Biología EBAU La Rioja: apuntes de los 12 temas con tests

Tema 1: Bioelementos, agua, sales minerales, pH y ósmosis

1. La materia viva: bioelementos y principios inmediatos

La materia biológica se compone de elementos químicos universales organizados en distintos niveles de complejidad. Aquellos elementos que integran a los seres vivos reciben el nombre de bioelementos o elementos biogénicos. Según su abundancia cuantitativa en la masa celular, se clasifican en tres categorías bien definidas:

Los bioelementos se ensamblan mediante fuerzas químicas para dar origen a los principios inmediatos o biomoléculas, separables mediante métodos físicos sin alterar su constitución: pueden ser inorgánicos (agua y sales minerales) u orgánicos (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos).

2. El agua: estructura dipolar y propiedades biológicas

El agua ($\text{H}_2\text{O}$) es la biomolécula más abundante en los organismos, representando de media entre un 65 % y un 75 % de su masa corporal total. Sus peculiares propiedades fisicoquímicas son consecuencia directa de su configuración geométrica y de la distribución espacial de sus cargas.

Cada molécula está constituida por un átomo de oxígeno unido covalentemente a dos de hidrógeno con un ángulo de enlace de $104{,}5^\circ$. Puesto que el oxígeno exhibe una electronegatividad netamente mayor que el hidrógeno, los electrones compartidos se desplazan hacia el núcleo de oxígeno, generando una densidad de carga parcial negativa ($\delta^-$) sobre este y densidades de carga parcial positiva ($\delta^+$) sobre los hidrógenos. Aunque la molécula es eléctricamente neutra, presenta un dipolo permanente, lo que posibilita la formación de enlaces de hidrógeno (puentes de hidrógeno) entre moléculas adyacentes: el extremo electronegativo de una atrae al extremo electropositivo de otra, estableciendo redes tridimensionales dinámicas.

3. Sales minerales y regulación del pH celular

Las sales minerales en el medio biológico se presentan en dos estados fundamentales:

• Precipitadas o insolubles: forman agregados sólidos con función de sostén esquelético o blindaje mecánico: carbonato cálcico ($\text{CaCO}_3$) en conchas de moluscos y caparazones, fosfatos cálcicos ($\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2$) integrados en la matriz ósea, y silicatos en la pared de gramíneas o diatomeas.
• Disueltas o solubles: disociadas en sus iones constitutivos (cationes como $\text{Na}^+, \text{K}^+, \text{Ca}^{2+}, \text{Mg}^{2+}$ y aniones como $\text{Cl}^-, \text{HCO}_3^-, \text{HPO}_4^{2-}$). Participan activamente en la osmorregulación, la permeabilidad de membranas y la transmisión eléctrica neuromuscular.

Sistemas amortiguadores o tampones fisiológicos

Para evitar fluctuaciones bruscas de pH que desencadenarían la desnaturalización de proteínas enzimáticas, los organismos disponen de soluciones tampón constituidas por un ácido débil y su base conjugada (o viceversa), capaces de aceptar o ceder protones según convenga:

1. Tampón bicarbonato (dominante extracelular): amortigua el plasma sanguíneo y líquidos intersticiales operando según el equilibrio químico:
   $$\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{HCO}_3^- + \text{H}^+$$
   Si el medio sufre acidificación (aumento de $[\text{H}^+]$), la reacción se desplaza hacia la izquierda consumiendo protones y liberando $\text{CO}_2$ volátil vía pulmonar; ante alcalinización (disminución de $[\text{H}^+]$), el ácido carbónico se disocia reponiendo protones en el suero.
2. Tampón fosfato (dominante intracelular): mantiene el pH citosólico próximo a 7,2 mediante el par dihidrogenofosfato / monohidrogenofosfato:
   $$\text{H}_2\text{PO}_4^- + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HPO}_4^{2-} + \text{H}_3\text{O}^+$$
   El anión $\text{H}_2\text{PO}_4^-$ actúa como donador de protones ante aumentos de basicidad, mientras que $\text{HPO}_4^{2-}$ retira protones libres cuando el citosol se acidifica.

4. Dispersiones biológicas: coloides, diálisis y ósmosis

Los fluidos biológicos son dispersiones donde el agua actúa como fase dispersante. En función del diámetro de las partículas dispersas, se distinguen las disoluciones verdaderas (diámetro inferior a 1 nm, solutos de baja masa molecular) y las dispersiones coloidales (partículas macromoleculares entre 1 y 100 nm, como albúmina o glucógeno).

Los coloides pueden alternar entre dos estados de agregación: sol (fluido, viscosidad baja) y gel (red semisólida entrecruzada rica en agua, como el citosol en reposo). Esta transición reversible se conoce como tixotropía. Además, las partículas coloidales exhiben dispersión luminosa lateral (efecto Tyndall) y trayectoria en zigzag continuo debido al choque molecular con el disolvente (movimiento browniano).

5. Comportamiento osmótico en células animales y vegetales

La membrana plasmática se comporta como una barrera semipermeable. La respuesta celular al flujo osmótico de agua depende radicalmente de la presencia o ausencia de una pared celular rígida:

Ideas clave

• Los bioelementos primarios (C, H, O, N, P, S) suponen más del 96 % del peso celular y establecen enlaces covalentes estables para estructurar las biomoléculas.
• El carácter dipolar del agua y su capacidad para establecer enlaces de hidrógeno determinan su alto calor específico, su incompresibilidad y su eficacia disolvente.
• Las sales disueltas intervienen en el potencial de membrana y la regulación del pH mediante tampones homeostáticos: bicarbonato extracelular y fosfato intracelular.
• La diálisis separa solutos micromoleculares de coloides macromoleculares mediante membranas semipermeables, a diferencia de la ósmosis, que es el flujo neto exclusivo de disolvente.
• Frente a medios hipotónicos, la pared celular vegetal resiste el aumento de presión en estado de turgencia, mientras que la célula animal carece de refuerzo y sufre hemólisis o lisis.

Pon a prueba lo aprendido

1. ¿Qué bioelemento forma parte del grupo hemo de la hemoglobina y se clasifica como oligoelemento? — Hierro
2. ¿A qué propiedad del agua se debe que el hielo flote sobre lagos congelados protegiendo el ecosistema sumergido? — Menor densidad en estado sólido
3. ¿Qué componente sanguíneo neutraliza de inmediato un incremento patológico de protones H+ en el plasma? — Anión bicarbonato
4. ¿Qué sufre una célula vegetal inmersa en una disolución salina altamente concentrada (hipertónica)? — Plasmólisis

Tema 2: Glúcidos: monosacáridos, enlace glucosídico y polisacáridos

Los glúcidos son biomoléculas orgánicas compuestas primordialmente por carbono, hidrógeno y oxígeno en una proporción aproximada que responde a la fórmula estequiométrica $​\mathrm{C}_n\mathrm{H}_{2n}\mathrm{O}_n$ (razón por la que históricamente se los denominó hidratos de carbono). Ciertos derivados incorporan además nitrógeno, azufre o fósforo (bioelementos analizados en «Tema 1: Bioelementos, agua, sales minerales, pH y ósmosis»). Desde una perspectiva fisicoquímica, se definen como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas, o bien polímeros que generan dichos compuestos mediante escisión hidrolítica.

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Tema 3: Lípidos: ácidos grasos, grasas, fosfolípidos y esteroides

Los lípidos constituyen un conjunto biológico heterogéneo integrado por carbono, hidrógeno y oxígeno, conteniendo con frecuencia fósforo, nitrógeno y azufre. Comparten dos rasgos físico-químicos definitorios: son insolubles o escasamente solubles en disolventes polares acuosos y sumamente solubles en disolventes orgánicos apolares (como benceno, éter o cloroformo), además de resultar untuosos al tacto. Desempeñan papeles biológicos esenciales en el almacenamiento energético, el soporte arquitectónico de las membranas celulares y la comunicación bioquímica e intercelular.

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