Biología Selectividad Andalucía (PEvAU): apuntes y test

El agua y su relevancia biológica

El agua es la biomolécula inorgánica más abundante en la materia viva, representando entre el 65 % y el 80 % del peso de la mayoría de los organismos celulares. Su protagonismo vital deriva directamente de su particular geometría y de su distribución de cargas eléctricas.

Estructura molecular y dipolaridad

Una molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno unido covalentemente a dos átomos de hidrógeno mediante enlaces covalentes simples. La disposición espacial de estos enlaces forma un ángulo característico de $104{,}5^\circ$. Debido a la elevada electronegatividad del oxígeno en comparación con el hidrógeno, los electrones compartidos se desplazan hacia el núcleo de oxígeno, generando una densidad de carga negativa parcial ($\delta^-$) en dicho extremo y densidades de carga positiva parcial ($\delta^+$) en los extremos donde se sitúan los protones de hidrógeno. Esta asimetría convierte al agua en un dipolo eléctrico permanente, a pesar de tener una carga neta neutra.

El enlace por puentes de hidrógeno

La naturaleza dipolar permite que las moléculas de agua interaccionen electrostáticamente entre sí: el polo negativo de una atrae al polo positivo de otra adyacente. Estas interacciones electrostáticas reciben el nombre de enlaces por puentes de hidrógeno. Aunque la fuerza de cada puente individual es sensiblemente menor a la de un enlace covalente, cada molécula de agua puede formar simultáneamente hasta cuatro enlaces con sus vecinas en el estado sólido (hielo) y una media de 3,4 enlaces en el estado líquido a temperatura ambiente. Esta red intermolecular confiere al agua una estructura cohesiva singular responsable de sus propiedades físico-químicas:

• Elevado calor específico: Se requiere una gran cantidad de energía calorífica para romper los enlaces de hidrógeno antes de conseguir elevar la agitación molecular. Gracias a ello, el agua actúa como un extraordinario amortiguador térmico que protege las estructuras celulares frente a variaciones bruscas de temperatura ambiental.
• Elevado calor de vaporización: La evaporación del agua demanda gran aporte energético calórico tomado del entorno inmediato, lo que fundamenta el mecanismo de enfriamiento por sudoración o transpiración en seres vivos.
• Cohesión interna y tensión superficial: La atracción mutua entre moléculas genera una elevada cohesión y adhesión molecular. Esto explica fenómenos como la tensión superficial (que permite a ciertos insectos desplazarse sobre láminas hídricas) y la capilaridad, indispensable para el ascenso ininterrumpido de la savia bruta por los conductos vasculares xilemáticos en las plantas.
• Densidad anómala a 4 °C: El agua líquida alcanza su máxima densidad a los 4 °C. Al congelarse ($0^\circ\text{C}$), la red de puentes de hidrógeno se expande formando una estructura cristalina reticular más espaciada y menos densa que el agua líquida. El hielo flota, aislando térmicamente los fondos marinos y lacustres, lo que hace posible la persistencia de los ecosistemas acuáticos bajo climas gélidos.
• Constante dieléctrica elevada y poder disolvente: El agua interacciona con solutos iónicos y moléculas polares separando aniones y cationes mediante capas de hidratación o solvatación acuosa. Es el disolvente universal de la célula y el medio idóneo para el transporte de nutrientes y la ejecución de las reacciones metabólicas.
• Reactividad química: El agua no solo constituye un disolvente pasivo, sino que participa directamente como sustrato reactivo en procesos celulares esenciales como la hidrólisis de enlaces macromoleculares y la fotólisis del agua durante la fotosíntesis oxigénica.

Sales minerales y homeostasis celular

Las sales minerales son biomoléculas inorgánicas indispensables presentes en los organismos vivos en proporciones que oscilan entre el 1 % y el 5 %. Se presentan bajo dos formas fundamentales:

• Sales precipitadas o insolubles: Se encuentran en estado sólido formando estructuras esqueléticas y de soporte. Destacan el fosfato cálcico ($\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2$) y el carbonato cálcico ($\text{CaCO}_3$) en los huesos y dientes de vertebrados, así como en las conchas calcáreas de moluscos y exoesqueletos de diversos invertebrados; y la sílice ($\text{SiO}_2$) en las frústulas de diatomeas y espículas de ciertas esponjas.
• Sales disueltas o solubles: Se disocian completamente en sus correspondientes iones libres o electrolitos. Los aniones biológicos más frecuentes son cloruro ($\text{Cl}^-$), bicarbonato ($\text{HCO}_3^-$), fosfato monohidrógeno ($\text{HPO}_4^{2-}$) y sulfato ($\text{SO}_4^{2-}$); mientras que los cationes predominantes son sodio ($\text{Na}^+$), potasio ($\text{K}^+$), calcio ($\text{Ca}^{2+}$) y magnesio ($\text{Mg}^{2+}$).

Presión osmótica y dinámica hídrica en la célula

La presión osmótica representa la presión mecánica requerida para detener el flujo neto de disolvente (agua) a través de una membrana semipermeable que separa dos disoluciones de diferente concentración de solutos no difusibles. Por el proceso de ósmosis, el agua se desplaza espontáneamente desde la región con menor concentración de soluto (medio hipotónico) hacia la región con mayor concentración (medio hipertónico), hasta alcanzar el equilibrio isotónico.

Función amortiguadora del pH (Sistemas tampón)

Las sales disueltas forman disoluciones amortiguadoras o sistemas tampón que minimizan los cambios drásticos del pH intracelular y extracelular mediante el equilibrio ácido-base:

• Tampón bicarbonato: Opera predominantemente en los fluidos extracelulares como el plasma sanguíneo, manteniendo el pH en torno a 7,4 mediante el equilibrio reversivo:
  $$\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{HCO}_3^- + \text{H}^+$$
• Tampón fosfato: Actúa prioritariamente en el medio intracelular citoplasmático mediante la interconversión entre el ion dihidrógeno fosfato y el monohidrógeno fosfato:
  $$\text{H}_2\text{PO}_4^- \rightleftharpoons \text{HPO}_4^{2-} + \text{H}^+$$

Glúcidos: Monosacáridos y enlace O-glucosídico

Los glúcidos (también llamados azúcares o carbohidratos) son biomoléculas orgánicas constituidas fundamentalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno, cuya fórmula empírica general suele aproximarse a $\text{C}_n(\text{H}_2\text{O})_n$. Desde el punto de vista químico, son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas (o compuestos que rinden estos derivados tras su hidrólisis).

Monosacáridos

Son los monómeros más simples; no son hidrolizables en unidades más pequeñas, son sólidos cristalinos de color blanco, solubles en agua y con sabor dulce. Se clasifican según el grupo funcional carbonilo (aldosas si portan un grupo aldehído terminal en $\text{C}-1$; cetosas si presentan un grupo cetona interno, habitualmente en $\text{C}-2$) y según el número de átomos de carbono:

• Triosas ($\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_3$): El gliceraldehído (aldotriosa) y la dihidroxiacetona (cetotriosa), intermediarios fundamentales de las vías catabólicas citosólicas.
• Pentosas ($\text{C}_5\text{H}_{10}\text{O}_5$): Destacan la D-ribosa (componente nucleotídico del ARN y del ATP) y su derivado la 2-desoxirribosa ($\text{C}_5\text{H}_{10}\text{O}_4$, integrante del ADN), así como la ribulosa (cetopentosa que participa como sustrato fijador de dióxido de carbono).
• Hexosas ($\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$): Comprenden la D-glucosa (fuente energética celular primordial), la D-galactosa (constituyente del disacárido lactosa y de glucolípidos) y la D-fructosa (cetohexosa presente en frutos y néctares).

En disolución acuosa, las pentosas y hexosas experimentan una reacción intramolecular espontánea entre su grupo carbonilo y un grupo hidroxilo ($-\text{OH}$) distante, formando un enlace hemiacetal (aldosas) o hemicetal (cetosas). Esto genera una ciclación molecular con anillos de cinco miembros (furanosa) o de seis miembros (piranosa). Al ciclarse, el carbono carbonílico pasa a ser asimétrico (carbono anomérico), dando lugar a dos configuraciones espaciales posibles denominadas anómeros: $\alpha$ (si el hidroxilo anomérico se sitúa en posición trans respecto al grupo $-\text{CH}_2\text{OH}$ terminal) o $\beta$ (si se orienta en posición cis).

Los monosacáridos poseen poder reductor gracias a la presencia del carbono anomérico libre, capaz de ceder electrones y reducir sales de metales pesados en disolución alcalina caliente (como la reducción del catión cúprico $\text{Cu}^{2+}$ a catión cuproso $\text{Cu}^+$ en el ensayo con reactivo de Fehling).

El enlace O-glucosídico y los disacáridos

El enlace O-glucosídico es el enlace covalente que une químicamente a dos monosacáridos entre sí. Se establece mediante una reacción de condensación entre el grupo hidroxilo del carbono anomérico de un monosacárido y un grupo hidroxilo perteneciente a otro azúcar, produciéndose la liberación simultánea de una molécula de agua ($\text{H}_2\text{O}$):

• Enlace monocarbonílico: Se une el $-\text{OH}$ del carbono anomérico del primer monosacárido con un $-\text{OH}$ de un carbono no anomérico del segundo (por ejemplo enlaces $1\rightarrow 4$ o $1\rightarrow 6$). Como el segundo monosacárido conserva su carbono anomérico libre, la molécula resultante mantiene el poder reductor.
• Enlace dicarbonílico: La unión ocurre directamente entre los dos hidroxilos de los carbonos anoméricos de ambos monómeros (enlace $1\rightarrow 2$, $1\rightarrow 1$). Al no quedar ningún carbono anomérico disponible, el disacárido resultante carece de poder reductor.

Los disacáridos biológicos más notables son:

• Maltosa: Formada por dos moléculas de $\alpha\text{-D-glucopiranosa}$ unidas por enlace monocarbonílico $\alpha(1\rightarrow 4)$. Se obtiene de la degradación digestiva del almidón; tiene carácter reductor.
• Lactosa: Formada por $\beta\text{-D-galactopiranosa}$ unida a $\alpha\text{-D-glucopiranosa}$ mediante enlace monocarbonílico $\beta(1\rightarrow 4)$. Es el azúcar característico de la leche y posee poder reductor.
• Sacarosa: Constituida por una molécula de $\alpha\text{-D-glucopiranosa}$ y una de $\beta\text{-D-fructofuranosa}$ unidas mediante un enlace dicarbonílico $\alpha(1\rightarrow 2)\beta$. Es el azúcar transportado en la savia elaborada vegetal y, al tener sus dos carbonos anoméricos comprometidos, no presenta carácter reductor.
• Celobiosa: Integrada por dos unidades de $\beta\text{-D-glucopiranosa}$ enlazadas mediante unión $\beta(1\rightarrow 4)$ monocarbonílica. No se encuentra libre en la naturaleza; procede de la hidrólisis de la celulosa vegetal.

Polisacáridos: Polímeros de reserva y estructurales

Los polisacáridos son macromoléculas constituidas por la polimerización de decenas o millares de monosacáridos unidos por enlaces O-glucosídicos sucesivos. Carecen de sabor dulce, son insolubles o forman dispersiones coloidales, y no exhiben poder reductor al ser prácticamente inapreciable la proporción de extremos anoméricos libres respecto a la masa molecular global.

Polisacáridos de reserva energética

Permiten a los seres vivos acumular enormes cantidades de glucosa en el interior celular sin incrementar la osmolaridad interna ni provocar el colapso osmótico que ocasionarían miles de monómeros libres disueltos.

• Almidón: Es el principal polisacárido de reserva propio de las células vegetales, acumulado en orgánulos de almacenamiento (amiloplastos). Está constituido por dos fracciones poliméricas:
  • Amilosa: Representa entre el 20 % y el 30 % del almidón. Polímero lineal helicoidal de restos de $\alpha\text{-D-glucopiranosa}$ unidos exclusivamente por enlaces $\alpha(1\rightarrow 4)$.
  • Amilopectina: Supone entre el 70 % y el 80 %. Presenta una estructura ramificada compuesta por una cadena principal con enlaces $\alpha(1\rightarrow 4)$ sobre la que surgen ramificaciones laterales mediante enlaces $\alpha(1\rightarrow 6)$ espaciadas cada 24 a 30 residuos de glucosa.
• Glucógeno: Es el polisacárido de reserva energética propio de los animales y hongos, almacenado principalmente en hepatocitos y fibras del tejido muscular esquelético. Su arquitectura química es análoga a la de la amilopectina (cadenas de $\alpha\text{-D-glucosa}$ con uniones $\alpha(1\rightarrow 4)$ y ramificaciones $\alpha(1\rightarrow 6)$), pero con un grado de ramificación considerablemente superior (cada 8 a 12 unidades de glucosa). Esta morfología más ramificada y compacta permite una movilización enzimática extremadamente veloz de monómeros cuando el metabolismo demanda energía urgente.

Polisacáridos estructurales

Están configurados por enlaces glucosídicos de configuración $\beta$, lo que les confiere conformaciones extendidas de enorme resistencia mecánica frente a la tracción y a la degradación química y enzimática común.

• Celulosa: Es el componente principal de la pared celular vegetal. Es un homopolisacárido lineal no ramificado formado por miles de unidades de $\beta\text{-D-glucopiranosa}$ unidas por enlaces $\beta(1\rightarrow 4)$. Para acomodar esta conformación beta, cada resto de glucosa se orienta invertido $180^\circ$ respecto a su adyacente. Esta distribución rectilínea facilita el empaquetamiento paralelo mediante múltiples puentes de hidrógeno intra e intercatenarios, organizando microfibrillas de celulosa de extraordinaria rigidez que la mayoría de los animales no pueden hidrolizar por carecer de la enzima celulasa.
• Quitina: Polímero lineal constituido por monómeros de N-acetilglucosamina (un derivado aminado de la glucosa) enlazados covalentemente por uniones $\beta(1\rightarrow 4)$. Es el elemento básico del exoesqueleto de artrópodos y de las paredes celulares en el reino Fungi.