Apuntes de Biología PAU Valenciana: todo el temario y tests

1. Los elementos de la materia viva

De los 92 elementos químicos presentes de forma natural en la Tierra, solo un reducido grupo conforma la materia de los seres vivos. Estos componentes reciben el nombre de bioelementos y se organizan según su proporción ponderal en el organismo:

• Bioelementos primarios: representan cerca del 95-96 % del peso seco de los seres vivos. Este grupo comprende el carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S). Tienen una masa atómica baja, lo que favorece el establecimiento de enlaces covalentes muy estables y energéticos mediante la compartición de pares de electrones.
• Bioelementos secundarios: constituyen entre el 2,5 % y el 4 % de la masa total. Se hallan presentes en todos los organismos: calcio (Ca), magnesio (Mg), sodio (Na), potasio (K) y cloro (Cl). Intervienen en la excitabilidad de membranas y en la arquitectura esquelética.
• Oligoelementos: bioelementos indispensables cuya concentración es menor al 0,1 % del peso del individuo. Su deficiencia o exceso ocasiona graves disfunciones metabólicas. Entre ellos se distinguen oligoelementos universales (encontrados en la práctica totalidad de organismos) y específicos de determinados taxones.

2. El agua: estructura y propiedades biológicas y reguladoras

El agua ($\text{H}_2\text{O}$) es la biomolécula inorgánica más abundante de la materia viva, representando entre un 65 % y un 95 % de la masa de la mayoría de los organismos biológicos. Su abundancia varía según la edad del individuo, el tejido celular y el nivel de actividad metabólica de un órgano.

Estructura dipolar y puentes de hidrógeno

En la molécula de agua, el átomo de oxígeno está unido a dos átomos de hidrógeno mediante enlaces covalentes simples, con una disposición angular de $104{,}5^\top$. Dado que el oxígeno es mucho más electronegativo que el hidrógeno, los electrones compartidos se ven atraídos hacia su núcleo. Esta asimetría en la densidad de carga confiere a la molécula un carácter dipolar permanente: sobre el oxígeno se genera una densidad de carga negativa ($\text{2}\boldsymbol{\delta}^-$) y sobre cada hidrógeno una densidad positiva ($\boldsymbol{\delta}^+$), manteniendo la neutralidad eléctrica neta.

Como resultado de esta polaridad, se establecen interacciones electrostáticas débiles entre las moléculas contiguas: el polo negativo del oxígeno de una molécula atrae al polo positivo de un hidrógeno de otra vecina. Esta unión se denomina puente de hidrógeno. Cada molécula de agua líquida puede coordinar transitoriamente hasta cuatro enlaces de hidrógeno con sus moléculas contiguas, creando una malla reticular flexible y dinámica que se rompe y recompone constantemente en billonésimas de segundo.

Propiedades fisicoquímicas del agua y sus funciones biológicas

Disociación del agua y concepto de pH

El agua se comporta químicamente como un electrolito extremadamente débil mediante su proceso de autoionización reversible:

En el agua pura a 25 °C, el producto iónico del agua ($\text{K}_w$) se mantiene constante en:

De este modo, en agua pura neutra la concentración de protones es $[\text{H}^+] = [\text{OH}^-] = 10^{-7}\text{ M}$. El pH se define formalmente como el logaritmo decimal cambiado de signo de la actividad de iones hidrógeno:

Si $[\text{H}^+] > 10^{-7}\text{ M}$ el medio es ácido ($\text{pH} < 7$); si $[\text{H}^+] = 10^{-7}\text{ M}$ el medio es neutro ($\text{pH} = 7$); y si $[\text{H}^+] < 10^{-7}\text{ M}$ el medio resulta básico o alcalino ($\text{pH} > 7$).

3. Sales minerales y mantenimiento del equilibrio homeostático

Las sales minerales en los seres vivos se disponen bajo dos formas:

• Sales minerales precipitadas (insolubles): originan agregados cristalinos sólidos con función estructural y de protección mecánica. Destacan el carbonato cálcico ($\text{CaCO}_3$) en conchas de moluscos y exoesqueletos de corales, el fosfato cálcico ($\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2$) junto al carbonato cálcico en la matriz ósea de vertebrados, y la sílice ($\text{SiO}_2$) en las espículas de espongiarios y paredes celulares de diatomeas.
• Sales minerales disueltas (solubles): disociadas en aniones ($\text{Cl}^-$, $\text{HCO}_3^-$, $\text{H}_2\text{PO}_4^-$, $\text{HPO}_4^{2-}$, $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{NO}_3^-$) y cationes ($\text{Na}^+$, $\text{K}^+$, $\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$). Cumplen funciones catalíticas, de generación de gradientes electroquímicos, regulación de la presión osmótica y amortiguación del pH.

Sistemas amortiguadores o tampones fisiológicos

Las reacciones metabólicas son extremadamente sensibles a las variaciones del pH, ya que ligeros cambios alteran la conformación y funcionalidad de las proteínas. Para mitigar estas oscilaciones, los fluidos biológicos cuentan con disoluciones amortiguadoras (tampones o buffers): mezclas de un ácido débil y su base conjugada capaces de neutralizar tanto protones libres como grupos hidroxilo mediante el desplazamiento del equilibrio químico hacia uno u otro lado según el principio de Le Chatelier.

4. Dispersiones coloidales y fenómenos fisicoquímicos: difusión, diálisis y ósmosis

Los fluidos biológicos no son disoluciones moleculares simples, sino que abarcan disoluciones verdaderas (con solutos de bajo peso molecular disueltos de diámetro inferior a 1 nm, como sales e iones) y dispersiones coloidales (partículas dispersas entre 1 nm y 100 nm, como proteínas o polisacáridos). Las dispersiones coloidales pueden pasar de estado fluido (sol) a consistencia semisólida gelatinosa (gel).

Difusión y diálisis

El transporte de solutos y solventes a través de medios acuosos obedece a diferentes principios fisicoquímicos de difusión:

La difusión simple consiste en el paso espontáneo y desordenado de partículas de soluto desde la zona donde se hallan a mayor concentración hacia la zona donde se encuentran menos concentradas, hasta que se alcanza un reparto homogéneo en el espacio disponible.

La diálisis es un proceso físico de separación de solutos en el que una membrana semipermeable con poros de tamaño medio deja atravesar a su favor de gradiente electroquímico el disolvente (agua) y las moléculas disueltas de bajo peso molecular (iones, urea, glucosa), pero impide el paso de macromoléculas o partículas coloidales (como albúminas o ácidos nucleicos). Este fenómeno se aprovecha en biomedicina en las técnicas de hemodiálisis para purificar la sangre de pacientes con insuficiencia renal.

Fenómenos osmóticos

La ósmosis es la difusión pasiva de agua a través de una membrana con permeabilidad selectiva que separa dos disoluciones de diferente concentración. Dicha membrana permite el tránsito de las moléculas de agua pero es impermeable al soluto disuelto. El disolvente se desplaza desde el compartimento más diluido (medio hipotónico) hacia el de mayor osmolaridad (medio hipertónico) con el fin de igualar las concentraciones a ambos lados. La fuerza mecánica hidrostática que habría que aplicar sobre la solución más concentrada para frenar ese flujo de agua se conoce como presión osmótica.

Clasificación general de las biomoléculas

Qué es una biomolécula

Están formadas por bioelementos, sobre todo los primarios: C, H, O, N, P y S (véase «Tema 1: Bioelementos, agua y sales minerales»). Para clasificarlas hay que decir siempre qué criterio se usa, porque una misma molécula puede caer en grupos distintos según el criterio.

Criterio 1: naturaleza química

Es la clasificación clásica. Se basa en si la molécula tiene un esqueleto de cadenas de carbono unidas a hidrógeno o no.

Monómeros y enlaces de las biomoléculas orgánicas

Las moléculas orgánicas grandes se construyen uniendo piezas más pequeñas, los monómeros. Cada grupo tiene su enlace típico, que casi siempre se forma liberando una molécula de agua (condensación) y se rompe al añadirla (hidrólisis).

Los lípidos no son verdaderos polímeros: no forman cadenas de unidades que se repiten. Lo que comparten es una propiedad física, ser insolubles en agua. Cada enlace se estudia en su tema: «Tema 2: Glúcidos», «Tema 3: Lípidos», la sección de aminoácidos del Tema 4 y la de nucleótidos del Tema 11.

Criterio 2: tamaño

• Monómeros o moléculas sencillas, de masa molecular baja: glucosa, aminoácidos, nucleótidos.
• Macromoléculas o polímeros: largas cadenas de monómeros unidos, con masa molecular muy elevada. Son ejemplos los polisacáridos (celulosa), las proteínas y los ácidos nucleicos.

Criterio 3: función