ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL CUERPO HUMANO Y BASES QUÍMICAS DE LOS PROCESOS VITALES PDF

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Profesor: David Moranta...

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TEMA 1 Y 2: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL CUERPO HUMANO Y BASES QUÍMICAS DE LOS PROCESOS VITALES La anatomía y la fisiología son ciencias muy diferentes, pero a la vez están íntimamente relacionadas. La anatomía es el estudio de la estructura de un organismo y de las relaciones entre sus partes. La principal técnica para estudiar partes o componentes de los seres vivos es la disección, así como también los rayos X, resonancias magnéticas, etc. Por otra parte, la fisiología es el estudio de las funciones de los organismos vivos y de sus partes. Estudia los fenómenos físicos y químicos que permiten el funcionamiento de los seres vivos y su adaptación a los cambios que se producen en el medio que los rodea. Las diferentes estructuras anatómicas están diseñadas para funciones específicas. Las funciones que estas realizan son las que determinan su estructura (tamaño, forma, posición, etc.) La homeostasis es una propiedad fundamental en los organismos vivos. Permite que estos se mantengan en condiciones estables a pesar de los diferentes cambios que se pueden producir tanto en el medio como en el cuerpo. La homeostasis mantiene al organismo dentro de unos límites en los que le permite funcionar adecuadamente. La alteración drástica de la homeostasia puede causar enfermedades o incluso, la muerte. Está controlada principalmente por asas de retroalimentación negativa (“feed-back” negativos), es decir, se reacciona en contra del ambiente. Si fuera hace frío, nuestro cuerpo se calienta para mantener una temperatura corporal estable, ya sea mediante pequeñas contracciones musculares o al tiritar; y si fuera hace calor, nuestro cuerpo intenta enfriarse, para no llegar a un nivel excesivo de calor corporal. NIVELES DE ORGANIZACIÓN El cuerpo humano está formado por unidades vivas llamadas células. La célula es la unidad anatómica, fisiológica y genética más pequeña de los seres vivos. En los organismos encontramos distintos niveles de organización: ATÓMICO → CELULAR → TISULAR → ÓRGANO → SISTEMÁTICO Moléculas

Tejidos

→

Elementos químicos

SER VIVO • •

Los átomos se juntan formando moléculas Las células se organizan para formar tejidos

Los niveles de organización se dividen en dos grupos: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL CUERPO HUMANO

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Nivel abiótico: niveles de materia no viva. En el encontramos el nivel subatómico (partículas subatómicas como p+, n, e-), nivel atómico (átomos de C, H,O,N,P,S…) y nivel molecular (moléculas sencillas (orgánicas: glucosa, fructosa, aminoácidos; inorgánicas: H2O, CO2…) y moléculas complejas (glúcidos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos))

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Nivel biótico: niveles de materia viva. Forman parte e este nivel el nivel celular, nivel tisular, nivel órgano, nivel sistemático, nivel aparato, organismo.

Nivel atómico Todos los seres vivos estamos formados por un conjunto limitado de elementos. De todos los elementos que existen (92) solo 4 de ellos constituyen el 96% de la materia viva (oxígeno, carbono, hidrógeno y nitrógeno). El otro 4% son otros elementos que se encuentran en. Pequeñas cantidades (fósforo, sodio…) Los átomos están formados por neutrones (n), protones p+) y electrones (e-). El número de protones determina el tipo de elemento, el cual tiene el mismo numero de protones que de neutrones. Los isótopos de un elemento son átomos que tienen el mismo número atómico pero diferente masa atómica, por tanto, son inestables. Los isótopos son dados por una variación del número de neutrones. Estos acaban degradándose hasta estar estables ya que la naturaleza tiende a la inestabilidad. 12 6

C

Nº másico (A) p+ Nº atómico (Z) n + p+

Los electrones se van situando en las capas. Una vez que una capa llega a 8e-, los siguientes e- se van situando en la siguiente capa. Los gases nobles tienen su última capa completa, por tanto, son estables. Los no metales en cambio, interactúan con otros ya que no tienen completa la última capa y por tanto no son estables.

Nivel molecular

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Cuando los átomos interaccionan entre ellos y forman enlaces químicos, se generan moléculas. Las moléculas son un conjunto de al menos dos átomos enlazados covalentemente que forman un sistema estable y eléctricamente neutro. Estas interacciones son mayoritariamente consecuencia de la actividad de los electrones de la capa más externa de los átomos, ya que estos tienden a estar estables y buscan tener completa su última capa. Podemos distinguir diferentes tipos de interacciones: •

Enlace covalente → Enlace entre NO metales. Consiste en compartir parejas de e- entre átomos. Es una fuerza fuerte y H estable. Se produce cuando los átomos se unen para llegar a un octeto estable, compartiendo H C H electrones de la última capa. H

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Enlace metálico → Enlace químico que mantiene unidos a los átomos de los metales entre sí. Es una unión de núcleos atómicos y los electrones de valencia que se juntan alrededor de estos mismos como una nube. Este tipo de enlace NO se encuentra en los compuestos orgánicos.

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Enlace iónico → Se trata de un enlace entre un metal y un no metal. Tiene lugar cuando un átomo transfiere e- a otro. Es el resultado de la presencia de atracción electrostática entre dos iones de distinto signo, es decir, uno fuertemente electropositivo (baja energía de ionización) y otro fuertemente electronegativo (alta afinidad electrónica). La estructura que se forma es como de cristal debido a la atracción entre cargas positivas y negativas. Ejemplo: La sal.

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Puente de hidrógeno → Tienen lugar entre átomos de hidrógeno (H) y átomos de O, F, N, Cl… Es una fuerza atractiva entre un átomo electronegativo y un átomo de hidrógeno unido covalentemente a otro átomo electronegativo. En este caso no se comparten e-. Se trata de una de las interacciones más débiles.

En los organismos encontramos compuestos. Orgánicos e inorgánicos. •

Moléculas orgánicas: carbohidratos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos. Contienen enlaces covalentes. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL CUERPO HUMANO

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Moléculas inorgánicas: agua, gases y electrolitos (sales en disolución). Pocas contienen carbono. Suelen ser más pequeñas y sencillas que las orgánicas.

Las macromoléculas son moléculas que tienen una masa molecular elevada formadas por un gran número de átomos. Generalmente se pueden describir como la repetición de una o unas pocas unidades mínimas (monómeros), formando los polímeros. También se producen asociaciones entre moléculas. El agua es el componente más abundante de nuestro organismo (80%). Es el disolvente universal de la vida, produce la ionización de moléculas y facilita las reacciones químicas. Es una molécula muy estable y con poca energía asociada a sus enlaces. Propiedades del agua •

Fuerte polaridad: las moléculas polares de agua atraen iones y otros compuestos polares para que se disuelvan. Esta propiedad permite que muchas moléculas puedan disolverse permitiendo gran variedad de reacciones químicas y el transporte de numerosas substancias.

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Elevado calor específico: las uniones de hidrógeno absorben calor al romperse y lo liberan cuando se forman, de manera que permiten que la temperatura corporal se mantenga constante.

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Elevado calor de evaporación: Al romperse muchas uniones de hidrógeno, el agua se evapora. Esto permite que el cuerpo se enfríe cuando el agua es evaporada por la sudoración.

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Cohesión: las uniones de hidrógeno mantienen juntas las moléculas de agua. El agua actúa de lubricante para proteger frente lesiones por fricción o traumatismo.

Funciones del agua -

Principal constituyente del cuerpo, de las células y los tejidos; además de ser el componente esencial de los líquidos corporales. Vehículo de transporte de substancias ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL CUERPO HUMANO

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Es el medio en que las células desarrollan su metabolismo Regulación de la temperatura corporal Interviene en alguna de las reacciones químicas del organismo y se obtiene como subproducto de otras reacciones químicas.

Nivel celular La célula es la unidad anatómica, fisiológica y genética de los seres vivos. Es la unidad básica del organismo. Una de las características de las células es la diferenciación, es decir, las células han de diferenciase (especializarse) para ejercer su función. La diferenciación consiste en cambios estructurales y funcionales de las células a medida que proliferan en el embrión para formar diferentes tejidos y órganos. Las células con funciones similares se agrupan formando tejidos (nervioso, epitelial, muscular, conjuntivo) Los órganos están normalmente formados por los 4 tipos de tejido.

Compuestos inorgánicos de los seres vivos Los gases oxígeno (O2) y dióxido de carbono (CO2) están relacionados con la respiración celular. El oxígeno es necesario para completar las reacciones de descomposición necesarias para liberar la energía de los nutrientes utilizados por la célula. Es el aceptor final de electrones de la cadena respiratoria que se da en las mitocondrias de las células. El CO2 contiene carbono, pero es una molécula inorgánica muy simple. Se produce como un deshecho de la descomposición necesaria para liberar la energía de los nutrientes utilizados por la célula. También juega un papel muy importante en el mantenimiento de un adecuado equilibrio ácido-base.

Ácidos, bases y sales (electrolitos) Las sales minerales se encuentran en forma sólida formando parte principalmente de los huesos y los dientes o en disolución interviniendo en multitud de procesos. -

Catalizan reacciones químicas ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL CUERPO HUMANO

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Mantenimiento de las concentraciones osmóticas Transporte de substancias a través de las membranas de las células Contracción del músculo Potencial de acción Forman tampones para regular el pH

Las sales minerales en disolución se conocen como electrolitos, y se disocian liberando cationes (+) y aniones (-).

pH: concentración de protones (H+). El pH en el cuerpo se mantiene constante gracias a la existencia de sistemas amortiguadores o tampones, que reducen los cambios de concentración de H+ y OH-. El pH se considera ácido de 0 a 7 Básico de 7 a 14 Neutro cuando es 7 Valores normales de pH en plasma: 7,35 – 7,45 Valores extremos de pH en plasma: 6,8 - 7,8

Compuestos orgánicos Glúcidos

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Son biomoléculas orgánicas formadas por átomos de C, H, O. Son muy abundantes en los organismos vivos y forman parte de estructuras como membranas y paredes. Encontramos distintos tipos de glúcidos: •

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Monosacáridos → Azucares simples. En disolución suelen ser estructuras cíclicas. Predominan hexosas (glucosa, fructosa, galactosa, etc.) y pentosas (Ribosa, desoxirribosa, etc.) Disacáridos y polisacáridos → Unión covalente de 2 o más monosacáridos por una reacción que implica la eliminación del agua. Disacáridos: Sacarosa, maltosa, lactosa, etc. Polisacáridos: Almidón, glucógeno, celulosa, etc.

Son la fuente principal de la energía química para todas las células del organismo. También tienen una función estructural como componente del ARN y ADN. También forman glicoproteínas.

Lípidos Grupo heterogéneo de substancias caracterizados por su insolubilidad en agua. Son moléculas apolares, y aunque en agua no se disuelvan, son solubles en disolventes orgánicos como el alcohol o la acetona. Están formados principalmente por C, H y O. Las grasas son solidas a temperatura ambiente, en cambio los aceites son líquidos. Su función principal es de reserva energética y de agua. Forman barreras tales como membranas celulares, con función estructural y de aislamiento del medio interno. También funcionan como aislante térmico. Podemos diferenciar diferentes tipos de lípidos: •

Triglicéridos → Están formados por una unidad de glicerina y 3 ácidos grasos. Son los lípidos más abundantes y en la reserva energética del organismo. Existen dos tipos de ácidos grasos: los ácidos grasos saturados, en que los enlaces de carbono están saturados por H y los insaturados (mono- y poli-insaturados), en los que no todos los enlaces de los átomos de carbono están saturados por átomos de H debido a la existencia de ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL CUERPO HUMANO

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dobles enlaces entre algunos átomos de carbono. El grado de saturación determina las propiedades físicas de los ácidos grasos. •

Fosfolípidos → Compuestos similares a los triglicéridos, pero en este caso, uno de los 3 enlaces de la glicerina con los ácidos grasos se ha substituido por un grupo fosfato. De esta manera se forma una cabeza polar que atrae el agua, mientras que las dos cadenas de ácidos grasos la repelen (apolar). Esta estructura permite la formación de las bicapas lipídicas cuando están en solución acuosa, de hecho, las. Membranas de las células están formadas por fosfolípidos.

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Colesterol (esteroides) → El colesterol se combina con los fosfolípidos en la membrana celular y le dan estabilidad a la membrana. Un exceso de colesterol puede producir problemas cardiovasculares. A partir del colesterol se sintetizan las hormonas esteroideas (estrógenos, testosterona, cortisona, etc.). las vitaminas D, A y K tienen una estructura similar a la del colesterol. Al no ser solubles en agua, los lípidos no pueden transportarse libremente en sangre, de manera que se transportan unidos a las lipoproteínas. Encontramos las lipoproteínas de alta densidad (HDL) que transportan el colesterol de las células al hígado para que lo filtre y lo elimine; y las lipoproteínas de baja densidad ( LDL) que transportan el colesterol hacia las células para que lo almacenen.

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Proteínas → Compuesta por 12 aminoácidos no esenciales y 8 esenciales. Se pueden combinar todos entre todos para formar la estructura primaria. Se asocian con su respectivo ARNt para la síntesis proteica y determina el código genético. La estructura determina la función de la proteína concreta:

o Proteínas estructurales: como por ejemplo el colágeno es una fibra que se encarga de mantener unido la mayoría de los tejidos del organismo. La actina y los microtúbulos forman el citoesqueleto de las células. o Proteínas funcionales: participan o favorecen procesos y reacciones químicas del organismo.

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Las enzimas son catalizadores químicos. Cada enzima participa y facilita (aumenta la velocidad) una reacción química determinada. Son esenciales para la vida porque ninguna reacción química del organismo se produce lo suficientemente deprisa a no ser que estén presente las enzimas específicas. Son responsables del metabolismo. Las glucoproteínas son proteínas con moléculas de oligosacáridos o polisacáridos unidas covalentemente. Tienen diferentes funciones: anticongelante, lubricación, marcadores celulares… En cuanto a los ácidos nucleicos, los podemos encontrar en dos formas: ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN). Ambos están constituidos por cadenas de repeticiones de unidades básicas (monómeros) llamados nucleótidos. Existen 5 bases nitrogenadas distintas: adenina, guanina (bases purínicas) y citosina, timina y uracilo (bases pirimidínicas), aunque el uracilo es exclusivo en el ARN y la timina exclusiva del ADN. Las moléculas de ADN son muy estables químicamente. Son polímeros muy grandes formados por dos cadenas de repeticiones de numerosos nucleótidos dispuestas en antiparalelo unidas por puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas (T=A; C ≡G). estos filamentos están retorcidos sobre si mismos formando una doble hélice. En la secuencia de nucleótidos es donde reside (se almacena) la información genética hereditaria. La molécula de ARN consta solo de una cadena de repeticiones de nucleótidos. Es muy importante en la síntesis de proteínas ya que constituye la maquinaria de interpretación de la información genética.

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Es más versátil que el ADN (pero menos estable) ya que lagunas moléculas de ARN tienen actividad catalítica o enzimática (ARN ribosómico encargado de la síntesis de proteínas). El ARN de transferencia es el principal responsable del código genético y la traducción de nucleótidos a aminoácidos. El ARN mensajero transporta la información des del ADN en el núcleo hasta los ribosomas del citoplasma celular. Un tipo particular de ácido nucleico es el ATP (adenina trifosfato) que es fundamental en la obtención y transporte de la energía celular. En los enlaces de los grupos fosfato reside una elevada densidad de energía química y el ATP permite transferir esta energía química a las distintas moléculas. Es una de las moléculas más importantes para la vida ya que es capaz de transferir esta energía a las nuevas moléculas que se forman mediante la rotura de estos enlaces fosfato de lata energía.

Metabolismo El metabolismo es el conjunto de todas las reacciones químicas que se producen en un organismo. El objetivo de este es la homeostasia, es decir, mantener el medio interno constante. Está relacionado con la nutrición ya que las reacciones químicas que se realizan en las células del organismo están relacionadas con el uso que hace el cuerpo de los alimentos una vez digeridos, absorbidos y transportados a las células. Las células utilizan estos alimentos de dos formas: como fuente energética y como base para generar nuevas substancias químicas complejas. Lo que determina los dos tipos de actividad metabólica son el catabolismo y el anabolismo.

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Catabolismo → Son reacciones químicas con la finalidad de transformar biomoléculas complejas en moléculas más sencillas. En este proceso se obtiene energía en forma de ATP. Los hidratos de carbono son la ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL CUERPO HUMANO

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principal fuente de energía del organismo. Las grasas a pesar de tener mayor densidad, son más difíciles de procesar y requieren la participación de muchas enzimas. En condiciones normales solo una pequeña cantidad de proteínas se utiliza para obtener energía. •

Anabolismo → Conjunto de reacciones químicas con la finalidad de sintetizar substancias complejas a partir de moléculas simples con la utilización de energía, cosa que supone un consumo de ATP, que proviene de la fase degradativa del catabolismo. El anabolismo también es diferente en las diferentes células del organismo y esto provoca que distintas células produzcan distintos compuestos. Hidratos de carbono → glucógeno Lípidos → triglicéridos (glicerina + ácidos grasos) El metabolismo de las proteínas (anabolismo) es realizado por los ribosomas. Hay 8 aminoácidos esenciales que no pueden ser sintetizados por el organismo.

Vitaminas y minerales Las vitaminas y minerales son elementos orgánicos e inorgánicos respectivamente que no pueden ser sintetizados por el organismo y deben sr aportados en la dieta. Muchos son factores necesarios para la acción de determinadas enzimas.

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