Apuntes de Biología EBAU Murcia: temario, esquemas y tests

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

Los componentes químicos de los seres vivos

La materia viva está constituida por un conjunto de elementos químicos universales denominados bioelementos. Al combinarse mediante enlaces químicos, originan las biomoléculas o principios inmediatos, que pueden aislarse mediante procedimientos físicos que no alteran su estructura molecular. Estas biomoléculas se dividen tradicionalmente en inorgánicas (agua y sales minerales, presentes también en la materia inerte) y orgánicas (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, exclusivas de los organismos vivos).

Clasificación y funciones de los bioelementos

Atendiendo a su abundancia ponderal en el organismo, los bioelementos se dividen en tres categorías principales:

• Bioelementos primarios: Representan aproximadamente el 96-98 % de la masa total. Comprenden el carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S). Comparten una masa atómica relativamente baja y la capacidad de establecer enlaces covalentes estables (simples, dobles o triples). El carbono, con su configuración tetraédrica, actúa como el esqueleto axial de toda la química orgánica.
• Bioelementos secundarios: Suponen entre el 1 % y el 4 % de la materia viva. Entre ellos destacan el sodio (Na), potasio (K), calcio (Ca), magnesio (Mg) y cloro (Cl). Se encuentran fundamentalmente en forma iónica y desempeñan funciones fisiológicas de primer orden, como la generación de gradientes electroquímicos de membrana, la transmisión del impulso nervioso o la contracción muscular.
• Oligoelementos: Aparecen en proporciones inferiores al 0,1 %, pero resultan indispensables para el metabolismo celular. La carencia de cualquiera de ellos compromete la viabilidad del individuo, mientras que su exceso puede provocar toxicidad celular severa.

El agua: estructura y propiedades fisicoquímicas

El agua ($\text{H}_2\text{O}$) es el componente más abundante de la materia viva, constituyendo entre el 65 % y el 90 % del peso de los organismos. Su comportamiento biológico deriva de su particular arquitectura molecular:

Los dos enlaces covalentes entre el átomo central de oxígeno y los átomos de hidrógeno forman un ángulo de enlace de 104,5°. La elevada electronegatividad del oxígeno atrae hacia sí la nube electrónica, generando una densidad de carga negativa (δ⁻) junto al oxígeno y dos densidades de carga positiva (δ⁺) sobre los hidrógenos. Aunque la molécula es eléctricamente neutra en su cómputo neto, exhibe un marcado carácter dipolar. Esta polaridad permite que cada molécula establezca interacciones electrostáticas débiles denominadas puentes de hidrógeno con hasta cuatro moléculas adyacentes, formando una malla tridimensional fluida.

Propiedades fisicoquímicas y su función vital

• Elevada fuerza de cohesión y adhesión: Los puentes de hidrógeno mantienen unidas las moléculas entre sí y con las superficies polares. Esto confiere al agua una tensión superficial alta, incompresibilidad volumétrica (que sirve de esqueleto hidrostático en anélidos y dota de turgencia a los tejidos vegetales) y capacidad de capilaridad para el ascenso continuo de la savia bruta por los vasos conductores.
• Alto calor específico y calor de vaporización: Se requiere suministrar abundante energía térmica para romper la red de puentes de hidrógeno antes de alterar la agitación molecular o cambiar de fase líquida a gas. Actúa como un amortiguador térmico homeostático frente a cambios externos bruscos y permite la disipación del calor mediante el sudor o la transpiración foliar.
• Densidad anómala en estado sólido: El agua alcanza su máxima densidad a los 4 °C. Al congelarse, los puentes de hidrógeno fijan una red cristalina abierta y menos densa, haciendo que el hielo flote sobre la superficie acuática y actúe como aislante térmico, lo que posibilita la supervivencia del bentos en masas polares o fluviales frías.
• Elevada constante dieléctrica: Reduce en gran medida las atracciones electrostáticas entre iones de signo opuesto. Es el disolvente universal de sustancias iónicas y polares, formando capas de solvatación que dispersan los solutos y facilitan el transporte de nutrientes y productos metabólicos.
• Bajo grado de ionización: En agua pura a 25 °C, solo una de cada 555 millones de moléculas se halla disociada según el equilibrio dinámico:
  $$2\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{OH}^-$$
  El producto iónico del agua ($K_\text{w} = [\text{H}_3\text{O}^+][\text{OH}^-] = 10^{-14}$) define la neutralidad fisiológica ($\text{pH} = 7$), permitiendo al agua participar activamente en reacciones de hidrólisis y condensación.

Las dispersiones coloidales

En el citoplasma celular y en los fluidos biológicos, los solutos macromoleculares (proteínas, polisacáridos o partículas con diámetro de 1 a 100 nm) forman dispersiones coloidales dentro de la fase acuosa dispersante. Estas mezclas presentan propiedades particulares:

• Efecto Tyndall: Turbidez visible debida a la dispersión de la luz al atravesar el coloide.
• Movimiento browniano: Trayectoria caótica y desordenada de las micelas provocada por los choques incesantes de las moléculas de disolvente, lo que impide su sedimentación rápida por gravedad.
• Transición sol-gel y tixotropía: Capacidad reversible de alternar entre un estado líquido fluido (sol) y una masa elástica y viscosa (gel) rica en interacciones macromoleculares. La tixotropía consiste en la pérdida momentánea de viscosidad frente a tensiones mecánicas o agitación.

Las sales minerales y la homeostasis iónica

Las sales minerales se presentan en dos estados fisicoquímicos diferenciados:

• Sales precipitadas (insolubles): Sólidos rígidos con función de sostén esquelético o protección mecánica. Destacan el carbonato cálcico ($\text{CaCO}_3$) en conchas de moluscos y exoesqueletos de corales, el fosfato cálcico ($\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2$) en los huesos de vertebrados, y la sílice ($\text{SiO}_2$) en las frústulas de las diatomeas.
• Sales disueltas (solubles): Totalmente disociadas en sus iones constitutivos (cationes como $\text{Na}^+$, $\text{K}^+$, $\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$ y aniones como $\text{Cl}^-$, $\text{HCO}_3^-$, $\text{HPO}_4^{2-}$, $\text{SO}_4^{2-}$). Mantienen el grado de salinidad, regulan la actividad enzimática y generan los potenciales eléctricos de membrana celular.

Sistemas amortiguadores o soluciones tampón

El mantenimiento estricto del pH fisiológico resulta indispensable para evitar la desnaturalización de proteínas enzimáticas y transportadoras. Los sistemas tampón o buffer son mezclas en equilibrio de un ácido débil y su base conjugada que amortiguan adiciones de protones ($\text{H}^+$) o iones hidroxilo ($\text{OH}^-$):

1. Tampón bicarbonato (medio extracelular y sangre): El dióxido de carbono se hidrata reversiblemente para formar ácido carbónico, que se disocia en protón y bicarbonato:
   $$\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{HCO}_3^- + \text{H}^+$$
   Si el medio se acidifica (exceso de $\text{H}^+$), la reacción se desplaza hacia la izquierda eliminando el exceso de $\text{CO}_2$ por ventilación pulmonar. Si el medio se alcaliniza, se disocia más ácido carbónico hacia bicarbonato.
2. Tampón fosfato (medio intracelular): Opera en el citoplasma amortiguando variaciones internas mediante el equilibrio entre el ion dihidrógeno fosfato (ácido débil) y el monohidrógeno fosfato (base conjugada):
   $$\text{H}_2\text{PO}_4^- + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HPO}_4^{2-} + \text{H}_3\text{O}^+$$

Ósmosis y comportamiento celular

La ósmosis es la difusión pasiva de agua a través de una membrana semipermeable desde un compartimento de menor concentración de solutos (hipotónico) hacia otro de mayor concentración (hipertónico), impulsada por la tendencia a igualar las concentraciones a ambos lados.

El comportamiento osmótico difiere según la célula posea o carezca de una pared celular rígida externa:

Ideas clave

• Los bioelementos primarios (C, H, O, N, P, S) forman la práctica totalidad de la masa celular gracias a su aptitud para establecer enlaces covalentes estables.
• La naturaleza dipolar del agua y su red de puentes de hidrógeno determinan su elevado calor específico, densidad anómala en estado sólido y condición de disolvente universal.
• Las sales minerales precipitadas desempeñan cometidos de soporte estructural, mientras que las solubles regulan la presión osmótica, la actividad enzimática y el potencial eléctrico celular.
• El pH fisiológico se estabiliza mediante disoluciones tampón, destacando el sistema bicarbonato en los fluidos extracelulares y el sistema fosfato en el interior citoplasmático.
• El comportamiento celular ante variaciones osmóticas depende de la presencia de pared celular: un medio hipotónico desencadena turgencia en vegetales pero hemólisis en células animales sin pared.

Pon a prueba lo aprendido

1. ¿Qué bioelemento forma parte del grupo hemo de la hemoglobina y transporta oxígeno? — Hierro
2. ¿Qué propiedad del agua impide que los lagos se congelen totalmente desde el fondo? — Menor densidad en estado sólido
3. ¿Qué fenómeno experimenta una célula vegetal cuando se sumerge en una disolución hipertónica? — Plasmólisis
4. ¿Cuál es el principal sistema amortiguador del pH dentro del compartimento intracelular? — Tampón fosfato

Tema 1: Base química de la vida — Glúcidos

Los glúcidos (también denominados hidratos de carbono o sacáridos) son biomoléculas orgánicas compuestas fundamentalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno en una proporción aproximada que responde a la fórmula empírica general $\mathrm{C}_n\mathrm{H}_{2n}\mathrm{O}_n$. De forma minoritaria pueden incorporar nitrógeno, azufre o fósforo (como se introdujo al estudiar la base bioelemental en «Tema 1: Base química de la vida — Bioelementos, agua y sales minerales»). Químicamente se definen como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas, es decir, cadenas carbonadas repletas de grupos hidroxilo ($-\mathrm{OH}$) con un único grupo carbonilo funcional: aldehído o cetona.

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Tema 1: Base química de la vida — Consumo de glúcidos, diabetes, fibra y dieta equilibrada

Regulación de la glucemia: insulina y glucagón

La glucemia es la concentración de glucosa en sangre. En ayunas se mantiene aproximadamente entre 70 y 100 mg/dL gracias a dos hormonas del páncreas endocrino (islotes de Langerhans) que actúan de forma opuesta:

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