Apuntes de Biología PBAU Baleares: temario, esquemas y tests

Toda la materia viva responde a los principios fisicoquímicos fundamentales del universo. Sin embargo, los seres vivos se caracterizan por una composición elemental rigurosamente seleccionada a lo largo de la evolución, articulada en torno a los enlaces covalentes del carbono y mediada por un entorno acuoso indispensable para el metabolismo celular.

1. Elementos y moléculas de la materia viva

Los elementos químicos que componen los organismos reciben el nombre de bioelementos. Al combinarse mediante enlaces químicos, originan las biomoléculas o principios inmediatos, sustancias aislables mediante procedimientos físicos directos como la filtración, la diálisis o la centrifugación.

Clasificación de los bioelementos

Según su proporción en la masa corporal, los bioelementos se dividen en tres grandes categorías:

• Bioelementos primarios: Constituyen entre el 98 % y el 99 % de la materia viva total. Incluyen el carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S). Comparten una masa atómica reducida y la capacidad de establecer enlaces covalentes estables pero fácilmente transformables, permitiendo la construcción de esqueletos moleculares tridimensionales complejos.
• Bioelementos secundarios: Suponen entre el 1 % y el 2 % de la masa de los organismos. Se hallan habitualmente en forma iónica disuelta o en depósitos minerales: sodio ($\text{Na}^+$), potasio ($\text{K}^+$), calcio ($\text{Ca}^{2+}$), magnesio ($\text{Mg}^{2+}$) y cloro ($\text{Cl}^-$). Son esenciales para la transmisión del impulso nervioso, la contracción muscular y el mantenimiento del gradiente electroquímico.
• Oligoelementos (o elementos traza): Aparecen en proporciones inferiores al 0,1 %. Pese a su escasez, resultan imprescindibles para la supervivencia celular al actuar como cofactores enzimáticos y centros catalíticos esenciales (hierro, cobre, cinc, manganeso, cobalto, entre otros), aunque concentraciones elevadas causan toxicidad severa.

Biomoléculas inorgánicas y orgánicas

Los principios inmediatos se dividen en:

1. Inorgánicas: Moléculas que no presentan esqueletos de carbono polimerizado y que están presentes tanto en los seres vivos como en la materia inerte: el agua y las sales minerales.
2. Orgánicas: Macromoléculas exclusivas de los seres vivos formadas sobre cadenas carbonadas: glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, que en conjunto pueden superar el 90 % del peso seco celular.

2. El agua: estructura y propiedades fisicoquímicas

El agua es la biomolécula más abundante de la biosfera y el medio universal en el que transcurren los procesos vitales. Sus singulares propiedades derivan directamente de su configuración atómica.

Estructura dipolar y enlace de hidrógeno

La molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno unido covalentemente a dos átomos de hidrógeno, dispuestos con un ángulo de enlace de $104{,}5^\circ$. La elevada electronegatividad del oxígeno atrae con fuerza los pares electrónicos compartidos, generando un exceso de carga negativa parcial ($\boldsymbol{\text{δ}}^-$) sobre el oxígeno y sendas cargas positivas parciales ($\boldsymbol{\text{δ}}^+$) sobre los hidrógenos.

En el agua líquida, estos enlaces se forman y rompen de forma continua en fracciones de picosegundo, confiriendo al agua una estructura cohesiva y dinámica que explica sus propiedades térmicas y mecánicas.

Propiedades fisicoquímicas y funciones biológicas asociadas

La red molecular del agua confiere una serie de propiedades excepcionales íntimamente ligadas a su función orgánica:

• Elevada cohesión y adhesión molecular: La continua atracción intermolecular genera una gran fuerza de unión interna, haciendo del agua un fluido casi incompresible. Actúa como esqueleto hidrostático en anélidos y vegetales, y mantiene la turgencia celular. A su vez, la unión a superficies polares (fuerza de adhesión) origina el fenómeno de capilaridad, permitiendo el ascenso de la savia bruta por los conductos vasculares leñosos frente a la gravedad.
• Elevada tensión superficial: Las moléculas superficiales experimentan fuerzas netas de atracción hacia el interior de la masa líquida, formando una membrana elástica capaz de soportar pequeños pesos mecánicos y condicionar la morfología celular.
• Alto calor específico: Se precisa suministrar gran cantidad de energía calorífica para elevar la temperatura de un gramo de agua un grado centígrado, pues la energía absorbida se invierte primero en desestabilizar los puentes de hidrógeno antes de acelerar el movimiento cinético. Ejerce una función termorreguladora crucial, protegiendo a la célula frente a cambios térmicos bruscos del entorno.
• Elevado calor de vaporización: Para que el agua líquida se transforme en vapor, se debe romper la malla completa de enlaces de hidrógeno. La evaporación superficial consume calor del medio inmediato, sirviendo como un eficiente mecanismo refrigerante en la sudoración animal y la transpiración vegetal.
• Densidad anómala del hielo: A diferencia de la gran mayoría de líquidos, el agua sólida es menos densa que el agua líquida debido a que cristaliza en una red tetraédrica abierta fija. Por ello, el hielo flota en las masas acuáticas, actuando como aislante térmico y preservando la vida bajo los fondos helados en climas fríos.
• Elevada constante dieléctrica: El agua se interpone entre cargas de signo contrario, debilitando las atracciones electrostáticas y favoreciendo la disociación iónica de sales y compuestos polares. Es el disolvente biológico fundamental, responsable del transporte de nutrientes, catabolitos y de servir como medio para las reacciones metabólicas.
• Bajo grado de ionización: En agua pura, sólo una diminuta fracción de moléculas se encuentra disociada según el equilibrio dinámico:

A $25^\text{ \text{o} }\text{C}$, el producto de las concentraciones iónicas permanece constante ($K_w = [\text{H}_3\text{O}^+][\text{OH}^-] = 10^{-14}$), lo que permite que una disolución sea neutra si $[\text{H}_3\text{O}^+] = [\text{OH}^-]$, ácida si $[\text{H}_3\text{O}^+] > [\text{OH}^-]$ o básica si $[\text{OH}^-] > [\text{H}_3\text{O}^+]$. Además de disolvente, el agua interviene directamente como reactivo químico en reacciones de hidrólisis y en la fotólisis fotosintética.

3. Dispersiones coloidales

El citoplasma celular y los líquidos internos no constituyen disoluciones simples, sino dispersiones coloidales donde macromoléculas de elevado peso molecular (fase dispersa) interaccionan con el agua (fase dispersante). Presentan propiedades fisicoquímicas características:

• Efecto Tyndall: Turbidez o dispersión visible de un haz de luz al atravesar el coloide, originada por el choque de los fotones contra partículas relativamente voluminosas.
• Movimiento browniano: Trayectoria caótica, ininterrumpida y aleatoria de las partículas coloidales, provocada por los choques cinéticos de las moléculas de la fase dispersante.
• Estados de sol y gel: El estado sol presenta consistencia fluida, mientras que el estado gel adquiere una estructura semisólida y viscosa. La transición entre ambos estados depende de la hidratación de las partículas, la temperatura y el pH. La tixotropía define la cualidad de ciertos geles de licuarse reversiblemente al ser sometidos a agitación o presión mecánica.
• Diálisis: Separación de solutos de bajo peso molecular (cristaloides) de las macromoléculas coloidales mediante una membrana semipermeable que permite únicamente el paso del disolvente y las moléculas pequeñas.

4. Las sales minerales

Las sales minerales se hallan en los seres vivos bajo tres modalidades estructurales:

1. Precipitadas o insolubles: Constituyen fases sólidas con misión esquelética y protectora. Destacan el carbonato cálcico ($\text{CaCO}_3$) en conchas de moluscos y exoesqueletos, los fosfatos de calcio (como la hidroxiapatita) en los huesos de vertebrados y la sílice ($\text{SiO}_2$) en las frústulas de diatomeas y tallos vegetales.
2. Disueltas o solubles: Disociadas en sus iones libres, regulan la actividad enzimática, mantienen el equilibrio osmótico celular, generan gradientes de membrana y potenciales de acción, y estabilizan el pH de los fluidos.
3. Asociadas: Unidas a biomoléculas orgánicas específicas, como el hierro en la hemoglobina, el magnesio en la clorofila o los grupos fosfato en fosfolípidos y nucleótidos.

Sistemas amortiguadores o tampón

Las actividades catalíticas son hipersensibles a las oscilaciones del pH. Los seres vivos cuentan con disoluciones amortiguadoras (tampones o buffers) que neutralizan adiciones de ácidos o bases sin apenas alterar el pH fisiológico.

El tampón bicarbonato es el amortiguador principal en el medio extracelular (sangre y linfa de vertebrados). Su equilibrio se describe según:

Si se incorporan protones ($\text{H}^+$), el equilibrio se desplaza a la izquierda formando ácido carbónico, que se disocia en $\text{CO}_2$ y se elimina por la respiración. Si el medio se alcaliniza, el ácido carbónico se disocia reponiendo los protones consumidos.

Por su parte, el tampón fosfato actúa principalmente a nivel intracelular, amortiguando el pH del citoplasma celular:

5. Procesos osmóticos y comportamiento celular

El comportamiento morfofuncional de las células varía drásticamente según la tonicidad del medio externo y la presencia de pared celular: