Apuntes de Biología: bases moleculares, citología, genética e inmunología

Tema 1: Bioelementos, agua y sales minerales

1. La materia viva: bioelementos y principios inmediatos

Todos los organismos vivos comparten una composición química fundamentada en una serie restringida de elementos de la tabla periódica, denominados bioelementos o elementos biogénicos. La combinación de estos átomos mediante enlaces químicos genera las biomoléculas o principios inmediatos, las cuales pueden aislarse de los tejidos vivos mediante procedimientos físicos que no alteran su estructura molecular (como centrifugaciones, diálisis o filtraciones).

Atendiendo a su proporción en peso seco y su papel funcional, establecemos tres grandes categorías:

• Bioelementos primarios: Constituyen aproximadamente el 96 % al 99 % de la masa de cualquier ser vivo. Incluyen el carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S). Son indispensables para edificar la materia orgánica porque poseen masas atómicas bajas y la capacidad de establecer enlaces covalentes muy estables, tanto simples como dobles o triples. El carbono, gracias a su configuración tetravalente, forma cadenas carbonadas ramificadas, cíclicas y estables que constituyen el armazón estructural de todas las biomoléculas orgánicas.
• Bioelementos secundarios: Suponen entre el 1 % y el 4 % de la masa orgánica total. En este grupo destacan el sodio ($\text{Na}^+$), potasio ($\text{K}^+$), calcio ($\text{Ca}^{2+}$), magnesio ($\text{Mg}^{2+}$) y cloro ($\text{Cl}^-$). Generalmente se presentan en forma iónica disuelta y desempeñan funciones fisiológicas indispensables: el mantenimiento de gradientes electroquímicos, la transmisión del impulso nervioso, la contracción muscular y la regulación del equilibrio osmótico.
• Oligoelementos (o elementos traza): Se hallan en proporciones inferiores al 0,1 %, pero resultan rigurosamente indispensables para la viabilidad celular. Entre ellos se encuentran el hierro (Fe), cobre (Cu), cinc (Zn), manganeso (Mn) o yodo (I). Suelen integrarse como centros catalíticos en enzimas o actuar como grupos prostéticos en moléculas transportadoras de oxígeno, como la hemoglobina. Un déficit de estos elementos compromete rutas metabólicas completas, mientras que un exceso suele provocar toxicidad celular severa.

Las combinaciones estables de estos bioelementos generan los principios inmediatos, que se dividen clásicamente en:

• Inorgánicos: Presentes tanto en la materia viva como en la inerte (agua y sales minerales).
• Orgánicos: Sintetizados de forma exclusiva por el metabolismo celular (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos).

2. El agua: estructura molecular y propiedades fisicoquímicas

El agua ($\text{H}_2\text{O}$) es el compuesto químico más abundante en la biosfera y el medio universal donde tienen lugar los procesos vitales. Sus propiedades excepcionales radican directamente en su geometría espacial y en la distribución asimétrica de sus cargas eléctricas.

Estructura dipolar y enlaces de hidrógeno

En una molécula de agua, un átomo central de oxígeno se une covalentemente a dos átomos de hidrógeno. Los pares de electrones no enlazantes del oxígeno orientan los enlaces $\text{O}-\text{H}$ formando un ángulo característico de $104{,}5^\circ$. Dado que el oxígeno es mucho más electronegativo que el hidrógeno, los electrones compartidos pasan más tiempo cerca del núcleo de oxígeno. Esto crea una separación espacial de cargas:

• Se genera una densidad de carga negativa ($\boldsymbol{\delta}^-$) sobre el átomo de oxígeno.
• Se generan dos densidades de carga positiva ($\boldsymbol{\delta}^+$) sobre los átomos de hidrógeno.

Aunque la molécula posee neutralidad eléctrica global (carga neta igual a cero), la asimetría geométrica de estas cargas genera un momento dipolar permanente. Debido a este comportamiento dipolar, las moléculas de agua adyacentes interaccionan mediante atracciones electrostáticas: el extremo negativo de una atrae al extremo positivo de otra. Esta unión intermolecular se denomina puente de hidrógeno.

Relación entre propiedades físico-químicas y funciones biológicas

Cada una de las características biológicas del agua se deduce rigurosamente de su estructura intermolecular:

3. Sales minerales y mantenimiento del equilibrio homeostático

Las sales minerales se encuentran en la materia viva en dos estados fundamentales, con misiones fisiológicas muy diferenciadas:

A. Sales minerales precipitadas (insolubles)

Aparecen en estado sólido cristalino, asociadas a matrices orgánicas. Su cometido primordial es puramente mecánico, de sostén esquelético y protección física de órganos vulnerables. Los ejemplos más notables son:

• Carbonato cálcico ($\text{CaCO}_3$): Forma los caparazones de moluscos, corales y espículas de esponjas.
• Fosfato cálcico ($\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2$): Forma la fracción mineral rígida de los huesos y dientes en vertebrados.
• Dióxido de silicio o sílice ($\text{SiO}_2$): Constituye la estructura de soporte de las diatomeas y refuerza las paredes epidérmicas de plantas como los equisetos y gramíneas.

B. Sales minerales disueltas (solubles)

Al disolverse en agua, las sales se disocian totalmente en sus iones constitutivos: cationes ($\text{Na}^+, \text{K}^+, \text{Ca}^{2+}, \text{Mg}^{2+}$) y aniones ($\text{Cl}^-, \text{HCO}_3^-, \text{HPO}_4^{2-}, \text{SO}_4^{2-}$). En disolución cumplen funciones dinámicas esenciales:

1. Mantenimiento de la presión osmótica: Determinan la tonicidad de los medios celulares y previenen deformaciones osmóticas (fenómenos analizados en detalle en «Tema 7: Membrana plasmática: estructura, transporte y ósmosis»).
2. Generación de potenciales eléctricos: Las asimetrías de concentración de $\text{Na}^+$ y $\text{K}^+$ a ambos lados de la membrana plasmática sustentan la excitabilidad celular y la conducción nerviosa.
3. Activación y regulación enzimática: Cationes como el $\text{Mg}^{2+}$ o el $\text{Ca}^{2+}$ actúan como cofactores necesarios para la funcionalidad de numerosas enzimas metabólicas. El $\text{Ca}^{2+}$ interviene además de modo decisivo en el acoplamiento de la contracción muscular y la cascada de coagulación sanguínea.
4. Estabilización de dispersiones coloidales: Favorecen la dispersión homogénea de grandes macromoléculas impidiendo su precipitación indeseada.

4. Sistemas amortiguadores del pH (disoluciones tampón)

El pH de los fluidos biológicos debe mantenerse dentro de intervalos muy estrechos (en el plasma humano, en torno a 7,35 - 7,45). Desviaciones mínimas provocan la desnaturalización de las proteínas y la pérdida de actividad enzimática. Para contrarrestar estas variaciones, los organismos recurren a disoluciones amortiguadoras o buffers, sistemas químicos integrados por un ácido débil y su base conjugada que aceptan o ceden protones en función de las alteraciones del medio.

Tampón bicarbonato (medio extracelular)

Es el amortiguador principal del plasma sanguíneo y de los líquidos intersticiales. Se basa en el equilibrio reversible entre el dióxido de carbono disuelto, el ácido carbónico y el anión bicarbonato:

• Si el medio se acidifica (aumento de $[\text{H}^+]$), el exceso de protones se combina con el $\text{HCO}_3^-$ para formar $\text{H}_2\text{CO}_3$, el cual se disocia en $\text{CO}_2$ y agua, siendo el gas expulsado mediante ventilación pulmonar.
• Si el medio se alcaliniza (descenso de $[\text{H}^+]$), el $\text{H}_2\text{CO}_3$ se disocia rápidamente aportando protones libres para neutralizar la base, reponiéndose dicho ácido a partir de la hidratación del $\text{CO}_2$ tisular.

Tampón fosfato (medio intracelular)

Funciona predominantemente en el citosol y el interior de los orgánulos, donde la concentración de fósforo inorgánico es elevada. Su equilibrio químico se rige por el par dihidrogenofosfato / monohidrogenofosfato:

El ion dihidrogenofosfato ($\text{H}_2\text{PO}_4^-$) se comporta como ácido débil cediendo protones ante una elevación del pH, mientras que el anión monohidrogenofosfato ($\text{HPO}_4^{2-}$) actúa como base débil captando los protones sobrantes en condiciones de acidificación.

5. Comportamiento coloidal de la materia celular

El citoplasma celular no es una disolución molecular simple, sino una dispersión coloidal en la que el agua actúa como fase dispersante y las macromoléculas (proteínas, polisacáridos y ácidos nucleicos) constituyen la fase dispersa. Estas dispersiones presentan particularidades físicas diagnósticas:

• Efecto Tyndall: Turbidez o dispersión observable de la luz al atravesar el coloide debido al tamaño relativo de las partículas dispersas (entre 1 nm y 100 nm).
• Movimiento browniano: Trayectoria caótica y constante que describen las partículas coloidales por colisión permanente con las moléculas de la fase acuosa.
• Estados de sol y gel: El citoplasma puede alternar de un estado fluido (sol) a un estado semisólido gelatinoso (gel) y viceversa (tixotropía). La transición sol-gel depende de la temperatura, el pH y la interacción del citoesqueleto, resultando vital para procesos como la fagocitosis o la emisión de pseudópodos.

El agua como disolvente: sustancias hidrófilas, hidrófobas y anfipáticas

El agua disuelve más sustancias que ningún otro líquido común porque sus moléculas son polares: como se ha visto en «Tema 1: Bioelementos, agua y sales minerales», forman un dipolo y establecen puentes de hidrógeno. Que una sustancia se disuelva o no depende de si puede interaccionar con esos dipolos. La regla práctica es lo semejante disuelve a lo semejante: lo polar se mezcla con lo polar y lo apolar con lo apolar.

Clasificación de las sustancias según su afinidad por el agua

Comportamiento de las moléculas anfipáticas

En agua, estas moléculas se organizan solas: las cabezas polares quedan en contacto con el agua y las colas apolares se esconden en el interior, lejos de ella. Según la forma de la molécula se originan dos estructuras:

• Micelas: esferas con las colas hacia el centro y las cabezas hacia fuera. Las forman los jabones, que tienen una sola cola. La grasa queda atrapada en el núcleo apolar de la micela y el agua puede arrastrarla; así limpia el jabón.
• Bicapas: dos capas enfrentadas por las colas. Las forman los fosfolípidos, cuyas dos colas les dan una forma más cilíndrica. Las bicapas son la base de las membranas celulares (véase «Tema 7: Membrana plasmática: estructura, transporte y ósmosis»). Si una bicapa se cierra sobre sí misma, forma una vesícula llamada liposoma.

El carácter anfipático de cada lípido se detalla en «Tema 3: Lípidos».

Interacciones intermoleculares débiles

Son atracciones mucho más débiles que un enlace covalente. Una sola se rompe con facilidad, pero muchas juntas estabilizan la estructura de proteínas y ácidos nucleicos y mantienen unidas las membranas.

Ideas clave

• Los bioelementos primarios (C, H, O, N, P, S) constituyen más del 96 % de la materia viva y establecen enlaces covalentes estables centrados en la tetravalencia del carbono.
• El agua es una molécula dipolar neutra que forma una red tridimensional dinámica de puentes de hidrógeno, responsable de su elevado calor específico y de vaporización.
• La elevada constante dieléctrica y cohesión intermolecular del agua fundamentan sus funciones como disolvente universal, medio de transporte y agente de turgencia estructural.
• Las sales minerales precipitadas desempeñan papeles esqueléticos y protectores, mientras que las solubles regulan la presión osmótica, la conducción nerviosa y el equilibrio ácido-base.
• El pH biológico se mantiene estable gracias a disoluciones amortiguadoras: el tampón bicarbonato actúa en el fluido extracelular y el tampón fosfato opera en el medio intracelular.
• Lo semejante disuelve a lo semejante: las sustancias polares e iónicas se disuelven en agua y las apolares no.
• Las sustancias hidrófilas se disuelven por solvatación de sus iones (NaCl) o formando puentes de hidrógeno con el agua (glucosa, aminoácidos).

Pon a prueba lo aprendido

1. ¿Qué propiedad permite que la evaporación del sudor enfríe eficazmente el organismo humano? — Elevado calor de vaporización
2. ¿Cuál es la función del tampón fosfato en los seres vivos? — Estabilizar el pH citosólico intracelular
3. ¿Qué consecuencia biológica directa se debe a la densidad anómala del agua? — La supervivencia acuática bajo el hielo
4. ¿Por qué el carbono es el bioelemento estructural idóneo de las biomoléculas? — Forma enlaces covalentes estables tetraédricos
5. ¿Cómo se disuelve el NaCl en agua? — Por solvatación de sus iones
6. ¿Cuál de estas sustancias es hidrófoba? — Colesterol

Tema 2: Glúcidos

Los glúcidos (también denominados carbohidratos o hidratos de carbono) son biomoléculas orgánicas formadas de manera constante por carbono, hidrógeno y oxígeno, cuya fórmula empírica habitual responde a $\text{C}_n(\text{H}_2\text{O})_n$. Ciertos derivados pueden incorporar además elementos como nitrógeno, fósforo o azufre. Cuantitativamente, suponen en torno al 90 % de la materia orgánica (peso seco) vegetal y desempeñan funciones primordiales en el aporte energético inmediato, el almacenamiento de combustible celular y la arquitectura mecánica de paredes y cubiertas.

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Tema 3: Lípidos

Concepto y clasificación de los lípidos

Los lípidos constituyen un conjunto extraordinariamente heterogéneo de biomoléculas orgánicas formadas por carbono, hidrógeno y oxígeno, a los que con frecuencia se incorporan fósforo, nitrógeno y azufre (elementos presentados en el contexto de los bioelementos primarios en «Tema 1: Bioelementos, agua y sales minerales»). A diferencia de los glúcidos o las proteínas, no responden a una pauta polimérica uniforme ni a un único grupo funcional, sino que se definen por sus propiedades físicas comunes: son prácticamente insolubles en disolventes polares como el agua, solubles en disolventes apolares u orgánicos (como éter, cloroformo, benceno o acetona) y presentan un tacto untuoso al tacto característico.

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