Apuntes de Biología: base molecular, metabolismo y genética

Apuntes de Biología orientados a la preparación de las pruebas de acceso universitario (EAU/EvAU/PAU). Contiene el desarrollo riguroso de bioquímica, biología celular, bioenergética, genética molecular, microbiología e inmunología, adaptado a los criterios de corrección de exámenes oficiales.

Biología · EAU País Vasco

27 temas · AprenAI

Índice

  1. Tema 1: Agua, sales minerales y ósmosis
  2. Tema 2: Glúcidos
  3. Tema 3: Lípidos
  4. Tema 4: Proteínas, enzimas y vitaminas
  5. Tema 5: La célula: orgánulos, membrana y transporte — Membrana plasmática y mecanismos de transporte
  6. Tema 5: La célula: orgánulos, membrana y transporte — Ultraestructura celular y orgánulos
  7. Tema 5: La célula: orgánulos, membrana y transporte — Teoría celular y estructura de la célula procariota
  8. Tema 6: Ciclo celular, mitosis y meiosis
  9. Tema 7: Catabolismo: respiración celular, beta-oxidación y fermentación — Glucólisis y respiración celular aerobia
  10. Tema 7: Catabolismo: respiración celular, beta-oxidación y fermentación — Fermentaciones y catabolismo lipídico
  11. Tema 8: Fotosíntesis y quimiosíntesis
  12. Tema 9: Ácidos nucleicos, replicación, expresión génica y mutaciones — Estructura de los ácidos nucleicos y replicación del ADN
  13. Tema 9: Ácidos nucleicos, replicación, expresión génica y mutaciones — Estructura y funciones del ATP y de los tipos de ARN
  14. Tema 9: Ácidos nucleicos, replicación, expresión génica y mutaciones — Transcripción, traducción y código genético
  15. Tema 9: Ácidos nucleicos, replicación, expresión génica y mutaciones — Regulación génica en eucariotas, diferenciación celular y epigenética
  16. Tema 9: Ácidos nucleicos, replicación, expresión génica y mutaciones — Mutaciones, agentes mutagénicos y genética mendeliana
  17. Tema 9: Ácidos nucleicos, replicación, expresión génica y mutaciones — Conceptos básicos de genética: ploidía, genoma y cromosomas homólogos
  18. Tema 10: Ingeniería genética y biotecnología — Herramientas del ADN recombinante y PCR
  19. Tema 10: Ingeniería genética y biotecnología — Edición génica CRISPR-Cas9 y terapia génica
  20. Tema 10: Ingeniería genética y biotecnología — Aplicaciones biotecnológicas, clonación y proyecto genoma
  21. Tema 10: Ingeniería genética y biotecnología — Obtención de plantas transgénicas y otras aplicaciones biotecnológicas
  22. Tema 11: Microorganismos, virus y enfermedades infecciosas
  23. Tema 12: Sistema inmunitario, vacunas e inmunopatologías — Organización del sistema inmune, antígenos y anticuerpos
  24. Tema 12: Sistema inmunitario, vacunas e inmunopatologías — Moléculas defensivas: interferón, citocinas y clases de inmunoglobulinas
  25. Tema 12: Sistema inmunitario, vacunas e inmunopatologías — Respuesta inmunitaria humoral, celular y tipos de inmunidad
  26. Tema 12: Sistema inmunitario, vacunas e inmunopatologías — Inmunopatologías y trasplantes
  27. Resumen para repasar

Tema 1: Agua, sales minerales y ósmosis

Los componentes químicos de la materia viva

La materia viva está constituida por un conjunto característico de elementos químicos denominados bioelementos, los cuales se combinan para dar lugar a las biomoléculas. Atendiendo a su abundancia relativa en el organismo, se distinguen tres grandes grupos:

  • Bioelementos primarios: representan más del 98 % de la masa celular total. Incluyen carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre (C, H, O, N, P y S). Son indispensables para edificar las biomoléculas orgánicas fundamentales debido a su bajo peso atómico y su facilidad para establecer enlaces covalentes estables.
  • Bioelementos secundarios: suponen cerca del 2 % de la masa corporal. Se presentan principalmente en disolución como iones (Na+\text{Na}^+, K+\text{K}^+, Ca2+\text{Ca}^{2+}, Mg2+\text{Mg}^{2+} y Cl−\text{Cl}^-). Desempeñan papeles fisiológicos determinantes en la propagación de impulsos nerviosos, contracción muscular y activación enzimática.
  • Oligoelementos: se hallan en concentraciones inferiores al 0,1 %, pero resultan estrictamente indispensables para la vida. El hierro (Fe) interviene en el transporte de oxígeno dentro de la hemoglobina, mientras que el yodo (I) es un componente esencial de las hormonas tiroideas. Tanto su carencia como su exceso pueden desencadenar alteraciones patológicas graves.

Entre los bioelementos primarios, el carbono desempeña un papel estructural central gracias a su tetravalencia: sus cuatro electrones de valencia le permiten entablar enlaces covalentes simples, dobles o triples con otros átomos de carbono o elementos distintos, originando cadenas lineales, ramificadas o cíclicas tridimensionales muy estables.

Esquema
Componentes inorgánicos de la célula
🔬Biomoléculas inorgánicasComponentes químicos sin enlaces carbono-carbono
💧AguaDipolo formador de enlaces de hidrógeno
🧪Disolvente universalMedio de transporte y metabolismo
🌡️Regulador térmicoElevado calor específico y de vaporización
🧂Sales mineralesEn estado sólido o disueltas
🦴PrecipitadasFunción esquelética y de sostén
⚖️DisueltasRegulación osmótica y equilibrio de pH

El agua: estructura molecular y enlace de hidrógeno

El agua (H2O\text{H}_2\text{O}) es la biomolécula inorgánica más abundante en los organismos, representando comúnmente entre el 65 % y el 95 % de su masa total. Cada molécula consta de un átomo de oxígeno unido mediante enlaces covalentes simples a dos átomos de hidrógeno, configurando una estructura angular con un ángulo de enlace de aproximadamente 104,5°.

Esquema del enlace covalente polar y distribución de cargas en el agua.
Esquema del enlace covalente polar y distribución de cargas en el agua.

Dado que el oxígeno exhibe una electronegatividad notablemente superior a la del hidrógeno, los pares electrónicos compartidos se encuentran desplazados hacia el núcleo de oxígeno. Como consecuencia, sobre el oxígeno se genera una densidad de carga parcial negativa (δ−\delta^-), mientras que sobre los dos hidrógenos surgen densidades de carga parcial positiva (δ+\delta^+). Al presentar una geometría no lineal, los momentos dipolares individuales no se cancelan, confiriendo a la molécula un marcado carácter dipolar.

Enlace de hidrógeno

Un enlace de hidrógeno (o puente de hidrógeno) es una atracción electrostática débil que se establece entre la carga parcial positiva (δ+\delta^+) de un átomo de hidrógeno unido a un elemento muy electronegativo y la carga parcial negativa (δ−\delta^-) del átomo de oxígeno perteneciente a una molécula adyacente.

Aunque cada puente de hidrógeno individual es mucho más lábil que un enlace covalente, la unión simultánea de miles de ellos crea una densa red intermolecular. En estado líquido y a bajas temperaturas, cada molécula puede formar hasta 4 enlaces de hidrógeno dinámicos con sus vecinas, propiedad responsable directa de su comportamiento singular.

Propiedades fisicoquímicas del agua y sus funciones biológicas

Las propiedades fisicoquímicas del agua derivan de su polaridad y de la red de enlaces de hidrógeno, determinando sus funciones vitales en los seres vivos:

Propiedad fisicoquímicaBases molecularesFunción biológica asociada
Poder disolvente universalSu alta constante dieléctrica y polaridad le permiten interaccionar con sales (solvatación iónica) y biomoléculas polares que forman puentes de hidrógeno.Medio principal del transporte circulatorio (sangre, linfa, savia) y sustrato disolvente en el que suceden las rutas metabólicas celulares.
Elevado calor específicoPara aumentar la temperatura del agua es necesario romper previamente un gran número de enlaces de hidrógeno, lo que absorbe gran energía.Actúa como amortiguador térmico celular, evitando variaciones bruscas de temperatura perjudiciales para los seres vivos.
Elevado calor de vaporizaciónLa evaporación precisa una considerable cantidad de calor para romper todos los puentes de hidrógeno intermoleculares.Mecanismo de termorregulación eficiente mediante la sudoración o la transpiración vegetal.
Alta cohesión y adhesiónFuerte atracción entre moléculas de agua (cohesión) y entre el agua y superficies sólidas polares (adhesión).Capilaridad (ascenso continuado de la savia bruta por el xilema) y elevada tensión superficial que sustenta pequeños organismos.
Densidad anómalaA 4∘C4 ^\circ\text{C} alcanza su densidad máxima; en el hielo cristaliza formando una red reticular más abierta y menos densa.El hielo flota en la superficie, sirviendo de aislante térmico y permitiendo la supervivencia de la biota subacuática en climas fríos.
Reactividad químicaBaja capacidad de disociación espontánea (2H2O⇌H3O++OH−2\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{OH}^-), comportándose como anfótera.Interviene como reactivo químico directo en reacciones de hidrólisis y como donador de protones y electrones.
Para recordarlo

La clave de cualquier propiedad térmica o mecánica del agua radica siempre en la misma causa: la ingente cantidad de puentes de hidrógeno que retienen unidas sus moléculas y obligan a suministrar energía extra para separarlas.

Sales minerales: formas y funciones

Las sales minerales en los organismos vivos adoptan dos configuraciones esenciales con cometidos fisiológicos especializados:

1. Sales minerales precipitadas (insolubles)

Se encuentran en estado sólido asociadas a compuestos orgánicos y cumplen principalmente una función de sostén mecánico y protección esquelética. Destacan el carbonato cálcico (CaCO3\text{CaCO}_3) en conchas de moluscos y caparazones, el fosfato cálcico (Ca3(PO4)2\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2) junto al carbonato cálcico en el tejido óseo de vertebrados, y la sílice (SiO2\text{SiO}_2) en las espículas de ciertas esponjas y frústulas de diatomeas.

2. Sales minerales disueltas (solubles)

Aparecen disociadas en sus iones constituyentes en los fluidos intra y extracelulares. Sus funciones capitales son:

  • Regulación de la presión osmótica: determinan el potencial hídrico celular y controlan los flujos de agua a través de la membrana.
  • Regulación del equilibrio ácido-base: mantienen el pH constante mediante disoluciones tampón.
  • Estabilización de dispersiones coloidales: neutralizan las cargas eléctricas superficiales de macromoléculas cargadas para evitar su agregación precipitada.
  • Transmisión neuromuscular y excitabilidad: gradientes de Na+\text{Na}^+ y K+\text{K}^+ mantienen el potencial de membrana (apoyados por mecanismos como la bomba de Na+/K+\text{Na}^+/\text{K}^+, véase «Tema 5: La célula: orgánulos, membrana y transporte — Membrana plasmática y mecanismos de transporte»), y el ion Ca2+\text{Ca}^{2+} es fundamental en la contracción muscular y coagulación sanguínea.

Mecanismos de regulación del pH: sistemas tampón

El pH intracelular y sanguíneo debe mantenerse en intervalos sumamente restringidos (en torno a 7,35 - 7,45 en sangre humana), ya que desviaciones mínimas alteran el estado de ionización de los aminoácidos y provocan la inactivación o desnaturalización de las proteínas estructurales y enzimas. Para atenuar estas variaciones, los organismos recurren a disoluciones amortiguadoras o tampones, formadas por un ácido débil y su base conjugada.

Tampón bicarbonato

Constituye el tampón extracelular primordial en los fluidos biológicos como la sangre. Su equilibrio químico se formula de la siguiente manera:

CO2+H2O⇌H2CO3⇌HCO3−+H+\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 (aumento de H+\text{H}^+), el ion bicarbonato (HCO3−\text{HCO}_3^-) capta los protones excedentes para formar ácido carbónico (H2CO3\text{H}_2\text{CO}_3), el cual se descompone en CO2\text{CO}_2 y H2O\text{H}_2\text{O}, expulsándose el gas por ventilación pulmonar.
  • Si el medio se alcaliniza (descenso de H+\text{H}^+), el ácido carbónico se disocia cediendo protones al medio para restituir el pH.

Tampón fosfato

Actúa de forma mayoritaria en el compartimento intracelular, donde el ion fosfato es abundante. Su equilibrio amortiguador es:

H2PO4−⇌HPO42−+H+\text{H}_2\text{PO}_4^- \rightleftharpoons \text{HPO}_4^{2-} + \text{H}^+

El ion dihidrogenofosfato (H2PO4−\text{H}_2\text{PO}_4^-) se comporta como ácido débil liberando protones frente a un exceso de bases, mientras que el monohidrogenofosfato (HPO42−\text{HPO}_4^{2-}) actúa como base conjugada retirando protones libres si se produce una acidificación.

Error frecuente

No confundas la localización de los sistemas tampón: el tampón bicarbonato es el amortiguador hegemónico en el plasma sanguíneo y medio extracelular, mientras que el tampón fosfato actúa principalmente en el medio intracelular citoplasmático.

Fenómenos osmóticos y respuesta celular

Ósmosis

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

El comportamiento osmótico difiere sustancialmente entre células vegetales y animales, debido a la presencia o ausencia de pared celular rígida:

Condición del medio externoCélula animal (ej. eritrocito)Célula vegetal
Medio hipotónico
(Concentración externa < interna)
Entrada neta de agua por flujo osmótico. La célula se hincha hasta estallar; en los glóbulos rojos este fenómeno se denomina hemólisis o lisis osmótica.Entrada masiva de agua hacia la vacuola. La célula se hincha acumulando presión hidrostática contra la pared celular sin romperse: estado de turgencia.
Medio isotónico
(Concentración externa = interna)
Flujo hídrico dinámico en equilibrio. El volumen y forma celular permanecen inalterados.Equilibrio hídrico sin tensión parietal interna; la célula vegetal conserva su volumen basal sin alcanzar turgencia completa.
Medio hipertónico
(Concentración externa > interna)
Salida masiva de agua hacia el exterior. La célula pierde volumen, se deshidrata y arruga su membrana: fenómeno de crenación.Salida de agua desde la vacuola; el protoplasto disminuye drásticamente de volumen y la membrana plasmática se despega de la pared celular: proceso de plasmólisis.
Esquema
Respuestas celulares frente a gradientes osmóticos
⚖️Medio externoConcentración osmótica respecto a la célula
💧HipotónicoEntrada neta de agua hacia la célula
💥Célula animal: HemólisisHinchamiento y rotura por lisis osmótica
🌿Célula vegetal: TurgenciaPresión parietal contra la pared celulósica
🔄IsotónicoFlujos de agua en equilibrio dinámico
☀️HipertónicoSalida neta de agua de la célula
🥀Célula animal: CrenaciónDeshidratación con arrugamiento de membrana
🍂Célula vegetal: PlasmólisisDesprendimiento de membrana respecto a pared
PAU · 2022, Ordinaria (Primera Pregunta - Opción 1A)

En relación con las propiedades fisicoquímicas del agua:

a) [0,75 puntos] Indique cuál es el origen de la polaridad de las moléculas de agua, y qué tipo de interacciones establecen entre sí dichas moléculas a causa de la polaridad.

b) [0,75 puntos] Cite dos funciones del agua relacionadas con su poder disolvente.

c) [1,0 punto] Explica brevemente la influencia de los cambios bruscos de pH en las células. Indica qué tipo de disoluciones se utilizan para amortiguar dichos cambios.

Resolución

a) Origen de la polaridad e interacciones intermoleculares:

  1. El átomo de oxígeno posee una electronegatividad netamente mayor que la de los átomos de hidrógeno, atrayendo fuertemente hacia sí la densidad electrónica del enlace covalente simple.
  2. Debido a que la molécula adopta una geometría angular (con un ángulo de 104,5°) y no lineal, los dipolos de enlace no se compensan geométricamente, generando una molécula con carácter dipolar (δ−\delta^- sobre el oxígeno y δ+\delta^+ sobre cada hidrógeno).
  3. Estas densidades de carga opuesta permiten que las moléculas adyacentes establezcan entre sí atracciones electrostáticas conocidas como enlaces de hidrógeno (o puentes de hidrógeno).

b) Dos funciones del agua vinculadas a su poder disolvente:

  • Transporte de sustancias: Al actuar como disolvente de compuestos iónicos y polares, permite el desplazamiento continuo de nutrientes, metabolitos y sustancias de desecho a través de fluidos circulantes como sangre, linfa o savia.
  • Medio para las reacciones metabólicas: Disuelve reactivos bioquímicos en el citosol y orgánulos, posibilitando su movilidad e interacción colisional con las enzimas para que transcurra el metabolismo celular.

c) Efecto de variaciones de pH y amortiguación:

  • Influencia en la célula: Un cambio brusco de pH altera el estado de disociación e ionización de los grupos funcionales de las cadenas laterales de los aminoácidos en las proteínas. Esto rompe enlaces electrostáticos e hidrofóbicos que sostienen su estructura terciaria, provocando su desnaturalización y la pérdida irreversible de actividad biológica (particularmente enzimática).
  • Disoluciones reguladoras: Para mitigar estos cambios se emplean disoluciones tampón o amortiguadoras (como el sistema bicarbonato en el plasma sanguíneo o el sistema fosfato en el citoplasma), formadas por un ácido débil y su base conjugada que captan o liberan protones según las oscilaciones del medio.

Ideas clave

  • La geometría angular del agua y la electronegatividad del oxígeno originan un dipolo permanente capaz de formar redes de enlaces de hidrógeno.
  • El elevado calor específico y de vaporización del agua amortiguan las oscilaciones térmicas y posibilitan la termorregulación biológica.
  • Las sales minerales disueltas controlan la presión osmótica y regulan el pH mediante los sistemas amortiguadores bicarbonato y fosfato.
  • La ósmosis condiciona el volumen celular: en medios hipotónicos las células animales sufren hemólisis mientras las vegetales adquieren turgencia; en medios hipertónicos sufren crenación y plasmólisis respectivamente.

Pon a prueba lo aprendido

  1. ¿Qué propiedad estructural del agua determina la existencia de un momento dipolar neto permanente? — Su disposición angular de 104,5° con enlaces polares
  2. ¿Cuál es el principal amortiguador fisiológico del pH en el compartimento intracelular? — Tampón fosfato
  3. ¿Qué alteración experimenta un eritrocito sumergido en una disolución con menor concentración osmótica que su citoplasma? — Hemólisis por lisis osmótica
  4. ¿A qué se debe el elevado calor específico que presenta el agua líquida? — A la rotura necesaria de puentes de hidrógeno

Tema 2: Glúcidos

Los glúcidos (también denominados hidratos de carbono o azúcares) son biomoléculas orgánicas constituidas esencialmente por carbono, hidrógeno y oxígeno en una proporción general (CH2O)n(CH_2O)_n. Químicamente corresponden a polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas, es decir, cadenas carbonadas que portan varios grupos hidroxilo (−OH-OH) junto a un único grupo carbonilo (aldehído o cetona).

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Tema 3: Lípidos

Los lípidos constituyen un grupo químicamente heterogéneo de biomoléculas compuestas fundamentalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno, aunque muchas variedades contienen fósforo y nitrógeno. Comparten dos propiedades físicas definitorias: son insolubles o escasamente solubles en disolventes polares como el agua, pero solubles en disolventes orgánicos no polares (éter, cloroformo, benceno).

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