Apuntes de Biología EvAU Madrid: temario completo y tests

Tema 1: Base molecular y fisicoquímica de la vida — Bioelementos, agua, sales minerales, glúcidos y lípidos

1. Bioelementos y biomoléculas inorgánicas: agua y sales minerales

La materia viva está constituida por una selección precisa de elementos químicos denominados bioelementos. Los mayoritarios o primarios (C, H, O, N, P y S) representan alrededor del 96 % de la masa celular gracias a su idoneidad para constituir enlaces covalentes estables. Los bioelementos secundarios (como Na, K, Ca, Mg y Cl) y los oligoelementos (Fe, I, Cu, entre otros) intervienen en funciones fisiológicas y osmóticas cruciales pese a su menor abundancia.

El agua y sus propiedades fisicoquímicas

El agua ($\text{H}_2\text{O}$) es el disolvente biológico por excelencia. Su geometría angular y la notable diferencia de electronegatividad entre el oxígeno y el hidrógeno generan un momento dipolar permanente. Esta distribución de cargas parciales permite establecer enlaces intermoleculares esenciales:

La densa red de puentes de hidrógeno determina directamente las propiedades extraordinarias del agua:

• Elevado calor específico y calor de vaporización: amortigua los cambios bruscos de temperatura ambiental y permite refrigerar a los seres vivos mediante la evaporación del sudor o la transpiración.
• Alta cohesión y adhesión: originan capilaridad y tensión superficial elevada, imprescindibles para el transporte de savia en las plantas y el mantenimiento del volumen celular.
• Poder disolvente superior: es capaz de interponerse en redes cristalinas iónicas formando esferas de solvatación e interaccionar con compuestos polares polifuncionales.

Sales minerales y el fenómeno osmótico

Las sales minerales se encuentran precipitadas (formando estructuras esqueléticas como huesos o conchas de $\text{CaCO}_3$) o disueltas en forma de iones ($\text{Na}^+$, $\text{K}^+$, $\text{Ca}^{2+}$, $\text{Cl}^-$, $\text{HCO}_3^-$). Estos últimos regulan el pH mediante disoluciones amortiguadoras (tampones como el bicarbonato y el fosfato) y gobiernan la presión osmótica.

2. Glúcidos: estructura, enlace O-glucosídico y funciones

Los glúcidos o carbohidratos están constituidos primordialmente por carbono, hidrógeno y oxígeno en una proporción estequiométrica cercana a $(\text{CH}_2\text{O})_n$. Son químicamente polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas.

Monosacáridos y disacáridos

Los monómeros básicos son los monosacáridos, clasificados según su número de carbonos (triosas, pentosas como ribosa y desoxirribosa, hexosas como glucosa, galactosa y fructosa). En disolución acuosa, las hexosas se ciclan formando hemiacetales o hemicetales intramoleculares. El carbono carbonílico pasa a ser el carbono anomérico (generando las formas estereoisoméricas $\alpha$ y $\beta$).

Según participe el segundo carbono anomérico o no, el enlace será:

• Monocarbonílico: reacciona el carbono anomérico del primer azúcar con un carbono no anomérico del segundo (por ejemplo, maltosa [$\alpha(1\rightarrow 4)$] o lactosa [$\beta(1\rightarrow 4)$]). Conserva carácter reductor.
• Dicarbonílico: reaccionan ambos carbonos anoméricos (como en la sacarosa [$\alpha(1\rightarrow 2)\beta$]). Se pierde el poder reductor.

Polisacáridos principales

Los polisacáridos resultan de la polimerización de decenas o miles de monosacáridos. No poseen sabor dulce, carecen de poder reductor y no forman disoluciones verdaderas en agua.

3. Lípidos: clasificación, enlace éster y funciones moleculares

Los lípidos constituyen un grupo heterogéneo de biomoléculas orgánicas insolubles en disolventes polares acuosos pero solubles en solventes apolares (benceno, acetona, éter). La presencia o ausencia de ácidos grasos en su molécula define su clasificación operativa en saponificables e insaponificables.

Ácidos grasos: saturación e impacto en el punto de fusión

Los ácidos grasos son cadenas hidrocarbonadas alifáticas monocarboxílicas de número par de carbonos (habitualmente entre 12 y 24 carbonos). Su naturaleza química condiciona drásticamente su empaquetamiento molecular:

• Saturados: solo presentan enlaces simples carbono-carbono ($\text{C}-\text{C}$). Las cadenas son flexibles pero lineales, empaquetándose fuertemente mediante interacciones de Van der Waals. Poseen elevados puntos de fusión, por lo que son sólidos a temperatura ambiente (sebos, mantecas).
• Insaturados: poseen uno o más dobles enlaces ($\text{C}=\text{C}$), habitualmente en configuración cis. Esta configuración introduce un acodamiento rígido en la cadena que impide el empaquetamiento compacto. Presentan puntos de fusión muy bajos, manteniéndose líquidos (aceites).

Triacilgliceroles (grasas neutras)

Resultan de la esterificación de los tres grupos hidroxilo del glicerol (propanotriol) con tres ácidos grasos. Constituyen la principal reserva energética de almacenamiento continuo en el tejido adiposo animal. Frente al glucógeno, rinden más del doble de energía metabólica por gramo (alrededor de 9 kcal/g frente a 4 kcal/g) y ocupan sustancialmente menor masa al depositarse de forma completamente anhidra (sin agua de solvatación).

Lípidos de membrana: fosfolípidos y colesterol

Los glicerofosfolípidos y los esfingolípidos son moléculas con marcado carácter anfipático: poseen una cabeza polar hidrófila (grupo fosfato unido a un alcohol o aminoalcohol) y dos colas apolares hidrófobas (cadenas de ácidos grasos). En agua, experimentan un autoensamblaje espontáneo formando micelas, liposomas o bicapas lipídicas insolubles con autosellado automático.

El colesterol es un esterol derivado del ciclopentanoperhidrofenantreno con un grupo polar hidroxilo en el carbono 3 y una cadena hidrocarbonada lateral flexible apolar en el carbono 17. Se intercala entre los fosfolípidos de membrana desempeñando un papel amortiguador térmico de primer orden:

• A temperaturas elevadas, la rigidez de su sistema de cuatro anillos fusionados restringe la excesiva movilidad de las cadenas acilo, impidiendo que la membrana se vuelva demasiado fluida.
• A temperaturas bajas, evita el empaquetamiento regular y la cristalización de los fosfolípidos, manteniendo la fluidez funcional de la bicapa.
• Forma, junto con esfingolípidos y proteínas específicas, los microdominios ordenados conocidos como balsas lipídicas, que se describen en «Tema 2: Célula viva — Membrana plasmática, transporte y uniones celulares».

Ideas clave

• El agua es dipolar y forma redes de puentes de hidrógeno responsables de su alto calor específico y su gran capacidad como disolvente biológico.
• La ósmosis rige el intercambio acuoso celular: un entorno hipotónico provoca turgencia en células con pared vegetal y lisis osmótica en células animales.
• El enlace O-glucosídico condensa monosacáridos; los enlaces $\alpha$ favorecen la reserva energética (almidón y glucógeno), mientras que los enlaces $\beta$ aportan rigidez estructural (celulosa).
• Los triacilgliceroles almacenan energía de manera anhidra y concentrada, aportando más del doble de energía por gramo que los glúcidos.
• El colesterol regula la fluidez de las membranas celulares en animales evitando la hiperfluidez a altas temperaturas y la congelación a bajas temperaturas.

Pon a prueba lo aprendido

1. ¿Qué proceso experimenta una célula vegetal sumergida en una disolución hipertónica? — Plasmólisis con retracción del citoplasma
2. ¿Cuál de los siguientes glúcidos posee ramificaciones mediante enlaces O-glucosídicos alfa(1->6)? — Glucógeno
3. ¿Qué enlace químico se forma durante la síntesis de un triacilglicerol a partir de glicerol y ácidos grasos? — Enlace éster
4. ¿A qué grupo lipídico pertenece el colesterol según la clasificación química funcional? — Lípido insaponificable esteroideo

Tema 1: Base molecular y fisicoquímica de la vida — Monosacáridos, isomería, disacáridos y polisacáridos estructurales

Monosacáridos: propiedades y clasificación

Los monosacáridos u osas son los glúcidos más sencillos: no se pueden hidrolizar en otros menores. Químicamente son polialcoholes con un grupo carbonilo. Son sólidos blancos, cristalinos y de sabor dulce. Además tienen dos propiedades que se preguntan mucho:

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Tema 1: Base molecular y fisicoquímica de la vida — Tipos de lípidos: ceras, saponificación, lípidos complejos, esteroides y terpenos

Ácidos grasos: carácter anfipático

Un ácido graso tiene dos zonas con comportamientos opuestos frente al agua: el grupo carboxilo (–COOH), que es polar e hidrófilo, y la cadena hidrocarbonada, que es apolar e hidrófoba. Una molécula con ambas partes es anfipática (o anfipática/anfifílica). Los tipos saturados e insaturados se explican en «Tema 1: Base molecular y fisicoquímica de la vida — Bioelementos, agua, sales minerales, glúcidos y lípidos».

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