Apuntes Biología EBAU Asturias: 12 temas, esquemas y tests

Tema 1: Agua, sales minerales y ósmosis

1. Composición química de los seres vivos: bioelementos y biomoléculas

La materia viva está constituida por un conjunto específico de elementos químicos denominados bioelementos o elementos biogénicos. A partir de su abundancia ponderal en los organismos, se agrupan en tres categorías principales:

• Bioelementos primarios: comprenden el carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S). Constituyen cerca del 96 % de la masa total de la materia viva. Poseen masas atómicas bajas y capas electrónicas externas incompletas, lo que les permite establecer enlaces covalentes muy estables compartiendo electrones. El carbono destaca por su configuración tetraédrica y su capacidad de formar enlaces covalentes simples, dobles o triples consigo mismo y con otros bioelementos, originando esqueletos carbonados lineales, ramificados o cíclicos de gran diversidad. Además, el carbono y el nitrógeno presentan gran versatilidad para reducirse u oxidarse, facilitando las reacciones metabólicas esenciales.
• Bioelementos secundarios: representan aproximadamente el 3,9 % de la materia viva. Se encuentran habitualmente en disolución acuosa bajo forma de iones libres: sodio ($\text{Na}^+$), potasio ($\text{K}^+$), calcio ($\text{Ca}^{2+}$), magnesio ($\text{Mg}^{2+}$) y cloro ($\text{Cl}^-$). Resultan imprescindibles para la excitabilidad celular, la contracción muscular y el equilibrio osmótico.
• Oligoelementos o elementos vestigiales: están presentes en proporciones inferiores al 0,1 %, pero su presencia es indispensable para la supervivencia. Destacan el hierro (Fe), cobre (Cu), zinc (Zn), manganeso (Mn), yodo (I), níquel (Ni) y cobalto (Co), habitualmente integrados como cofactores enzimáticos o componentes de pigmentos respiratorios y hormonas.

Los bioelementos se combinan mediante enlaces químicos fuertes (covalentes e iónicos) y débiles (interacciones electrostáticas, fuerzas de Van der Waals y puentes de hidrógeno) para originar las biomoléculas o principios inmediatos, que se dividen en:

2. El agua: estructura molecular y propiedades fisicoquímicas

El agua es la sustancia más abundante en la biosfera y conforma cerca del 70 % del peso corporal celular. Su proporción varía según la especie (las medusas alcanzan el 95 %), la edad del individuo (disminuye progresivamente con el envejecimiento) y la tasa metabólica del tejido (el tejido adiposo contiene entre un 10 % y 20 %, mientras que la corteza cerebral llega al 90 %). En organismos pluricelulares se distribuye en agua intracelular (aproximadamente dos tercios del total) y agua extracelular (el tercio restante, integrado por los fluidos intersticiales y circulantes como sangre, linfa o savia).

Estructura molecular y puentes de hidrógeno

La molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno unido covalentemente a dos átomos de hidrógeno, configurando un ángulo de enlace de 104,5°. La elevada electronegatividad del oxígeno atrae hacia sí los pares de electrones compartidos, generando una densidad de carga parcial negativa ($\boldsymbol{\text{δ}}^-$) junto al oxígeno y densidades parciales positivas ($\boldsymbol{\text{δ}}^+$) en los extremos de los hidrógenos. Esta asimetría convierte al agua en un dipolo eléctrico permanente.

Gracias a su polaridad, se establecen atracciones electrostáticas entre el oxígeno parcialmente negativo de una molécula y el hidrógeno parcialmente positivo de otra: los puentes de hidrógeno. Cada molécula puede formar simultáneamente hasta cuatro enlaces de este tipo con moléculas vecinas, configurando una red tridimensional dinámica en continuo intercambio.

Propiedades fisicoquímicas y relevancia biológica

De la cohesión molecular debida a los puentes de hidrógeno se derivan propiedades fisicoquímicas exclusivas:

• Elevada cohesión y adhesión: le confieren un comportamiento casi incompresible, actuando como esqueleto hidrostático en plantas y dotando de turgencia a los tejidos vegetales y animales blandos. Asimismo, genera una elevada tensión superficial, permitiendo cambios de forma celular y locomoción citoplasmática.
• Alto calor específico: el calor específico del agua es la cantidad de energía requerida para elevar 1 °C la temperatura de un gramo de agua. Puesto que gran parte de la energía calórica se invierte en desestabilizar la densa red de puentes de hidrógeno, el agua absorbe o cede abundante calor sufriendo variaciones de temperatura mínimas, funcionando como un potente amortiguador térmico que protege la integridad funcional de las macromoléculas.
• Elevado calor de vaporización: el paso de líquido a vapor exige romper múltiples puentes de hidrógeno, lo que absorbe calor del entorno. La evaporación superficial (como la sudoración o la transpiración foliar) constituye un eficaz mecanismo de termorregulación y refrigeración.
• Capacidad disolvente universal: el carácter dipolar del agua le permite rodear e interponerse entre los iones de redes cristalinas salinas (capas de solvatación), dispersándolos eficazmente. Igualmente, solubiliza moléculas polares neutras provistas de grupos funcionales como hidroxilo ($-\text{OH}$), carbonilo ($-\text{CO}-$) o carboxilo (-COOH) mediante la formación de enlaces de hidrógeno. Por ello, el agua actúa como medio de transporte y vehículo de todas las rutas metabólicas celulares.

En contraste, las moléculas no polares o apolares (cadenas alifáticas hidrocarbonadas) no pueden interaccionar electrostáticamente con el agua; su introducción interrumpe la red de enlaces de hidrógeno, obligando a las moléculas de agua a reorganizarse a su alrededor. Para minimizar este coste termodinámico desfavorable, los grupos apolares se agregan entre sí mediante interacciones hidrofóbicas.

Las sustancias anfipáticas (que poseen simultáneamente una región hidrófila polar y una cola hidrófoba apolar, como los fosfolípidos) se autoorganizan espontáneamente en agua formando micelas, monocapas superficiales o bicapas lipídicas, base de todas las biomembranas celulares.

Ionización del agua y concepto de pH

El agua pura sufre una autoionización espontánea en proporción muy reducida: dos moléculas de agua transfieren un protón según el equilibrio:

A 25 °C, el producto iónico del agua viene dado por $K_w = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 1{,}0 \times 10^{-14}$, lo que en neutralidad supone $[\text{H}^+] = [\text{OH}^-] = 1{,}0 \times 10^{-7} \text{ M}$. El índice de acidez o basicidad se cuantifica mediante la escala de Sorensen:

Un pH inferior a 7 indica disolución ácida; superior a 7, básica; e igual a 7, neutra. Los fluidos como la sangre y el citosol se mantienen en torno a la neutralidad (pH 7,2 - 7,4), aunque existen compartimentos ácidos, como los lisosomas (pH 4,5 - 5) o el estómago (pH 2).

3. Sales minerales y regulación del pH

Las sales minerales se presentan en dos estados fundamentales en los organismos:

1. Precipitadas o insolubles: en estado sólido, cumpliendo funciones mecánicas de sostén y protección esquelética (el carbonato cálcico, $\text{CaCO}_3$, en caparazones de moluscos; o el fosfato cálcico e hidroxiapatito en el tejido óseo de vertebrados).
2. Disueltas o ionizadas: disociadas en aniones ($\text{Cl}^-$, $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{PO}_4^{3-}$, $\text{CO}_3^{2-}$, $\text{HCO}_3^-$) y cationes ($\text{Na}^+$, $\text{K}^+$, $\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$). Mantienen la salinidad basal, regulan la presión osmótica y median funciones electrofisiológicas específicas donde ciertos iones muestran efectos antagónicos; por ejemplo, la contracción y relajación del miocardio depende del equilibrio antagónico entre $\text{Ca}^{2+}$ y $\text{K}^+$.

Los sistemas tampón fisiológicos más relevantes son:

• Tampón bicarbonato (extracelular): opera en sangre y linfa mediante el equilibrio $\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{HCO}_3^- + \text{H}^+$. Si aumentan los $\text{H}^+$ (acidosis), el equilibrio se desplaza a la izquierda y el exceso de $\text{CO}_2$ se expulsa por ventilación pulmonar; si disminuyen (alcalosis), el equilibrio se desplaza a la derecha.
• Tampón fosfato (intracelular): mantiene el pH citosólico en torno a 6,86 - 7,2 mediante la interconversión $\text{H}_2\text{PO}_4^- \rightleftharpoons \text{HPO}_4^{2-} + \text{H}^+$.

4. Procesos osmóticos y comportamiento celular

Cuando dos disoluciones acuosas de diferente concentración de solutos se ponen en contacto, el movimiento de materia depende de la permeabilidad de la membrana que las separa:

• Difusión simple: paso espontáneo de partículas de soluto y disolvente a través de una barrera permeable hasta igualar concentraciones.
• Diálisis: separación de solutos en disolución según su tamaño molecular; una membrana dializadora deja pasar agua y solutos de bajo peso molecular (sales, monosacáridos), pero retiene macromoléculas (proteínas, polisacáridos).
• Ósmosis: flujo neto espontáneo de agua (disolvente) a través de una membrana semipermeable desde la disolución más diluida (hipotónica) hacia la más concentrada (hipertónica), hasta alcanzar el equilibrio termodinámico.

La presión osmótica ($\boldsymbol{\text{π}}$) se define como la presión hidrostática exacta que habría que aplicar sobre la disolución más concentrada para frenar por completo el flujo osmótico de agua a través de la membrana semipermeable.

La respuesta de las células frente a la tonicidad del entorno difiere drásticamente según posean o no pared celular rígida:

Ideas clave

• Los bioelementos primarios (C, H, O, N, P, S) forman el 96 % de la biomasa gracias a su ligereza atómica y su capacidad de establecer enlaces covalentes estables.
• El agua es una molécula dipolar que forma redes de puentes de hidrógeno, confiriéndole alto calor específico, elevado calor de vaporización y gran poder disolvente.
• Las sales minerales en disolución actúan como agentes osmóticos, reguladores iónicos antagónicos y sistemas amortiguadores de pH (tampones bicarbonato y fosfato).
• La ósmosis es el paso espontáneo de agua a través de una membrana semipermeable desde un medio hipotónico hacia otro hipertónico.
• En células sin pared la entrada masiva de agua produce lisis osmótica y la salida causa crenación, mientras que en células vegetales provocan turgencia o plasmólisis respectivamente.

Pon a prueba lo aprendido

1. ¿Qué propiedad del agua permite que los organismos regulen su temperatura corporal mediante la sudoración? — Elevado calor de vaporización
2. ¿Cuál es la respuesta de un eritrocito al colocarse en un medio fuertemente hipotónico? — Lisis o hemólisis
3. ¿Qué bioelemento es el componente estructural fundamental de las biomoléculas orgánicas gracias a su tetravalencia? — Carbono
4. ¿Cómo actúa el tampón bicarbonato en la sangre humana ante un descenso del pH sanguíneo? — Fijando protones para formar ácido carbónico

Tema 2: Glúcidos

Los glúcidos (también conocidos como hidratos de carbono o azúcares) son biomoléculas orgánicas integradas por carbono, hidrógeno y oxígeno cuya fórmula empírica general suele responder a $(\mathrm{CH_2O})_n$. Desde el punto de vista químico, se definen como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas, o bien sustancias que rinden estos compuestos tras hidrolizarse. Desempeñan papeles determinantes en el aporte inmediato de combustible metabólico (su combustión rinde unas 4,1 kcal/g), el almacenamiento energético a medio plazo y el sostén arquitectónico de células y tejidos.

Sección completa con Premium

Ideas clave

• na aliqua ut enim ad minim veniam quis nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip ex ea commodo consequat lorem ips
• s nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip ex ea commodo consequat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing elit sed do eiusmo
• s nisi ut aliquip ex ea commodo consequat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolo
• quat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliq
• ctetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua ut enim ad minim veniam quis nostrud exercitation ullamco labor

Tema 3: Lípidos

Los lípidos constituyen un conjunto biológico químicamente heterogéneo formado primordialmente por carbono, hidrógeno y oxígeno (y con frecuencia fósforo, nitrógeno y azufre), cuyo nexo de unión reside en sus propiedades de solubilidad: son insolubles o escasamente solubles en disolventes polares acuosos, pero altamente solubles en disolventes orgánicos no polares como el éter, el cloroformo, el benceno o la acetona.

Sección completa con Premium

Ideas clave

• na aliqua ut enim ad minim veniam quis nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip ex ea commodo consequat lorem ip
• s nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip ex ea commodo consequat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua ut enim ad minim veniam quis nost
• s nisi ut aliquip ex ea commodo consequat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua ut enim ad minim veniam quis no
• quat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua ut enim ad minim veniam quis nostrud exercitatio
• ctetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua ut enim ad minim veniam quis nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip ex ea commodo cons
• tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua ut enim ad minim veniam quis nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip ex ea