Apuntes Biología EBAU Castilla y León: 12 temas y tests

Tema 1: Base química de la vida — Bioelementos, agua y sales minerales

La materia viva está constituida a partir de los mismos elementos químicos que componen el resto del universo material; sin embargo, su organización e interacciones fisicoquímicas originan las características exclusivas de los sistemas biológicos. El estudio bioquímico comienza distinguiendo los elementos químicos constituyentes (bioelementos) y las moléculas formadas por su unión (biomoléculas o principios inmediatos, tanto inorgánicas como orgánicas).

1. Los bioelementos

Los bioelementos son los elementos químicos que forman parte de los seres vivos. De los más de cien elementos de la tabla periódica, algo más de setenta intervienen en la constitución de los organismos vivientes. Atendiendo a su abundancia ponderal en la biomasa, se clasifican en tres categorías bien diferenciadas:

2. El agua y su comportamiento fisicoquímico

El agua ($\text{H}_2\text{O}$) es la biomolécula inorgánica más abundante en los organismos, representando cuantitativamente entre el 65 % y más del 90 % del peso corporal según el tejido y la especie.

Estructura dipolar y puentes de hidrógeno

En cada molécula de agua, un átomo central de oxígeno se enlaza covalentemente con dos átomos de hidrógeno conformando un ángulo de $104{,}5^\circ$. Puesto que el oxígeno es notablemente más electronegativo que el hidrógeno, atrae con más intensidad los electrones compartidos en el enlace.

Esta asimetría genera una densidad de carga negativa ($\boldsymbol{\delta^-}$) sobre el oxígeno y dos densidades de carga positiva ($\boldsymbol{\delta^+}${$\delta$^+}) sobre los hidrógenos. Aunque la molécula es eléctricamente neutra a nivel global, dicha distribución espacial origina un dipolo eléctrico permanente.

A consecuencia de este carácter dipolar, surgen fuerzas atractivas intermoleculares de carácter electrostático conocidas como puentes de hidrógeno (o enlaces de hidrógeno). Cada molécula de agua puede interaccionar de forma transitoria con hasta cuatro moléculas adyacentes, conformando una red reticular dinámica extraordinariamente cohesionada en fase líquida.

Propiedades fisicoquímicas y correlación funcional biológica

3. Sales minerales y mantenimiento del equilibrio homeostático

Las sales minerales son biomoléculas inorgánicas indispensables que se presentan en los seres vivos bajo dos modalidades físicas:

• Sales precipitadas (insolubles): Forman estructuras minerales consolidadas de sostén esquelético o protección mecánica. Destacan el carbonato cálcico ($\text{CaCO}_3$, constituyente de caparazones de moluscos y exoesqueletos), los fosfatos cálcicos ($\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2$, base de la matriz ósea y piezas dentales) y los silicatos (espículas de esponjas y cubiertas de diatomeas).
• Sales disueltas (solubles): Se hallan totalmente disociadas en sus cationes ($\text{Na}^+$, $\text{K}^+$, $\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$) y aniones ($\text{Cl}^-$, $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{HCO}_3^-$, $\text{HPO}_4^{2-}$). Son responsables de generar gradientes electroquímicos para la transmisión del impulso nervioso, modular la contracción muscular, estabilizar dispersiones coloidales e intervenir en la regulación osmótica y del pH.

Sistemas amortiguadores o tampones del pH

El metabolismo genera continuamente metabolitos de naturaleza ácida o básica que alterarían el pH celular y desnaturalizarían las enzimas. Para evitarlo, los fluidos biológicos cuentan con disoluciones tampón o buffers, compuestas por pares conjugados ácido débil/base débil que ceden o capturan protones ($\text{H}^+$) según se desvíe el medio.

4. Dispersiones coloidales y fenómenos osmóticos

El citoplasma celular responde al modelo físico de una dispersión coloidal, donde macromoléculas como proteínas o polisacáridos (fase dispersa) se encuentran suspendidas en el agua (fase dispersante). Estas dispersiones pueden alternar entre el estado líquido de sol y el estado semisólido de gel, exhibiendo fenómenos como el movimiento browniano y el efecto Tyndall.

Presión osmótica y tonicidad celular

La ósmosis es el paso espontáneo de disolvente (agua) a través de una membrana semipermeable desde la disolución más diluida (hipotónica) hacia la más concentrada (hipertónica), hasta igualar las concentraciones a ambos lados. La fuerza requerida para detener ese flujo neto se denomina presión osmótica.

El comportamiento de las células depende de la osmolaridad del medio extracelular respecto a su medio citoplasmático interno y de la presencia o ausencia de pared celular rígida:

Ideas clave

• Los bioelementos primarios (C, H, O, N, P, S) suponen el 98-99 % de la masa celular gracias a su aptitud para conformar enlaces covalentes estables.
• El agua es un dipolo permanente con cargas parciales asimétricas, lo que posibilita una densa red de puentes de hidrógeno intermoleculares.
• Las funciones biológicas del agua (disolvente, termorregulador y soporte mecánico) se fundamentan directamente en sus anómalas propiedades térmicas y de cohesión.
• Los sistemas amortiguadores de bicarbonato (medio extracelular) y fosfato (medio intracelular) estabilizan el pH ante agresiones ácidas o básicas.
• En soluciones hipotónicas, las células vegetales experimentan turgencia protegidas por su pared, mientras que las células animales sufren hemólisis o lisis celular.

Pon a prueba lo aprendido

1. ¿Qué propiedad del agua es la responsable directa de su comportamiento como amortiguador térmico? — Elevado calor específico
2. ¿Qué fenómeno experimenta un eritrocito introducido en una solución salina fuertemente hipotónica? — Hemólisis por entrada neta de agua
3. ¿Cuál es la función biológica principal de las sales minerales precipitadas? — Sostén y protección esquelética
4. ¿Cuál de los siguientes bioelementos se clasifica inequívocamente como oligoelemento? — Hierro

Tema 2: Biomoléculas — Glúcidos

Los glúcidos, conocidos tradicionalmente como carbohidratos o hidratos de carbono, constituyen aproximadamente el 90 % de la materia orgánica viva en peso seco en el reino vegetal y son indispensables en todos los seres vivos. Están integrados por carbono, hidrógeno y oxígeno en una proporción general $\text{C}_n\text{H}_{2n}\text{O}_n$, aunque algunos contienen además nitrógeno, fósforo o azufre (como se ha visto en «Tema 1: Base química de la vida — Bioelementos, agua y sales minerales»). Desde el punto de vista funcional y químico, se definen como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas.

1. Clasificación general de los glúcidos

La clasificación estructural organiza a los glúcidos en dos amplios conjuntos:

• Osas o monosacáridos: monómeros elementales que no pueden escindirse por hidrólisis en unidades glucídicas más sencillas.
• Ósidos: combinaciones moleculares formadas por la unión de dos o más monosacáridos mediante enlace glucosídico. Se dividen en:
  • Holósidos: compuestos íntegramente por osas. Se subdividen en oligosacáridos (de 2 a 10 monosacáridos, destacando los disacáridos) y polisacáridos (cadenas de más de 10 unidades, ya sean homopolisacáridos de un solo tipo de monómero o heteropolisacáridos de varios tipos).
  • Heterósidos: moléculas mixtas resultantes de la asociación covalente de una porción glucídica con una fracción no glucídica denominada aglucón (como lípidos o proteínas).

2. Monosacáridos: estructura y propiedades

Son sustancias sólidas, cristalinas, incoloras o blancas, solubles en agua gracias a la formación de puentes de hidrógeno con sus grupos hidroxilo ($-\text{OH}$), con sabor dulce y con marcado carácter reductor debido a la presencia del carbonilo libre ($-\text{CHO}$ o $-\text{CO}-$).

Se clasifican según el número de átomos de carbono en triosas (3C), tetrosas (4C), pentosas (5C), hexosas (6C) y heptosas (7C); y según el grupo carbonilo presente en aldosas (carbonilo aldehído terminal en C1) o cetosas (carbonilo cetona en C2 u otro carbono secundario).

Isomería en monosacáridos

La presencia de uno o varios carbonos asimétricos o quirales (átomos de carbono unidos a cuatro sustituyentes distintos) genera isomería espacial o estereoisomería:

• Enantiómeros (formas D y L): imágenes especulares no superponibles en las que varía la orientación espacial de todos los centros quirales. Por convención, se asigna la forma D cuando el grupo hidroxilo del carbono asimétrico más alejado del grupo carbonilo se orienta hacia la derecha en la proyección lineal de Fischer, y forma L si se sitúa a la izquierda.
• Epímeros: diastereoisómeros que difieren en la configuración espacial de un único carbono asimétrico (por ejemplo, la D-glucosa y la D-galactosa son epímeros en el C4).
• Actividad óptica: propiedad física por la cual las disoluciones de monosacáridos desvían el plano de la luz polarizada hacia la derecha (isómeros dextrógiros o $+$) o hacia la izquierda (isómeros levógiros o $-$). La actividad óptica es independiente de la nomenclatura D o L.

El anillo de cinco vértices recibe el nombre de furanosa (análogo al furano), característico de la D-fructosa cíclica, mientras que el anillo de seis vértices se denomina piranosa (análogo al pirano), propio de la D-glucosa y la D-galactosa.

Principales monosacáridos y derivados de interés biológico

Entre los derivados destacan los desoxiazúcares (como la desoxirribosa del ADN), los azúcares ácidos (ácido glucurónico), los aminoazúcares (glucosamina y N-acetilglucosamina) y los ésteres fosfóricos activados metabólicamente.

3. Enlace O-glucosídico y disacáridos

El enlace O-glucosídico es el enlace covalente característico de los ósidos. Se forma mediante una reacción de condensación entre el grupo hidroxilo del carbono anomérico de un monosacárido y un grupo hidroxilo de otro monosacárido, desprendiéndose una molécula de $\text{H}_2\text{O}$.

• Enlace monocarbonílico: compromete el $-\text{OH}$ anomérico de la primera osa y un $-\text{OH}$ no anomérico (por lo común C4 o C6) de la segunda. El segundo monosacárido conserva su carbono anomérico libre, por lo que el disacárido resultante mantiene poder reductor.
• Enlace dicarbonílico: condensa los hidroxilos anoméricos de ambas osas a la vez. Al bloquearse ambos carbonos funcionales, la molécula carece de poder reductor.

Disacáridos de mayor relevancia biológica

4. Polisacáridos

Son macromoléculas poliméricas de elevado peso molecular formadas por la unión de numerosos monosacáridos. No poseen sabor dulce, no cristalizan, no presentan capacidad reductora y no disuelven en agua de manera molecular, formando dispersiones coloidales o agregados insolubles.

Homopolisacáridos de reserva energética

Almacenan miles de residuos de glucosa sin generar un incremento insostenible de la presión osmótica intracelular. Están unidos mediante enlaces de conformación alfa, los cuales inducen curvaturas espaciales flexibles idóneas para el empaquetamiento y la rápida movilización enzimática:

• Almidón: reserva hidrocarbonada propia de las células vegetales, acumulada en amiloplastos de tubérculos, raíces y semillas. Se compone de dos fracciones poliméricas:
  • Amilosa: cadenas lineales enrolladas en hélice formadas exclusivamente por glucosas unidas por enlaces α(1→4).
  • Amilopectina: estructura polimérica ramificada; posee cadenas axiales con enlaces α(1→4) y ramificaciones laterales mediante enlaces α(1→6) cada 15 a 30 residuos. Su degradación requiere amilasas y enzimas desramificadoras específicas.
• Glucógeno: reserva energética de animales y hongos, concentrada preferentemente en el hígado y en las fibras musculares esqueléticas. Presenta una arquitectura semejante a la amilopectina con enlaces α(1→4) en el esqueleto, pero con una ramificación mucho más densa mediante enlaces α(1→6) cada 8 a 12 residuos de glucosa, optimizando la hidrólisis simultánea desde múltiples extremos no reductores.
• Dextranos: polímeros bacterianos ramificados con enlaces principales α(1→6) y ramas α(1→2), α(1→3) o α(1→4).

Homopolisacáridos estructurales

Poseen enlaces con configuración geométrica beta, que confieren cadenas rígidas y rectilíneas unidas entre sí por multitud de enlaces de hidrógeno, generando estructuras mecánicas de gran resistencia física y química:

• Celulosa: polímero lineal no ramificado constituido por monómeros de β-D-glucosa unidos por enlaces β(1→4). Cada residuo gira 180° respecto al contiguo, favoreciendo extensas redes de puentes de hidrógeno intracatenarios e intercatenarios. Las cadenas individuales se agrupan en micelas, estas en microfibrillas y sucesivamente en fibras de celulosa que otorgan rigidez a la pared celular vegetal. La celulasa es la enzima hidrolítica capaz de romper este enlace.
• Quitina: homopolímero lineal de N-acetil-β-D-glucosamina enlazado por uniones β(1→4). Es el constituyente fundamental del exoesqueleto de artrópodos y de las paredes celulares en hongos.

Heteropolisacáridos y heterósidos

Los heteropolisacáridos combinan dos o más tipos de monosacáridos o derivados:

• Agar-agar: polímero de D y L-galactosa obtenido de algas rojas, utilizado en microbiología e industria.
• Gomas vegetales: combinaciones de arabinosa, galactosa y ácido glucurónico con función protectora y cicatrizante.
• Glicosaminoglicanos (GAG): cadenas de aminoazúcares y ácidos urónicos. Incluyen el ácido hialurónico (lubricante e hidratante en matriz extracelular), el condroitín sulfato (soporte en cartílago, tendones y vasos) y la heparina (anticoagulante endógeno).

Los heterósidos combinan glúcidos con otras fracciones: glicolípidos (como cerebrósidos y gangliósidos neuronales; véase «Tema 2: Biomoléculas — Lípidos») y glicoproteínas (inmunoglobulinas, factores de coagulación como protrombina y receptores de membrana plasmática; véase «Tema 3: Proteínas y enzimas — Aminoácidos y estructura proteica»). También destacan los principios activos de plantas medicinales con aglicones fenólicos o esteroideos (heterósidos cardiotónicos, cianogenéticos, antraquinónicos y tanósidos).

Ideas clave

• Los monosacáridos son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas reductores con quiralidad que originan enantiómeros y epímeros.
• La ciclación hemiacetálica/hemicetálica genera el carbono anomérico con conformaciones $\alpha$ o $\beta$.
• El enlace O-glucosídico monocarbonílico preserva el carácter reductor, mientras que el dicarbonílico lo elimina totalmente.
• Los enlaces $\alpha(1\rightarrow 4)$ y $\alpha(1\rightarrow 6)$ forman polímeros de reserva energética ramificados (almidón y glucógeno).
• Los enlaces $\beta(1\rightarrow 4)$ originan polímeros rígidos lineales que forman microfibrillas resistentes mediante puentes de hidrógeno (celulosa y quitina).

Pon a prueba lo aprendido

1. ¿Qué par de monosacáridos representan epímeros entre sí? — D-glucosa y D-galactosa
2. ¿En qué carbono radica el carbono anomérico de una cetohexosa ciclizada? — Carbono 2
3. ¿Cuál es la composición monomérica de la quitina? — N-acetil-β-D-glucosamina
4. ¿Qué tipo de enlace O-glucosídico genera los puntos de ramificación en el glucógeno? — α(1→6)

Tema 2: Biomoléculas — Lípidos

Los lípidos constituyen un grupo heterogéneo de biomoléculas orgánicas compuestas primordialmente por carbono, hidrógeno y oxígeno —pudiendo incorporar nitrógeno, fósforo y azufre, como se introdujo al clasificar los bioelementos en el «Tema 1: Base química de la vida — Bioelementos, agua y sales minerales»—. Comparten dos propiedades físicas definitorias: son insolubles o escasamente solubles en disolventes polares acuosos y solubles en disolventes orgánicos no polares (como éter, cloroformo o benceno), además de poseer una textura untuosa al tacto.

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