.1. Teoría celular
En el año de 1665, ya existían los microscopios en su
expresión más rudimentaria, básicamente eran
instrumentos compuestos por lentes semejantes a los de
las lupas con poder de aumento muy limitado. Por esas
fechas y con un instrumento de este tipo, Robert Hooke
realizó observaciones de fragmentos de corcho (que es la
corteza seca del árbol de alcornoque) Hooke detectó
pequeñas celdillas en la estructura del corcho,
posteriormente realizó observaciones en cortes de otras
plantas observando “celdillas” parecidas llenas de jugos.
Posteriormente en 1673 Anton Van Leewenhoek Realizó
observaciones hechas con microscopios más potentes que
el mismo fabricaba tallando a mano sus lentes observando otros tipos celulares como
glóbulos rojos, espermatozoides y microorganismos que vivían en aguas estancadas que
describió como animáculos. Los años pasaron y los microscopios se mejoraron a partir de
los modelos construidos por Leewenhoek. Alrededor de 1830 Theodor Schwann observó
que el cartílago contenía células semejantes a las descritas en las plantas, después de
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Imagen de un microscopio electrónico
de barrido de Paramecium (protozoario)
un organismo unicelular, se puede
apreciar su membrana, y los cilios con
los que genera su movimiento
realizar sus observaciones postuló su teoría, catalogando a las
células como las partes elementales tanto de plantas como de
animales, más adelante, a mediados de 1800 Mattias Schleiden
postula que los procesos vitales de células deben formar los
fundamentos básicos absolutamente indispensables de la vida, en
línea con este pensamiento, Rudolf Virchow escribió que cada
animal es la suma de sus unidades vitales, las células y que estas
células provienen de otras células.
Conjuntando las ideas de estos investigadores se formó la “Teoría
celular”, que tiene tres postulados
1) Los organismos están formados por una o más
células
2) Los organismos vivos más pequeños son células
únicas (unicelulares), además, las células son las
unidades funcionales de los organismos multicelulares
3) Todas las células provienen de células preexistentes.
1.2.2. Características estructurales
Los seres humanos estamos formados por varios sistemas que nos ayudan a cumplir con
nuestras funciones vitales, estos sistemas a su vez están formados por órganos y los
órganos por células, de tal forma que la vida de un ser humano puede definirse como la
interacción entre estos niveles de organización.
Por ejemplo, El esqueleto, que está formado por los huesos (y los huesos por osteocitos)
nos brinda soporte, resistencia, y resguarda nuestros órganos vitales, este sistema está
relacionado con el sistema muscular(formado por miocitos) que es el que permite nuestro
movimiento y la capacidad para realizar trabajo, el sistema digestivo, formado por los
dientes, lengua, esófago, estómago e intestinos es el encargado de asimilar el alimento
que consumimos, el sistema respiratorio formado por los pulmones, bronquios, tráquea y
nariz nos permite ingresar oxígeno vital para nuestro metabolismo y expulsar el dióxido
de carbono que producimos, El sistema circulatorio formado por el corazón, venas y
arterias y la sangre nos permite transportar nutrientes hacia las células y deshechos del
metabolismo hacia el sistema digestivo para su excreción y todos estos sistemas están
regulados por el sistema nervioso central, formado por el cerebro, médula espinal y
nervios, por mencionar algunos de nuestros sistemas.
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Corte ultra fino de una célula apical de la raíz de una gramínea (vegetal) Se observan sus organelos,
extraído de Alberts (2002).
Haciendo una analogía, una célula ya sea animal o vegetal tiene un nivel de organización
parecido al de nuestro cuerpo, cuenta con un esqueleto que le da soporte, estructuras
que se encargan de asimilar su alimento, generar su energía y respirar, una membrana,
que sería análoga de la piel, y un sistema coordinador de todas sus funciones por
mencionar algunos. Estas estructuras se conocen como organelos y se describirán en el
siguiente cuadro.
Membrana plasmática:
¿Te has dado cuenta que no se puede mezclar el agua con el aceite? En tu casa si lo
deseas puedes hacer este pequeño experimento, en un frasco con tapa pequeño, agrega
un poco de agua, la cantidad que tu quieras, después agrega un poco de aceite de
cocina, tapa el frasco y agita vigorosamente por al menos diez segundos, y observa lo
que pasa. Notarás que aparentemente ambas sustancias se mezclaron pero en cuanto
dejes de agitar el frasco y la entropía que tú ingresaste al sistema con la agitación
disminuya apreciarás que comienzan a formarse pequeñas burbujas de aceite que
parecen tener agua dentro de sí, estas estructuras se llaman micelas. Acabas de crear
membranas artificiales iguales a las de cada célula de tu cuerpo.
El agua y el aceite no se mezclan principalmente por su naturaleza química, el aceite es
Hidrofóbico y tiene polaridad diferente a la del agua.
Hidrofóbico: que no es afín al agua, lo contrario de Hidrofóbico es hidrofílico, el azúcar, la
sal, el vinagre si pueden mezclarse con el agua porque son hidrofílicos
Polar: las cargas de una molécula están organizadas en un polos, positivo sin electrones
y uno negativo con electrones igual que un imán. El aceite es no polar, que quiere decir
que sus cargas no están ordenadas en polos, si no que se distribuyen por toda la
molécula, el agua es una molécula polar, de hecho es de las moléculas más polares que
existen, hay una regla que dice que lo polar solo se mezcla con lo polar, el aceite es no
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En este cuadro se puede apreciar la estructura de un
fosfolípido y como estas moléculas forman micelas al
interactuar con el agua. También se puede apreciar la
estructura de bicapa con las cabezas polares orientadas
hacia el agua y las colas no plorares en el centro de la
bicapa. (Alberts,2002)
polar y el agua polar, por eso no se mezclan y es precisamente esta característica lo que
permite que se formen y existan las membranas
La membrana plasmática (membrana
celular) es una estructura formada
principalmente por colesterol y
lípidos, los lípidos que forman a la
membrana se llaman fosfolípidos, que
son ácidos grasos o aceites, tienen
una cabeza polar y dos colas no
polares. Para formar la membrana
celular estos fosfolípidos se unen
formando una bicapa, con las cabezas
hidrofílicas organizadas hacia el agua
y las colas hidrofóbicas escondidas
del agua en el centro de la bicapa.
Esto se debe a que el aceite no puede
diluirse en agua, porque es una
molécula hidrofóbica.
La membrana celualr es una bicapa, esta bicapa tiene embebidas dentro de si proteínas
escenciales para el funcionamiento de la célula, se clasifican como sigue:.
a) algunas proteínas funcionan como poros o canales que permiten pasar agua,
electrolitos y otras sustancias.
b) receptores de membrana, que son moléculas por
las cuales la célula recibe mensajes químicos
provenientes de otras células. Un ejemplo de este
tipo de proteínas son las que conforman el complejo
mayor de histocompatibilidad, estas proteínas
funcionan como una huella digital, esta huella es
única para cada individuo y todas sus células la
expresan de tal modo que le permite diferenciar al
sistema inmune entre las células del propio cuerpo
de las que no lo son, de esta manera si una célula
presenta estas proteínas el sistema inmune sabe
que son propias y no las elimina, pero si se
encuentra con una célula que expresa una proteína
diferente como en el caso de un trasplante de
órganos o por una infección el sistema inmune la elimina.
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c) Otras proteínas con diferentes actividades metabólicas.
Estas proteínas y los
fosfolípidos de la
membrana, no están
estáticos, se dice que
están en una
estructura de mosaico
fluido, donde todo se
mueve hacia el lugar
donde se necesite,
haciendo a la
membrana una
estructura sumamente
dinámica
En esta imagen se puede apreciar la estructura de la membrana, en forma de bicapa con
las cabezas polares orientadas hacia donde hay agua, se aprecian también la estructura
de los fosfolípidos y la presencia de diferentes proteínas de membrana. Todas las
membranas de células procariontes y eucariontes tienen esta estructura en su
membrana, asi mismo, los organelos presentes en las células eucariontes(retículo
endoplásmico Liso, retículo endopásmico rugoso, aparato de golgi, mitocondria, núcleo,
peroxisomas y lisosomas), también son estructuras de doble membrana cuya
conformación es exactamente igual a la que aquí se muestra (Solomon, 2008)
El núcleo celular es el cerebro de la célula, es una
estructura de doble membrana que en su interior
contiene el material genético ADN, la membrana del
núcleo no es continua, tiene poros por los cuales
entran y salen moléculas escenciales para los
procesos nucleares como proteínas y ARN. Dentro
del nucleo se puede apreciar otra estructura conocida
como nucléolo, es un acomodo especial del ADN,
ARN sibosomal y proteínas.
Micrografía electrónica de barrido de una célula de cáncer cervical humana. En beige se aprecia el núcleo
que contiene el material genético (no mostrado) en la parte exterior de la membrana se pueden apreciar las
diferentes proteínas y moléculas que están presentes en la cara externa de la membrana.
Sciencephotolibrary.com
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El aparato de golgi forma parte de lo que sería el
sistema digestivo de la célula. Es un conjunto de
sacos membranosos apilados unos sobre otros. Su
principal función es la síntesis de membrana
plasmática cuando le célula necesita repararse o
dividirse. Es un centro de empaquetamiento,
clasificación y envío de materiales desde el núcleo
hacia la membrana, y desde la membrana hacia el
núcleo. Todo lo que la célula produce, necesita o
deshecha es transferido al aparato de golgi donde es
clasificado, modificado y empaquetado en vesículas
para su distribución de acuerdo a su destino.
El retículo endoplásmico liso (estructuras alargadas
teñidas de amarillo) también forma parte del sistema
digestivo de la célula, una de sus funciones
principales es sintetizar y transportar los lípidos y
colesterol necesarios para construir la membrana
celular y la membrana de todos los organelos.
Las estructuras teñidas de rojo son lisosomas. Que
son organelos de doble membrana que en su interior
tienen enzimas para degradar proteínas que han sido
dañadas o necesitan recambiarse, el material
degradado dentro de los lisosomas es transportado al
aparato de golgi donde se seleccionan los elementos
que pueden reciclarse y los que se desechan.
Retículo endoplásmico rugoso (RER): al igual que el
retículo endoplásmico liso, es una red de
estructuras membranosas, la diferencia entre
ambos es que el retículo endoplásmico rugoso
cuenta con unas estructuras ancladas a su
membrana conocidas como ribosomas. En los
ribosomas se lleva a cabo la síntesis de todas las
proteínas de la célula. Una vez sintetizadas; las
proteínas son internalizadas al RER donde son
modificadas y acondicionadas para que puedan
funcionar correctamente, posteriormente son
transportadas al aparato de Golgi para su
empaquetamiento y distribución.
Micrografía de transmisión electrónica
del aparato de golgi de una célula
eucarionte. sciencephotolibrary.com
Micrografía electrónica de
transmisión de célula de epitelio de
mamífero. Sciencephotolibrary.com
Micrografía electrónica de barrido de alta
resolución de retículo endoplásmico
rugoso de una célula olfatoria de
mamífero. Sciencephotolibrary.com
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La mitocondria es el aparato respiratorio y el
centro generador de energía de la célula. Su
estructura es muy particular ya que tiene dos
membranas plasmáticas la primera
membrana, que es la interna está plegada en
forma de crestas, y la segunda membrana es
la exterior, esta estructura le permite tener
dos compartimentos: el que encierra la
membrana interna que se conoce como matriz
mitocondrial y un espacio intermembranal que
se forma entre la membrana interna y externa.
Esta compartamentalización es vital apra la
mitocondria ya que le permite establecer
gradientes de concentración iónica entre los espacios cuya diferencia es utilizada para
generar energía, como se explicará más detalladamente en el apartado de metabolismo.
En las plantas, algas y algunos protozoarios,
además de las mitocondrias están presentes
los cloroplastos que también funcionan como
generadores de energía. En este organelo se
lleva a cabo la fotosíntesis. El cloroplasto
también es un organelo con dos sistemas
membranosos, al igual que las mitocondrias
tienen un espacio intermembranal y una matriz
que se conoce como estroma. Dentro del
cloroplasto existen unas estructuras saculares
llamados tilacoides. Los tilacoides se apilan
como si fueran monedas formando una
estructura conocida como grana; las grana
están interconectadas pos estructuras
llamadas estroma. Dentro del cloroplasto se realiza la fotosíntesis. Existen dos fases, que
se desarrollan en compartimentos distintos:
Fase luminosa: Se realiza en la membrana de los tilacoides donde mediante la
clorofina se convierte la energía lumínica en energía química en forma de ATP
Fase oscura: Se produce en el estroma, donde se hallalal enzima RuBisCO,
responsable de la fijación del CO2 mediante el ciclo de Calvin que se discutirá en
el tema de metabolismo.
Micrografía electrónica de barrido de una
mitocondria de una neurona.
Sciencephotolibrary.com
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En las plantas y algas, además de la membrana plasmática
está presente la pared celular, es una estructura hecha de un
polímero de carbohidratos llamado celulosa, su función es
brindar estabilidad, fuerza y sostén a los tejidos vegetales.
Las levaduras también tienen una pared celular compuesta de
un polímero de azuca, el betaglucano, las funciones de esta
estructura en la levadura son resistencia, estructura, reserva
de alimentos y metabólica al tener embebidas algunas
enzimas en ella. en la
micrografía electrónica de
transmisión (derecha) se
puede apreciar la pared
celular de una levadura teñida
de azul, las estructuras
circulares son vacuolas
(Sciencephotolibrary.com).
Las bacterias también tienen pared celular principalmente construida de peptidoglucano,
otro polímero de azucares. Esta estructura ha servido como criterio de clasificación ya
que por medio de una técnica histológica conocida como tinción
de gramm se puede identificar si una bacteria posee o no pared
celular, a las que si poseen se les conoce como Gramm
positivas y las que no presentan se conocen como gramm
negativas.
En esta micrografía electrónica de transmisión se aprecia a una
bacteria gramm positiva. E.coli dividiéndose por fisión binaria.
la sección teñida de verde es el citoplasma de la bacteria y está
rodeada por su membrana, más al exterior teñida de naranja se
aprecia la pared celular. (Sciencephotolibrary.com)
En plantas, levaduras, hongos , algas y protozoarios están presentes las vacuolas. Son
estructuras membranosas cuya principal función es la de almacén y reserva. Por
ejemplo, las plantas almacenan el almidón en vacuolas. No tienen un tamaño definido
pero son estructuras grandes, en algunos organismos la vacuola es su organelo más
evidente, conforme la célula va necesitando sus reservas la vacuola se va vaciando
disminuyendo su tamaño.
El protozoario Paramecio es un organismo unicelular que
presenta vacuolas, en esta fotografía de microscopio de luz se
aprecian las vacuolas alimenticias como estructuras circulares.
Sciencephotolibrary.com
Micrografía electrónica de
transmisión de una célula
de raíz de Maiz, se nota la
pared celular rodeando la
membrana celular.
Sciencephotolibrary.com
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Citoesqueleto: las células también tienen una estructura que
les brinda soporte, resistencia y movimiento, este es el
citoesqueleto, que es un conjunto de fibras; micro filamentos
y filamentos intermedios construidos de actina y microtúbulos
de tubulina. Estas estructuras forman varillas celulares que
se anclan en la cara interna de la membrana celular dándole
forma y resistencia. Estas varillas celulares también fungen
como carreteras por donde se transportan las vesículas
provenientes del aparato de golgi y la membrana celular. Estas vesículas se transportan
en dos sentidos. Desde el núcleo hacia la membrana a cargo de la cinecina (que es un
motor celular similar a un camión de carga donde se transporta la vesícula) y desde la
membrana hacia el núcleo por medio de la dineina, otro motor celular transportador de
vesículas. Micrografía electrónica de células de cáncer cervico uterino humanas, se
aprecian las fibras del citoesqueleto dándole forma a la célula (Sciencephotolibrary.com).
1.2.3. Características funcionales
Como lo versa la teoría celular, un órgano es el producto de las funciones que realizan
las células que lo conforman, por ejemplo, las células musculares son capaces de
contraerse y relajarse, las neuronas de transferir impulsos eléctricos, las células de
cartílago son muy flexibles, las células de la piel son capaces de resistir tensión y torsión.
Cada tipo celular adquiere funciones y capacidades diferentes gracias a un proceso de
especialización y es este proceso el que le da la función al tejido.
Tejido conectivo: La función principal de este tejido es brindar sostén e integrar los
diferentes sistemas del organismo uniendo y/o separando los diferentes tejidos que
componen los órganos y sistemas y se divide en:
Tejido adiposo: formado por adipocitos que son células
especializadas en almacenar grasa proveniente de los
alimentos principalmente; el tejido adiposo funciona
como barrera mecánica protegiendo a los órganos que
envuelve de golpes y daño mecánico, como aislante
térmico y también sirve como fuente de reserva de
grasa.
Adipocitos de mamífero, micrografía
electrónica de transmisión.
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Tejido cartilaginoso: Este tejido se encarga de brindar
soporte estructural y elasticidad a los tejidos que conecta.
Cuando está presente en los huesos los mantiene unidos en
las articulaciones. También proporciona resistencia a las
fuerzas de compresión a las que se someten las
articulaciones. En la nariz, pabellón auditivo y en las
estructuras del sistema respiratorio sirve principalmente
como soporte estructural. La célula que forma el cartílago se
llama condrocito. Esta célula altamente especializada se
encarga de sintetizar los componentes que le dan sus
características elásticas y resistentes al cartílago: elastina,
colágeno que le brindan resistencia y elasticidad y los
proteoglicanos funcionan como una esponja que retiene
agua y electrolitos formando un colchón hidráulico para
resistir las fuerzas de compresión, algo similar a los
amortiguadores de un automóvil.
Tejido óseo: conocido
como hueso, es la principal estructura de sostén y
soporte del cuerpo de los vertebrados, también brinda
protección para los órganos vitales y puede funcionar
como reserva de calcio. El hueso está formado
principalmente por agua, fosfato de calcio, carbonato
de calcio y proteínas como el colágeno. El hueso
primario es principalmente cartílago, conforme se va
mineralizando adquiere su dureza característica. La
célula que sintetiza el hueso es el osteocito que se
encarga de la regeneración del tejido ósea, mientras que el osteoclasto se encarga de su
remoción. Ambos procesos de regeneración o construcción y remoción siempre están
presentes de manera normal en el hueso
Tejido hematopoyético: La hematopoyesis es el proceso por el
cual se producen las células sanguíneas: eritrocitos y las del
sistema inmune (linfocitos, macrófagos, polimorfo nucleares,
plaquetas, etc.) Las células hematopoyéticas derivan de las
células de la médula ósea que conforme se van diferenciando
dan lugar al tejido hematopoyético y al tejido óseo. La función del
tejido hematopoyético es transportar nutrientes, proteínas,
oxígeno y mensajeros químicos entre las células,
también se encarga de transportar los desechos
Micrografía electrónica de
barrido de un condrocito de
tráquea. Se aprecia el
condrocito propiamente dicho
en amarillo rodeado por su
matriz extracelular donde se
aprecian las fibras de
colágeno.
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Micrografía electrónica de un
osteocito de fémur.
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Micrografía electrónica de sangre humana,
se aprecian los glóbulos rojos, linfocitos y
plaquetas. Sciencephotolibrary.com
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del metabolismo celular para su eliminación, otra función es la respuesta inmune a cargo
de las células blancas de la sangre.
Las plantas también tienen tejidos que les brindan sostén, protección, resistencia y una
via de comunicación y transporte entre diferentes partes de su anatomía. Se divide de la
siguiente forma:
Parénquima: Tejido vivo y capaz de dividirse, es el tejido responsable del crecimiento de
las plantas, dentro de sus funciones se encuentran la fotosíntesis, reserva de nutrientes y
secreción de metabolitos.
Colénquima: Tejido vivo cuya principal función es el sostén y soporte de las estructuras en
crecimiento, sus células son alargadas y tienen pared celular gruesa
Esclerénquima: Tejido muerto, su función principal es el sostén y soporte de las
estructuras que han cesado su crecimiento, sus paredes celulares son extremadamente
gruesas
El sistema vascular de las plantas está compuesto por: Xilema: que es un tejido
conductor que transporta savia bruta (agua y nutrientes absorbidos del suelo) desde las
raíces hacia todo el cuerpo de la planta. Las células del xilema son largas, de pared
celular gruesa y forman vasos conductores que recorren toda la planta, algo similar a las
arterias que transportan sangre oxigenada.
El Floema también es un tejido vascular, transporta savia desde las hojas hacia el resto
de la planta, a la sabia que corre por el floema se le conoce como savia elaborada, que
contiene principalmente metabolitos de la fotosíntesis,
nutrientes ya procesados y deshechos, semejante a las
venas.
Tejido Epitelial: El epitelio es un tejido formado por una o
varias capas de células, su función es recubrir órganos,
cavidades y conductos del cuerpo de un organismo.
Entre estos tipos de tejido se encuentran las mucosas,
el tejido vascular (venas y arterias) la piel, entre otros.
Dentro de sus funciones se destaca la protección, secreción y absorción, percepción
sensorial, excreción y transporte.
Tejido muscular: el músculo está compuesto por miocitos, que
son células contráctiles, tienen esta función gracias a la acción de
dos proteínas, actina y miocina que se contraen sobre si
utilizando la energía química en forma de ATP. El músculo se
divide en dos: músculo liso que está presente en los órganos
internos como los intestinos. Y el músculo esquelético o
Micrografía electrónica de epidermis
humana. Sciencephotolibrary.com
Fibras de músculo liso humano.
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estriado que es el responsable de brindarle movimiento al cuerpo.
Actividad 3. Casi iguales…
En esta actividad puedes dar rienda suelta a tu creatividad y a la indagación a fondo
acerca de la estructura, funciones metabólicas y morfología de diferentes clases de
sujetos microscópicos de tal manera que será posible no sólo usar texto para describir
esquemas y estructuras, sino también imágenes y efectos que desees integrar a la
información de la tarea haciéndola más completa e interesante.
Realiza lo siguiente:
1. En un documento de texto elabora un cuadro comparativo donde se contrasten 3
diferencias metabólicas y 3 morfológicas entre una bacteria (E.coli), una alga
unicelular (Euglena) y una célula protista (Entamoeba histolýtica).
2. Apoya con imágenes el trabajo de información que realizaste.
3. Sé cuidadoso(a) con la ortografía y presentación de tu trabajo.Al finalizar,
guárdalo y envíalo a tu Facilitador(a), nómbralo de la siguiente manera:
BIC_U1_A3_XXYZ.
1.2.4. Virus
La finalidad de un agente secreto como “James Bond” es introducirse en la fortaleza del
enemigo sin ser detectado, apoderarse de sus máximos secretos, sus procesos su
maquinaria para poder destruirlo y obligarlo a hacer lo que al espía le conviene y desde
luego salir ileso. Eso es precisamente lo que hace un virus. Un virus es el paracito más
extremo, es una molécula simple, compacta, es un paquete de información capaz de
someter a su voluntad a su huésped.
Técnicamente los virus no están vivos, ya que no pueden reproducirse por sí mismos,
necesitan secuestrar la maquinaria celular de la célula que infectan para poder
reproducirse, ensamblarse y salir de la célula huésped para continuar infectando
organismos.
Su estructura es simple, cuentan con una
envoltura rígida hecha de proteínas que sirve
como cápsula protectora donde guardan su
material genético que puede ser ADN o ARN
conocida como cápside y en algunos casos están
recubiertos por una membrana similar a la
membrana de las células. Dentro de su material
genético solo se encuentran las instrucciones
Fago infectando a E.coli. micrografía
electrónica. Sciencephotolibrary.com
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para construir su cápsula de proteínas, autocopiarse y ensamblarse. No hay más. Los
virus simplemente son una cápsula de proteínas con un ácido nucléico. Uno podría
pensar que algo tan simple pueda causarnos tanto daño dejándonos indefensos e incluso
conducirnos hasta la muerte, esto se debe a varias razones, la primera es que para poder
liberarse, salir de la célula que infectaron necesitan matarla, en segundo lugar su
replicación es muy rápida y exponencial, de tal suerte que una sola molécula de virus que
infecta a una sola célula tras matarla puede liberar miles de copias de si mismo capaces
de infectar al mismo tiempo a miles de células del huésped y estos miles transformarse en
millones en unos cuantos días. En ocasiones, su velocidad es tal que sobrepasa la
capacidad del sistema inmune para detenerlo en las etapas iniciales de la infección.
Además son extremadamente pequeños. Finalmente los virus tienen diferentes
estrategias para prolongar el tiempo que pasan inadvertidos para el sistema inmune del
organismo que están infectando.
Los virus están ampliamente distribuidos, pueden infectar bacterias, hongos, protozoarios,
plantas y animales.
El ciclo de vida de un virus tiene dos fases. Para poder infectar a una célula, el virus debe
ser capaz de posarse sobre ella, anclarse para poder inyectar su material genético, por lo
general utilizan los propios receptores de membrana de las células, al conocer la
estructura de los receptores, un virus puede entrar sin ser detectado por el sistema
inmune, y entre más rápido realice este proceso tiene más posibilidades de éxito. Una
vez inyectado el material genético.
comienza la etapa lisogénica o ciclo lisogénico, donde el virus tras infectar a su
huésped camufla su material genético dentro del material genético de su hospedero (la
célula u organismo al cual infecta) manteniéndose en estado de latencia, o lisogénico por
tiempo indefinido como si hibernara, cuando la célula infectada es sometida a estrés,
como algún tipo de daño, el virus despierta de su hibernación y comienza a replicarse y a
ensamblar miles de copias de si mismo dentro de su hospedero para posteriormente
liberarse matando a la célula a esta etapa se le conoce como lítica o ciclo lítico porque
implica la lisis o muerte de la célula infectada cuando el virus está recién ensamblado de
la célula pro todavía no sale de ella se le conoce como virión, un virus completo pero que
aun no es liberado, cuando sale de la célula ya se le conoce como virus.
Entre los virus de ARN, el ejemplo clásico es el del
virus del SIDA, el VIH, este es un retrovirus. Por lo
general los retrovirus están cubiertos con una
membrana similar a la de las células que van a infectar,
esto les permite pasar inadvertidos porque el sistema
inmune no los puede reconocer ya que no es capaz de
distinguir entre la membrana celular y la del virus,
cuando el retrovirus ha localizado a la célula que va a Micrografía electrónica de
transmisión de un virus VIH.
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En esta imagen se describe el ciclo de infección de un bacteriófago que es un virus de ADN sobre
una bacteria, E. coli. (Lodish, 2006).
infectar fusiona su membrana con la de la célula esto permite la entrada libre de su
cápside con el ARN. Adjunta a su molécula de ARN el virus cuenta con una enzima que
se llama transcriptasa reversa que es capaz de transformar este ARN en ADN viral
activándolopara que se apodere de la maquinaria celular. Se le conoce como
transcriptasa reversa por lo siguiente:
El dogma de la biología molecular postula que:
El ADN puede duplicarse en un proceso de replicación
A partir de una molécula de ADN puede obtenerse una de ARN en un proceso de
transcripción. La información contenida en el ARN puede traducirse para construir
proteínas.
Los retrovirus van en contra del dogma central ya que a partir de su molécula de ARN
construyen una de ADN. Estas estrategias son los motivos por los que algunos
especialistas en diversas áreas de la biología ubiquen a los virus en la cumbre de la
evolución.
Biología Celular Programa desarrollado
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Representación de la infección por el virus VIH sobre un linfocito: el virus reconoce a la célula que va a infectar,
fusiona su membrana con la membrana de la célula para poder liberar su cápside. Dentro de la célula se libera la
molécula de ARN y comienza el proceso de retrotranscripción a cargo de la enzima vira transcriptasa reversa para
sintetizar una molécula de ADN a partir de otra de ARN. El ADN retrotranscrito se incorpora al genoma de la célula
infectada y se replica junto con ella. Posteriormente, a partir de esta molécula viral de ADN se sintetizan múltiples
copias de ARN y proteínas del virus para que este se ensamble, finalmente la cápside es liberada robando un
fragmento de membrana de la célula infectada para recubrirse e infectar a una nueva célula (Lodish, 2006).
1.3. Metabolismo celular
El metabolismo se puede definir como el conjunto de procesos químicos que lleva a cabo
un organismo para mantenerse con vida, comprende a grandes rasgos procesos de
síntesis y degradación de compuestos vitales para la célula. El metabolismo celular actual
es el producto de un complejo mecanismo de selección, perfeccionamiento y eliminación
de procesos a lo largo del tiempo conocido como evolución. La evolución estudia los
cambios que sufre un organismo o especie a lo largo del tiempo producto de la interacción
con su medio, y como la selección natural influye en el proceso evolutivo del metabolismo
celular.
Las moléculas que conducen el metabolismo son las enzimas, que son proteínas que
regulan las reacciones bioquímicas que lleva a cabo la célula. Descubriremos que
organismos tan diferentes como una bacteria, una planta, un pez o un mamífero tienen
enzimas que realizan la misma función y explicaremos estas semejanzas desde el punto
Biología Celular Programa desarrollado
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de vista evolutivo. El conocer el funcionamiento enzimático y por ende el metabolismo
celular nos permitirá proponer mejores estrategias para optimizar y mejorar los procesos
biotecnológicos, como pude ser la síntesis de moléculas, la producción y mejora de
alimentos, entre otros.
1.3.1. Evolución y metabolismo
Evolución
Definir la evolución es una tarea compleja, básicamente la evolución estudia los cambios
que sufre una población de individuos (bacterias, hongos, animales, etc.) a lo largo del
tiempo. Nosotros intuimos que evolución significa mejora o al menos una diferencia con
respecto a un punto anterior.
La evolución es producto de la interacción entre un organismo (población) con su medio,
el medio siempre ejerce presión sobre los organismos y estos deben aprender a sobrevivir
en su medio, “adaptándose” a las condiciones, esta adaptación depende de las
habilidades y características que cada individuo tenga, algunos tendrán mucha habilidad o
características que los ayuden a adaptarse, otros tendrán habilidad moderada y otros no
tendrán habilidades, en los dos primeros casos los individuos sobrevivirán y heredarán
esas ventajas adaptativas a sus hijos que a su vez las heredarán a la siguiente
generación ayudando a que estas características se fijen en la población, los individuos
que no tuvieron habilidad morirán. A este proceso se le conoce como selección natura. La
selección natural es un proceso azaroso porque nunca se sabe que características de
todas las que tiene una población serán sujetas a selección por cambios en el medio.
Por ejemplo en la facultad de ingeniería hay un grupo de 20 alumnos que están tomando
la materia de cálculo diferencial 1. Esta población tiene algunas similitudes:
Todos son seres humanos.
Todos han cursado la preparatoria.
Todos son jóvenes con edad similar.
Todos presentaron el mismo examen de admisión para ingresar a la faculta de
ingeniería y pasaron, por lo que se asume que tienen un nivel de conocimientos
similar.
Todos están inscritos en la misma materia, en el mismo salón y tomarán la misma
clase con el mismo maestro.
Esta población también tiene algunas diferencias:
No provienen de la misma familia.
No nacieron en el mismo lugar.
No tienen el mismo estilo de vida.
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No viven en el mismo lugar.
No tienen los mismos hábitos de estudio.
No provienen de la misma prepa.
No tienen la misma solvencia económica, entre otros.
Tras tomar unos meses la misma clase todos juntos, presentan el primer examen parcial y
después de la revisión algunos pasan con 10, otros con 8, otros con 6 y otros no pasan.
Siguen avanzando en su curso que se va haciendo más difícil, al llegar el segundo
examen parcial, los alumnos que sacaron diez en su primer examen vuelven a sacar diez,
algunos incrementan su calificación, algunos sacan lo mismo que en el examen anterior,
algunos sacan una calificación que la anterior y ortos vuelven a reprobar.
Al finalizar el curso, los alumnos que sacaron diez en ambos exámenes fueron
promovidos al semestre anterior (que fueron 5 alumnos), dos alumno pasaron con 8, tres
con 6 y el resto reprobó el curso y tendrán que tomarlo de nuevo.
En términos evolutivos podemos explicar este fenómeno como sigue:
Podemos definir al medio como la clase de cálculo, el medio ejerció presión en la
población de alumnos a través de dos exámenes parciales. Los alumnos a pesar de que
tuvieron acceso a la misma clase, el mismo tiempo, al mismo maestro y a la misma
biblioteca, obtuvieron resultados muy heterogéneos. Al formar parte de la misma
población tenían algunas similitudes y diferencias que no podemos catalogar de buenas o
malas, benéficas o perjudiciales, simplemente son factores individuales que los hacen
diferentes.
Los alumnos que pasaron con 10 tenían habilidades que ya traían y que no sabían que
les iban a servir para el curso de cálculo pero al presentarse la presión de medio
simplemente ocuparon esas características que ya tenían y pasaron sin problema, los
alumnos que subieron su calificación no tenían la misma habilidad que los alumnos de 10
y sin embargo se adaptaron al curso y pasaron. Los alumnos que bajaron su rendimiento
y los que reprobaron el curso no fueron capaces de adaptarse por lo que “murieron” en el
curso de cálculo 1 y tendrán que recursarlo, mientras que los que pasaron la materia
fueron seleccionados para pasar al siguiente semestre. De esta situación podemos
concluir lo siguiente:
Los alumnos que sacaron 10 no sabían cuales semejanzas o diferencias que traían les
iban a ser útiles simplemente ya contaban con estas y las utilizaron, el profesor no
conocía previamente a los alumnos y construyó el examen basándose solamente en lo
que se expuso en clase desarrollando las preguntas de manera azarosa, los alumnos que
incrementaron su calificación pudieron desarrollar cualidades que les permitieron pasar
evolucionando hacia un mejor estudiante, contrario a los que no pasaron. Este proceso
fue meramente azaroso donde los alumnos no pueden influir en el examen pero el
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examen si puede influir en los alumnos, no sabemos qué características de todas las que
están presentes en los genes de una población van a ser elegidas por la selección
natural porque el medio cambia de manera azarosa.
En la evolución intervienen tres factores
La variación genética presente en la población (características, semejanzas y
diferencias).
Estas diferencias en los genes se heredan a las siguientes generaciones.
La selección natural determinará cuales de esas características le permitirán a una
población adaptarse al medio, heredar sus características, sobrevivir y evolucionar a
una especie “diferente” (no sabemos si mejor o peor) que la anterior.
Metabolismo
El metabolismo se define como el conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en
una célula o ser vivo, y podemos dividirlo en 2:
Anabolismo: Proceso por el cual a partir de moléculas pequeñas o simples se construyen
moléculas más grandes o complejas. Un ejemplo es la formación de músculo a partir de
las proteínas que consumimos, el crecimiento de un niño
Catabolismo: Es el proceso por el cual las moléculas grandes o complejas se rompen en
sus componentes más elementales, por ejemplo La proteína contenida en un bistec al
llegar al estómago, es fragmentada (catabolizada) en aminoácidos por la acción de ácido
clorhídrico, otro ejemplo sería la ruptura de las moléculas de almidón que consumimos de
un plátano o una papa en moléculas individuales de glucosa por acción de la enzima
amilasa presente en la saliva.
Los procesos anabólicos y catabólicos del metabolismo están regulados por la acción de
las enzimas
1.3.2. Principales enzimas
Enzima: Proteína que regula el ritmo de una reacción biológica.
Termodinámicamente, toda reacción metabólica necesita de energía para realizarse, esta
energía determina la velocidad con la que dicha reacción se lleva a cabo, las enzimas
disminuyen la energía que se necesita para llevar a cabo estas reacciones haciendo que
transcurran más rápido. De no existir las enzimas el metabolismo de todo ser vivo no
sería tan eficiente y por consiguiente el proceso evolutivo para cada especie hubiera sido
más lento y muy diferente al actual.
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Existe una cantidad casi innombrable de enzimas presentes en la naturaleza, todas tienen
una actividad única y vital para el organismo que la realiza de tal suerte que no es posible
organizarlas de acuerdo a importancia ya que todas son importantes y su eliminación,
pérdida o modificación tiene serias repercusiones sobre el desarrollo de un organismo.
Sin embargo existen algunas enzimas que están presentes en muchos organismos y que
por diferentes motivos han sido estudiadas. A continuación se menciona su nombre
genérico y principal función.
Nombre Genérico Función
Polimerasa
Enzima que se encarga de la síntesis de ácidos nucléicos, la enzima que
sintetiza ADN es la ADN polimerasa y la que sintetiza ARN es la ARN
polimerasa y está presente en todos los organismos que tienen ácidos
nucléicos
ATPasa Enzima encargada de sintetizar ATP que es la principal fuente de energía
de todos los organismos vivos
Cinasa
Se le llama cinasa a la proteína que adiciona grupos fosfatos en otras
proteínas, por lo general la adición de grupos fosfato es un proceso vital
para activar a una proteína y hacerla funcional, está presente en todos los
organismos
Fosfatasa
Enzima que elimina grupos fosfato de una proteína, es la actividad
contraria de la cinasa y su principal función es inactivar proteínas o
enzimas para regular su acción conforme se necesite, está presente en
todos los organismos
Transferasa Enzima que transfiere grupos funcionales entre proteínas, esta actividad
es necesaria en diferentes procesos metabólicos
Proteasa
Enzima que degrada proteinas cuando ya han cumplido su función o están
dañadas o defectuosas rompiéndolas en aminoácidos que se reciclan en
diferentes procesos bioquímicos
ADNsa Rnasa Enzimas que degradan ADN y ARN cuando este neesita ser reparado, o
ya ha cumplido con su función.
1.3.3. Definición de ruta metabólica
Una ruta metabólica es una sucesión de reacciones bioquímicas para transformar un
sustrato inicial en diferentes productos finales vitales para el mantenimiento de la vida de
un organismo. Al igual que con las enzimas es difícil hablar de importancia entre rutas
metabólicas ya que todas son esenciales para conseguir la homeostasis.
Existen algunas rutas metabólicas clásicas presentes en todo organismo:
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Rutas metabólicas encargadas de sintetizar energía a partir de azucares y grasas
Azúcares: Esta ruta está compuesta por tres procesos, glucólisis, ciclo de Krebs y
fosforilación oxidativa, estas reacciones se encargan de transformar la glucosa en
energía (ATP)
Grasas: la reacción encargada de romper las moléculas de grasa y transformarlas
en energía se llama Beta-oxidación
Síntesis de proteínas:
De acuerdo con el dogma central de la biología molecular, los genes están contenidos en
el ADN, esta sería como la librería, para sintetizar una proteína no necesito toda la
librería, solo un libro en particular, un gen. Este gen debe ser extraído de la librería
transcribiéndolo de ADN a ARN, este ARN es semejante a una receta que indica el orden
en que se deben adicionar lo ingredientes (aminoácidos) para construir una proteína.
Evidencia de Aprendizaje: ¿Soy o me parezco?
Esta actividad implica que exteriorices en un cuerpo de ideas e información todo lo que
haz aprendido durante esta unidad; te enfocarás en discernir qué tan parecidos o
diferentes evolutivamente son un virus, el hongo del pie de atleta (Tinea pedis), un alga
(Euglena viridis) y una amiba (Entamoeba histolytica), tomando en cuenta todos los
aspectos estructurales, funcionales y metabólicos.
Realiza lo siguiente:
1. En un documento de texto describe, a manera de ensayo, la similitud metabólica,
estructural y evolutiva de los organismos mencionados.
Eres libre de profundizar tanto como deseas.
2. Apoya con imágenes el trabajo de información que realizaste.
Nota: Te exhortamos atentamente a abstenerte de cualquier acción de plagio o copia de
contenidos, el facilitador puede detectar esta situación sin dificultad; tu formación exige
que desde esta etapa todo producto o tarea que reportes sea totalmente original y propio
de tu iniciativa y creatividad; para que en lo sucesivo esta actitud se proyecte
directamente en tu práctica profesional.
Nota 2: No olvides revisar/consultar la Escala de evaluación para que puedas guiarte
correctamente en el diseño de estructura de tu ensayo y en el proceso de solución o
respuesta de tu Evidencia de Aprendizaje (EA).
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Al finalizar tu evidencia de aprendizaje, es importante que lleves a cabo tu ejercicio de
autorreflexión, para ello, ingresa al Foro de Preguntas de Autorreflexión y consulta las
preguntas que tu Facilitador(a) publique ahí para esta unidad, a partir de ellas, realiza tu
ejercicio en un documento de texto y envíalo mediante la herramienta Autorreflexiones.
Fuentes de consulta
Stevens, A. (2006). Histología Humana. Elsevier.
Lodish, H. et.al. (2006). Biología celular y molecular. Panamericana.
Montuenga, L. , et.al. (2009). Técnicas en Histología y Biología Molecular. USA: Elsevier.
Bibliografía complementaria
Alberts. B. et al. (2002). Biología Molecular de la Célula (3a Ed.). Editorial Omega.
Robertis, De R. (2004). Fundamentos de Biología celular y Molecular de De Robertis.(4ª
Ed. ). Argentina: Editorial el Atenco.
Audesirk. T. et. Al. (2008). Biología, La vida en la Tierra (8a Ed.). México: Prentice Hall.
Moreno. J. (2008,10). Prebióticos en las fórmulas para lactantes. ¿Podemos modificar la
respuesta inmune? Barcelona: An. Pediatr.
Cavagnaria. B. (2010, 4). Animales transgénicos: usos y limitaciones en la medicina del
siglo XXI. Arch. Argent Pediatr.
Erijman, L, et,al. (2011). Impacto de los recientes avances en el análisis decomunidades
microbianas sobre el control del proceso de tratamiento de efluentes. Revista Argentina
de Microbiología.