Fundamentos de Biología Celular y Molecular: Bioelementos, Biomoléculas y Procesos Vitales

Bioelementos: La Química de la Vida

Los bioelementos son los elementos químicos que constituyen la materia viva y forman moléculas. De los 118 elementos químicos conocidos, aproximadamente 90 son naturales de la Tierra y unos 70 se encuentran en los seres vivos.

En la corteza terrestre, los elementos más abundantes son el oxígeno (O), silicio (Si), aluminio (Al), hierro (Fe), calcio (Ca), sodio (Na), potasio (K) y magnesio (Mg). En los seres vivos, el oxígeno (O) es también el más abundante, seguido por el hidrógeno (H), carbono (C), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S), que, aunque presentes en menor proporción en los minerales, son muy abundantes en los seres vivos.

Propiedades Biológicas de los Bioelementos

Capas electrónicas incompletas: Permiten a los elementos formar enlaces, creando compuestos útiles para la formación de estructuras y el desempeño de funciones.
Masa atómica pequeña: Al ser pequeños, los electrones compartidos con otros átomos al formar enlaces se encuentran próximos a sus núcleos, lo que origina moléculas estables.
Polaridad: Lo que los hace solubles en agua.

Propiedades Fisicoquímicas del Carbono

Baja masa molecular: Permite la formación de enlaces estables para construir largas cadenas de carbonos con gran estabilidad.
En su configuración electrónica, posee electrones desapareados que facilitan la formación de enlaces covalentes.
Enlaces entre carbonos: Pueden ser simples, dobles o triples, permitiendo la construcción de cadenas lineales, ramificadas y anillos cíclicos.
Enlaces covalentes: Presentan una geometría particular (tetraédrica), que proporciona una estructura espacial o tridimensional que determinará su función.
El carbono se combina con oxígeno (O), hidrógeno (H) y nitrógeno (N), formando grupos funcionales y compuestos orgánicos diversos.

Clasificación de los Bioelementos según su Abundancia

Bioelementos mayoritarios: Constituyen más del 99% del peso total de la materia viva.
- Primarios: Representan aproximadamente el 96% del peso y son Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxígeno (O), Nitrógeno (N), Fósforo (P) y Azufre (S).
- Secundarios: Constituyen alrededor del 3.9% del peso y aparecen en cantidades superiores al 0.1%. Incluyen Calcio (Ca), Magnesio (Mg), Cloro (Cl), Sodio (Na) y Potasio (K).
Oligoelementos: Presentes en cantidades inferiores al 0.1% (menos del 1% del peso total). Son Hierro (Fe), Cobre (Cu), Silicio (Si), Manganeso (Mn), Cobalto (Co), Zinc (Zn), Yodo (I) y Litio (Li).

Funciones de los Bioelementos Primarios

Carbono: Forma cadenas estables que permiten una gran diversidad y complejidad molecular.
Oxígeno: Muy electronegativo, lo que facilita la formación de enlaces y confiere polaridad a las moléculas, contribuyendo a su solubilidad.
Fósforo: Interviene en procesos de transferencia energética, ya que forma parte de moléculas como el ATP.
Azufre: Desempeña un papel fundamental como constituyente de las proteínas.

Funciones de los Bioelementos Secundarios

Calcio: Esencial para la coagulación sanguínea, la transmisión del impulso nervioso y cumple una función estructural al ser un componente clave en esqueletos y caparazones.
Sodio y Potasio: Necesarios para la transmisión del impulso nervioso y la contracción muscular.
Magnesio: Forma parte de la estructura molecular de la clorofila, molécula esencial para la fotosíntesis.
Cloro: Necesario para la formación de ácidos gástricos, fundamentales para la digestión.

Funciones de los Oligoelementos

Hierro: Encargado de que el grupo hemo transporte oxígeno a través de la sangre y los músculos.
Flúor: Componente del esmalte dental, huesos y estructuras de la piel y glándulas; su carencia puede provocar caries.
Cobalto: Necesario para la síntesis de hemoglobina y la formación de eritrocitos; su carencia puede originar anemia.
Silicio: Proporciona resistencia y elasticidad al tejido conjuntivo, cabello, piel y uñas.
Litio: Estabilizador del estado de ánimo, actúa sobre los neurotransmisores y la permeabilidad celular.

Agua: La Molécula Esencial para la Vida

El agua es la molécula más abundante en los seres vivos. Los organismos pueden incorporar el agua directamente del medio (agua exógena) o a partir de reacciones metabólicas (agua metabólica).

Estructura del Agua

El agua es un dipolo eléctrico debido a que dos átomos de hidrógeno (H) se unen a uno de oxígeno (O) mediante enlaces covalentes, formando un ángulo de 104.5°. El oxígeno, al ser más electronegativo, atrae con mayor fuerza los electrones del enlace covalente, generando una zona con mayor densidad de carga negativa (δ-) en su entorno y una mayor carga positiva (δ+) en los hidrógenos. Esta polaridad permite que las moléculas de agua se unan entre sí mediante enlaces de hidrógeno. Los enlaces de hidrógeno son responsables de que el agua se encuentre en estado líquido a temperatura ambiente.

Propiedades Fisicoquímicas del Agua

Elevada constante dieléctrica: Su carácter polar y su elevada constante dieléctrica convierten al agua en un gran disolvente para moléculas ionizables y polares. Estos compuestos quedan rodeados por moléculas de agua en el fenómeno de solvatación. El agua realiza funciones de transporte de sustancias, actúa como disolvente y participa en reacciones bioquímicas.
Elevado calor específico: Es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una sustancia. Para elevar la temperatura del agua, se requiere mucha energía, ya que se deben romper los enlaces de hidrógeno. De esta forma, el agua absorbe gran cantidad de calor sin que su temperatura aumente en la misma proporción, lo que le confiere una función de termorregulación al actuar como un tampón térmico para mantener la temperatura corporal.
Elevado calor de vaporización: Es la cantidad de calor necesaria para que una sustancia pase de estado líquido a gaseoso. Para evaporar el agua, se necesita mucha energía, ya que se deben romper todos los enlaces de hidrógeno. El agua realiza una función de termorregulación (refrigerante) que permite disminuir la temperatura corporal mediante la sudoración, ya que el agua se evapora en la superficie corporal.
Elevada fuerza de adhesión-cohesión y elevada tensión superficial: Las moléculas de agua están cohesionadas gracias a la atracción de los enlaces de hidrógeno y oponen resistencia a romperse. Esto permite al agua llevar a cabo funciones estructurales, como el desplazamiento de algunos organismos a través de ella, y es responsable del fenómeno de la capilaridad, fundamental para la vida de las plantas terrestres y para el mantenimiento de la vida.
Baja densidad en estado sólido: El agua alcanza su máxima densidad a los 4°C, lo que hace que el hielo sea menos denso que el agua líquida y flote sobre ella. De esta forma, cumple una función de supervivencia acuática en las zonas frías, al impedir la solidificación completa del agua y permitir la vida en este medio.

Ósmosis

La ósmosis es un proceso donde el disolvente (agua) pasa de una disolución más diluida (hipotónica) a una más concentrada (hipertónica), buscando igualar las concentraciones.

Cuando el medio externo de la célula tiene mayor concentración de solutos que el medio interno (medio hipertónico), disminuye el volumen de la célula, ya que el agua sale de la célula hacia el exterior, arrugándose y pudiendo provocar la muerte celular por deshidratación. En células vegetales (y bacterias), debido a la pared celular rígida, parte de la membrana plasmática queda adherida a la pared, fenómeno conocido como plasmólisis.
Cuando el medio externo de una célula tiene menor concentración de solutos que el medio interno (medio hipotónico), aumenta el volumen de la célula porque el agua entra a la célula desde el exterior, provocando la muerte celular al estallar por exceso de agua. En organismos con pared celular, este fenómeno es la turgencia, y la pared impide que la célula estalle. En células animales, es posible que estallen (fenómeno de lisis celular). En el caso de los eritrocitos o glóbulos rojos, este fenómeno se denomina hemólisis.
En un medio isotónico (igual concentración en el medio externo e interno), no hay cambio de volumen celular porque no hay intercambio neto de agua entre la célula y el medio.

Glúcidos: Clasificación y Propiedades

Clasificación según su complejidad

Monosacáridos (osas): Glúcidos sencillos (de 3 a 7 átomos de carbono).
Ósidos: Glúcidos más complejos formados por la unión de dos o más monosacáridos mediante enlaces O-glucosídicos.
- Holósidos: Formados exclusivamente por monosacáridos.
- Heterósidos: Formados por la unión de monosacáridos y moléculas no glucídicas, como las glucoproteínas o glucolípidos.
Oligosacáridos: Formados por la unión de entre 2 y 10 monosacáridos, destacando los disacáridos.
Polisacáridos: Formados por más de 10 monosacáridos del mismo tipo (homopolisacáridos) o de diferentes tipos (heteropolisacáridos).

Definición de Monosacáridos

Glúcidos sencillos, no hidrolizables, de 3 a 7 carbonos, que constituyen las unidades estructurales de los hidratos de carbono más complejos.

Clasificación de Monosacáridos

Según su número de átomos de carbono: Triosas, Tetrosas, Pentosas, Hexosas y Heptosas.
Según el tipo de grupo carbonilo: Aldosas (si su grupo carbonilo es un aldehído) o Cetosas (si su grupo carbonilo es una cetona).

Propiedades y Características de los Monosacáridos

Son sólidos, cristalinos, no hidrolizables, de color blanco o incoloro, solubles en agua y de sabor dulce.
Poseen poder reductor: en disoluciones acuosas, el grupo carbonilo tiende a oxidarse, formando un ácido (-COOH).
Presentan isomería de función, ya que algunos tienen idéntica fórmula molecular pero diferente grupo funcional.
Presentan isomería óptica, ya que la presencia de un carbono asimétrico les confiere actividad óptica: capacidad de desviar el plano de luz polarizada hacia la derecha (isómero dextrógiro) o hacia la izquierda (isómero levógiro).
Presentan isomería espacial, ya que la molécula posee uno o más carbonos asimétricos. La posición del grupo -OH del carbono asimétrico más alejado del grupo carbonilo permite diferenciar entre la forma D o L. Se consideran epímeros a aquellos isómeros que se diferencian en la posición del -OH de un único carbono asimétrico (ej: D-glucosa y D-galactosa son epímeros).

Lípidos: Diversidad y Funciones Biológicas

Propiedades Físicas de los Ácidos Grasos

Anfipáticos: Poseen una zona polar (grupo carboxilo) y una cadena carbonada de carácter hidrófobo.
Solubilidad: Debido a su carácter anfipático, en medio acuoso adoptan estructuras como micelas monocapa, micelas bicapa o liposomas.
Punto de fusión: Por lo general es bajo, aumenta con la longitud de la cadena y disminuye por la presencia de dobles enlaces que originan ‘codos’ en la estructura.
Empaquetamiento: Las colas carbonadas se mantienen unidas por fuerzas de Van der Waals.

Propiedades de los Triacilglicéridos

A partir de ellos se obtienen jabones mediante hidrólisis alcalina (con hidróxido de sodio o potasio) de sus enlaces ésteres.
Las grasas son apolares e insolubles en agua. Se distinguen: grasas vegetales (aceites), compuestas por ácidos grasos insaturados y líquidas a temperatura ambiente; y grasas animales, compuestas por ácidos grasos saturados y sólidas a temperatura ambiente.

Funciones de los Triacilglicéridos

Fuente de reserva energética en animales y vegetales gracias a su catabolismo.
Aislamiento térmico, flotabilidad, protección y amortiguación mecánica en animales.

Otro lípido con función de protección y revestimiento son las ceras, ésteres de un ácido graso de cadena larga y un monoalcohol de cadena larga. Recubren e impermeabilizan piel, pelo, plumas y estructuras en las plantas.

Proteínas: Estructura y Funciones Vitales

Enlace Peptídico

El enlace peptídico se forma entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino de otro aminoácido, con la pérdida de una molécula de agua. Se caracteriza por ser covalente, tener carácter parcial de doble enlace y presentar una estructura coplanaria. (La liberación de H₂O se produce por la pérdida de un -OH del grupo carboxilo y la pérdida de un -H del grupo amino).

Niveles Estructurales de las Proteínas

Primaria: Es la secuencia lineal y ordenada de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos.
Secundaria: La estructura primaria se pliega en el espacio, estableciendo enlaces de hidrógeno.

Características de las proteínas fibrosas: Existen dos tipos principales de estructura secundaria:

Conformación en alfa-hélice (α-hélice): La cadena polipeptídica se enrolla en forma de hélice gracias a los enlaces de hidrógeno entre aminoácidos no consecutivos, de manera que las cadenas laterales de los aminoácidos quedan hacia afuera.
Conformación beta (β-plegada): Fragmentos de la misma cadena polipeptídica o de distintas cadenas se disponen en paralelo en forma de línea quebrada o zigzag. Las cadenas polipeptídicas se unen por enlaces de hidrógeno.

Terciaria: La estructura secundaria sufre plegamientos en el espacio, producidos entre las cadenas laterales. Es característica de cada proteína y suelen presentarla las proteínas globulares. Se establecen enlaces de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas, puentes disulfuro y fuerzas de Van der Waals entre los radicales de la propia cadena polipeptídica.
Cuaternaria: Es la unión de dos o más cadenas polipeptídicas con estructura terciaria (se establecen los mismos tipos de enlaces que en la estructura terciaria).

Propiedades y Características de las Proteínas

Desnaturalización: Es la pérdida de la estructura secundaria, terciaria y cuaternaria debido a la rotura de las interacciones que las mantienen unidas. Puede producirse por un cambio de pH o de temperatura y, como consecuencia, la proteína pierde su funcionalidad al perder su estructura nativa. En algunos casos, puede recuperarse mediante la renaturalización.
Especificidad: Las proteínas son específicas debido a que cada aminoácido ocupa una posición concreta en la secuencia lineal de la proteína, lo que condiciona la estructura terciaria y cuaternaria, y con ello la función que desempeñe (ej: función enzimática).
Solubilidad: Las proteínas ricas en aminoácidos con radicales polares son más solubles, ya que establecen enlaces de hidrógeno con moléculas de agua. Las proteínas pequeñas y globulares son más solubles que las grandes.
Capacidad amortiguadora: Tienen un comportamiento anfótero, lo que les permite amortiguar las variaciones de pH en el medio.

Funciones de las Proteínas

Enzimática: Es la función principal de las proteínas, llevada a cabo por las enzimas.
Estructural: Especialmente las fibrosas, proporcionan fuerza, protección y soporte mecánico a las estructuras biológicas.
Defensa inmunitaria: Los anticuerpos (inmunoglobulinas) son proteínas encargadas de la defensa inmunológica, reconociendo específicamente a los antígenos.
Reguladora y hormonal: Algunas proteínas, como las hormonas, son responsables de la integración y coordinación de procesos bioquímicos.
Transporte: Sirven de ejemplo las lipoproteínas del plasma sanguíneo, que transportan lípidos.
Homeostática: Mantienen constantes los valores de determinadas variables del medio interno, como la salinidad, la acidez o la concentración de glucosa.
Movimiento y contractilidad: Permiten al organismo desplazarse o cambiar de forma.
Nutrición y reserva: Permiten almacenar determinados compuestos químicos para utilizarlos como elementos nutritivos o en la formación del embrión.
Reconocimiento de señales: En la superficie exterior de las membranas celulares, hay numerosas proteínas encargadas de reconocer las señales químicas.

Enzimas: Catalizadores Biológicos

Las enzimas son proteínas con función catalítica:

Aumentan la velocidad de las reacciones bioquímicas mediante la disminución de la energía de activación.
Se liberan y recuperan al final de la reacción sin alterar las variables termodinámicas de estado como la entalpía o la energía libre de Gibbs.

Clasificación de Enzimas

Hidrolasas: Catalizan la hidrólisis (rotura de enlaces con intervención de agua).
Liasas: Catalizan la rotura de enlaces sin intervención de agua.
Transferasas: Catalizan la transferencia de radicales o grupos funcionales.
Isomerasas: Catalizan reacciones de isomerización.
Oxidorreductasas: Catalizan reacciones de oxidación-reducción.
Sintetasas o Ligasas: Catalizan la formación de enlaces entre dos moléculas con hidrólisis de ATP.

Catabolismo: Obtención de Energía

¿Qué es el Catabolismo?

Es el proceso por el cual el cuerpo rompe moléculas grandes (como azúcares, grasas o proteínas) en otras más pequeñas, con dos finalidades principales:

Obtener energía (ATP).
Conseguir moléculas simples como CO₂, H₂O o NH₃ que se eliminan.

Es un proceso de oxidación, ya que se pierden electrones y se libera energía.

Fases del Catabolismo

Digestión (fuera de la célula): Los nutrientes se transforman en moléculas más simples (glucosa, ácidos grasos, aminoácidos).
Conversión a compuestos intermedios (dentro de la célula): Se forman moléculas como el piruvato y el acetil-CoA, que son claves en el metabolismo.
Oxidación completa (en la mitocondria): Mediante el Ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones, se genera una gran cantidad de energía (ATP).

Catabolismo de la Glucosa: Glucólisis y Respiración Celular

Glucólisis: Ocurre en el citoplasma. La glucosa se convierte en 2 moléculas de piruvato, 2 ATP y 2 NADH.
Descarboxilación del piruvato: Ocurre en la mitocondria. El piruvato se convierte en acetil-CoA y CO₂.
Ciclo de Krebs: Ocurre en la mitocondria. El acetil-CoA se oxida, produciendo CO₂, NADH, FADH₂ y ATP.
Cadena respiratoria: Ocurre en la mitocondria. Utiliza oxígeno para producir una gran cantidad de ATP y H₂O.

El rendimiento energético total puede ser de hasta 38 ATP por molécula de glucosa.

Catabolismo sin oxígeno: Fermentación

Si no hay oxígeno, se produce la fermentación. En este proceso, solo se realiza la glucólisis.

El piruvato se convierte en:

Ácido láctico (en animales y algunas bacterias).
Etanol + CO₂ (en levaduras).

Solo se obtienen 2 ATP, lo que lo hace un proceso mucho menos eficiente.

Catabolismo de Lípidos y Proteínas

Lípidos: Se rompen en ácidos grasos, que se oxidan en la mitocondria, generando una gran cantidad de ATP.
Proteínas: Se rompen en aminoácidos. El grupo amino (NH₂) se elimina, formando urea o amoniaco. El resto de la molécula entra al Ciclo de Krebs, produciendo energía.

Fotosíntesis: La Conversión de Energía Solar

La fotosíntesis es el proceso por el cual las plantas, algas y algunas bacterias convierten la luz solar en energía química. Utilizan CO₂ + H₂O + luz solar para producir glucosa y oxígeno. Es un proceso de reducción y síntesis de materia orgánica.

Fases de la Fotosíntesis

Fase luminosa (en los tilacoides del cloroplasto):
- Necesita luz solar.
- La luz excita los electrones de la clorofila.
- Se rompe el agua (fotólisis), liberando O₂.
- Se forma ATP y NADPH (moléculas con energía).
Fase oscura o Ciclo de Calvin (en el estroma del cloroplasto):
- No necesita luz directamente, pero utiliza el ATP y NADPH formados en la fase luminosa.
- Se fija el CO₂ del aire.
- Se forma glucosa y otros compuestos orgánicos.

Ecuación general de la Fotosíntesis:

6 CO₂ + 6 H₂O + luz → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.

Biotecnología: Innovación con Organismos Vivos

La biotecnología es el uso de organismos vivos, células o sus componentes para obtener productos útiles o mejorar procesos. Se aplica en diversos campos como la salud, la industria, el medio ambiente y la agricultura.

Microorganismos en Biotecnología

Son esenciales porque:

Crecen rápidamente.
Se cultivan con facilidad.
Su ADN se puede modificar.
Producen gran cantidad de sustancias útiles.

Los más utilizados son:

Bacterias: como E. coli o Bacillus.
Levaduras: como Saccharomyces cerevisiae.
Mohos: como Penicillium.

Ingeniería Genética

Es una rama de la biotecnología moderna que modifica el ADN de un organismo para que adquiera nuevas capacidades o produzca sustancias específicas.

Pasos básicos del ADN recombinante:

Aislamiento del gen deseado.
Inserción del gen en un vector (como un plásmido bacteriano).
Transformación: Introducir el vector en una célula huésped (generalmente bacterias).
Expresión y selección: Se eligen las células que producen la sustancia deseada (una proteína, por ejemplo).

De esta forma, se producen medicamentos, enzimas y vacunas, entre otros.

Aplicaciones de la Biotecnología

Aplicación en la industria alimentaria:

Se utilizan microorganismos como levaduras y bacterias lácticas para:

Fermentar alimentos: pan, yogur, queso, vino, cerveza.
Mejorar la textura, sabor y conservación.

También se emplean enzimas producidas por microorganismos:

Amilasas: para obtener azúcares a partir del almidón.
Proteasas: para ablandar carnes o clarificar zumos.

Los microorganismos pueden modificarse genéticamente para producir más rápido, ser más eficientes o generar productos nuevos.

Aplicación en la industria farmacéutica:

Se utilizan bacterias y hongos para producir medicamentos:

Antibióticos como la penicilina (Penicillium).
Insulina humana recombinante, fabricada por bacterias modificadas (como E. coli).
Vacunas recombinantes más seguras y específicas.

También contribuyen en técnicas de diagnóstico:

Reacción en cadena de la polimerasa (PCR).
Producción de antígenos y anticuerpos.

Algunos microorganismos se modifican para sintetizar hormonas humanas o factores de coagulación.

Aplicación mediante la ingeniería genética:

Se modifica el ADN de microorganismos para que produzcan sustancias útiles (proteínas humanas, medicamentos, enzimas, etc.).

Implica aislar el gen de interés, insertarlo en un vector (como un plásmido), introducirlo en una bacteria u otro organismo (transformación), y seleccionar y cultivar el organismo que produce lo deseado.

También se aplican técnicas avanzadas como CRISPR, que permite editar genes de forma precisa.

Gracias a esto, se crean OGM (Organismos Genéticamente Modificados), tanto en microorganismos como en plantas y animales.

Aplicación en el medio ambiente:

Biorremediación: Uso de bacterias y hongos para eliminar contaminantes como derrames de petróleo, pesticidas, metales pesados, plásticos, etc.
Tratamiento de aguas residuales: Microorganismos que descomponen materia orgánica y purifican el agua.
Producción de biocombustibles: Microalgas y bacterias que producen bioetanol, biogás o biodiésel a partir de residuos orgánicos.

También se emplean en la detección de contaminantes y en la recuperación de suelos degradados.

Vacunación: Inmunidad Preventiva

Se introduce una vacuna (microorganismos muertos, atenuados o partes de ellos) en un organismo sano. Esto activa el sistema inmune, que produce anticuerpos y células de memoria que actuarán si aparece el patógeno real.

Características de la Vacunación

Tipo de inmunidad:
- Adquirida: No se tiene al nacer, se obtiene a lo largo de la vida.
- Artificial: Se consigue mediante intervención humana (la vacuna).
- Activa: El propio organismo produce los anticuerpos como respuesta a la vacuna.
Duración: Es duradera, ya que deja memoria inmunológica.
Efecto: Tarda días en actuar, pero genera protección a largo plazo.
Finalidad: Preventiva, protege antes de que ocurra la infección.

Sueroterapia: Inmunidad Terapéutica

Se administra un suero con anticuerpos ya formados a un organismo que ya está enfermo, para ayudarle a combatir el patógeno rápidamente.

Características de la Sueroterapia

Tipo de inmunidad:
- Adquirida: Se obtiene tras el nacimiento.
- Artificial: Se aplica de forma médica.
- Pasiva: Los anticuerpos se introducen desde fuera; el sujeto no los fabrica.
Duración: Es de efecto inmediato, pero temporal (no deja memoria inmunológica).
Efecto: Actúa rápidamente, pero su efecto desaparece en poco tiempo.
Finalidad: Curativa, actúa durante la infección para detenerla.