Apuntes de Biología: biomoléculas, célula, metabolismo, genética e inmunología

Bioelementos y biomoléculas inorgánicas

Los bioelementos son los elementos químicos que forman los seres vivos. Se clasifican por su abundancia:

Si se separa un material biológico con métodos físicos (filtrar, centrifugar, dializar), se obtienen sustancias que no han cambiado su composición. Son los principios inmediatos o biomoléculas. Por eso a los bioelementos se les llama también principios mediatos. Las biomoléculas pueden ser inorgánicas (agua y sales minerales) u orgánicas, exclusivas de los seres vivos (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos).

Muchas biomoléculas forman coloides: dispersiones con partículas de gran tamaño, como las proteínas del citoplasma. Algunos coloides cambian de viscosidad, pasando de gel a sol y al revés. Esta propiedad se llama tixotropía.

La molécula de agua: un dipolo

El agua está formada por un átomo de oxígeno unido a dos de hidrógeno por enlaces covalentes. Los dos enlaces forman un ángulo de 104,5°. El oxígeno es más electronegativo: atrae con más fuerza los electrones compartidos. Por eso queda una carga parcial negativa ($\delta^-$) en el oxígeno y una positiva ($\delta^+$) en cada hidrógeno. La molécula es neutra en conjunto, pero es un dipolo: tiene un polo negativo y otro positivo.

Cada puente es débil y dura muy poco, pero hay muchísimos. Juntos mantienen las moléculas unidas. Esto explica que el agua sea líquida a temperatura ambiente, cuando moléculas de masa parecida son gases.

Propiedades del agua y funciones biológicas

Casi todas las propiedades del agua salen de los puentes de hidrógeno o de su carácter polar:

Ionización del agua y pH

Una pequeñísima parte de las moléculas de agua se disocia:

El producto de ambas concentraciones es constante. Se llama producto iónico del agua y a 25 °C vale $[H_3O^+]\cdot[OH^-] = 10^{-14}$. En agua pura las dos concentraciones son iguales, $10^{-7}\ M$. Para manejar números tan pequeños se usa el pH:

• Disolución neutra: $[H_3O^+] = [OH^-]$, pH 7.
• Ácida: hay más $H_3O^+$ que $OH^-$, pH menor que 7.
• Básica: hay más $OH^-$ que $H_3O^+$, pH mayor que 7.

Sales minerales

Las sales minerales aparecen de dos formas:

• Precipitadas (sólidas): forman estructuras duras. El fosfato cálcico endurece huesos y dientes. El carbonato cálcico forma conchas y caparazones. La sílice refuerza el caparazón de las diatomeas.
• Disueltas: separadas en iones. Los cationes tienen carga positiva ($Na^+, K^+, Ca^{2+}, Mg^{2+}$). Los aniones la tienen negativa ($Cl^-, HCO_3^-, HPO_4^{2-}$).

Las sales disueltas mantienen la salinidad del organismo y regulan la actividad de las enzimas, que pueden activar o inhibir. También controlan la presión osmótica y el volumen celular. Algunos iones tienen funciones concretas:

Sistemas tampón y regulación del pH

Las enzimas solo funcionan en un margen estrecho de pH. Un pequeño cambio puede desnaturalizar las proteínas (véase «Proteínas»). El organismo lo evita con disoluciones tampón.

Funciona como un equilibrio que se desplaza. Si sobran $H^+$, la base los capta. Si faltan, el ácido los libera.

• Tampón bicarbonato ($H_2CO_3/HCO_3^-$): actúa en el medio extracelular, como la sangre.
• Tampón fosfato ($H_2PO_4^-/HPO_4^{2-}$): actúa en el medio intracelular.

Ósmosis

La membrana plasmática es semipermeable: deja pasar el agua, pero no muchos solutos. La ósmosis es el paso de agua a través de una membrana así, del medio hipotónico al hipertónico. El agua se mueve hasta igualar las concentraciones.

• Medio hipotónico: tiene menos solutos que la célula.
• Medio isotónico: tiene la misma concentración.
• Medio hipertónico: tiene más solutos que la célula.

La presión osmótica es la presión que habría que aplicar para frenar la entrada de agua. Es mayor cuanto más concentrada está la disolución: $\pi = c\,R\,T$, donde $c$ es la concentración molar, $R$ la constante de los gases y $T$ la temperatura absoluta.

Cómo responde la célula:

• En medio hipotónico entra agua. La célula animal se hincha y puede estallar; en los eritrocitos se llama hemólisis. La célula vegetal entra en turgencia: la vacuola se llena y empuja la pared, que resiste y evita que estalle.
• En medio isotónico entra y sale la misma agua. La célula no cambia.
• En medio hipertónico sale agua. La célula animal se arruga (crenación). En la vegetal, la membrana se separa de la pared (plasmólisis).