Moléculas, Dieta, Transporte y Salud

Un glóbulo rojo que sale de tus pulmones transporta oxígeno unido a la hemoglobina, recorre una arteria, se filtra por un capilar más estrecho que él mismo, libera el oxígeno a una célula respiratoria y regresa por una vena. Cada estructura en ese trayecto está construida con las moléculas que introduce esta unidad, y cada pregunta de examen sobre el tema te pide relacionar estructura con función.

WBI11 Moléculas, Dieta, Transporte y Salud es la primera unidad IAS: un examen escrito de 1 hora 30 minutos, 80 puntos, todo obligatorio. Evalúa el Tema 1 (Moléculas, Transporte y Salud) y el Tema 2 (Membranas, Proteínas, ADN y Expresión Génica). Se esperan preguntas con datos de estudios de salud, cálculos con notación científica y respuestas extendidas que nombran estructuras y explican mecanismos.

El agua actúa como medio de transporte porque es un disolvente polar. En una molécula de agua, el oxígeno atrae los electrones compartidos con mayor fuerza que el hidrógeno: cada enlace O–H presenta un extremo ligeramente negativo en el O y un extremo ligeramente positivo en el H. Esta es la naturaleza de dipolo del agua. Las cargas opuestas entre moléculas vecinas forman enlaces de hidrógeno, y las partículas polares o cargadas (glucosa, iones de sodio, aminoácidos) se disuelven porque el agua forma capas alrededor de ellas.

Los carbohidratos se unen y descomponen mediante dos reacciones:

• Condensación: elimina una molécula de agua al formarse un enlace glucosídico entre dos azúcares.
• Hidrólisis: añade agua para romper dicho enlace.

Dos moléculas de glucosa condensan para formar maltosa; glucosa más fructosa dan sacarosa; glucosa más galactosa dan lactosa. Las cadenas largas forman polisacáridos: amilosa (enlazada 1,4, enrollada en hélice, compacta), amiloppectina y glucógeno (ambas cadenas 1,4 con ramificaciones 1,6; el glucógeno es el almacenamiento animal en hígado y músculo). La ramificación significa muchos extremos de cadena, por lo que la glucosa puede liberarse rápidamente; la hélice significa que gran cantidad de energía cabe en un espacio pequeño.

Práctica Central 1: estimación de concentración de azúcar y almidón

Los azúcares reductores reducen el reactivo azul de Benedict al calentar, formando un precipitado color ladrillo. Para estimar una concentración desconocida, compara el color con estándares de concentración conocida o mide la solución con un colorímetro.

Ejercicio resuelto. Estándares de 0, 0.5, 1, 2 y 4 % de glucosa producen absorbancias de 0.02, 0.09, 0.18, 0.35 y 0.64. Una muestra desconocida da 0.58. En la sección lineal, cada incremento de 1 % aumenta aproximadamente 0.16 en la absorbancia, por lo que la muestra está cerca de $0.58/0.16 \approx 3.6\%$. Leer más allá de los estándares (extrapolando más allá de 4 %) es menos fiable que medir dentro de ellos —un punto que los examinadores valoran que menciones. El yodo se torna azul-negro con el almidón; la intensidad del azul-negro permite obtener una estimación similar para el almidón.

Un triglicérido consta de una glicerina más tres ácidos grasos, unidos mediante tres reacciones de condensación que forman enlaces éster. Los ácidos grasos saturados no tienen dobles enlaces C=C: sus cadenas rectas se empaquetan densamente, por lo que las grasas animales son sólidas a temperatura ambiente. Los ácidos insaturados poseen uno o más dobles enlaces que curvan la cadena, el empaquetamiento es más laxo y los aceites son líquidos. Los lípidos almacenan más energía por gramo que los carbohidratos porque están más reducidos químicamente.

La difusión solo abastece células situadas a unos décimos de milímetro de espesor. Un organismo grande necesita transporte masivo: una bomba y conductos que lleven el suministro y eliminen los desechos de cada célula. Los tres tipos de vasos corresponden a tres funciones:

El corazón mamífero es dos bombas en un solo órgano. El lado derecho envía sangre a los pulmones; el izquierdo, con la pared ventricular más gruesa, envía sangre al cuerpo. Las aurículas reciben; los ventrículos expulsan. Las arterias coronarias alimentan al propio músculo cardíaco —un bloqueo allí causa un infarto.

Ciclo cardíaco

Un latido tiene tres fases. La sístole auricular exprime la última sangre hacia los ventrículos. La sístole ventricular eleva la presión ventricular por encima de la arterial, se abren las válvulas semilunares y la sangre es expulsada. La diástole relaja el músculo, la presión cae, las válvulas semilunares se cierran de golpe (el segundo sonido cardíaco) y las cámaras se rellenan desde las venas.

Lea la figura como lo haría un examinador: el estado de la válvula se decide por la diferencia de presión, nunca por una instrucción. Las válvulas auriculoventriculares se abren cuando la presión auricular supera a la ventricular; las válvulas semilunares se abren cuando la presión ventricular supera a la aórtica.

La hemoglobina es una proteína de cuatro cadenas polipeptídicas, cada una enrollada alrededor de un grupo hemo que porta un ion Fe²⁺ capaz de unir una molécula de O₂ —cuatro en total. Unir el primer oxígeno cambia la forma de toda la molécula y facilita las uniones posteriores: la unión cooperativa da a la curva de disociación del oxígeno su forma de S poco pronunciada y luego empinada.

En los pulmones (alta pO₂) la curva se aplana cerca del 100 % de saturación. En tejidos en reposo cerca de 1–2 kPa la curva es empinada, por lo que una pequeña caída en pO₂ libera una gran cantidad de oxígeno —exactamente donde se necesita. Cuando el tejido respira intensamente libera más dióxido de carbono; los hidrógenos se unen a la hemoglobina y desplazan toda la curva hacia la derecha (el efecto Bohr), forzando aún más oxígeno a descargarse en el tejido más activo.

Comprobación resuelta. A pO₂ 2 kPa la curva normal muestra aproximadamente 30 % de saturación y la desplazada aproximadamente 15 % —la hemoglobina retiene solo alrededor de un tercio de su oxígeno a esa presión parcial, por lo que la mayoría de sus cuatro sitios se liberan al tejido pronto.

La aterosclerosis comienza con daño en el endotelio que recubre una arteria. La respuesta inflamatoria crece, las lipoproteínas de baja densidad invaden, el músculo liso y el tejido conectivo forman una placa, la arteria se estrecha y endurece, y finalmente puede bloquearla un coágulo o desprenderse.

La coagulación misma es una cascada. El daño libera tromboplastina, que (con iones de calcio) convierte la proteína plasmática soluble protrombina en la enzima trombina; la trombina convierte el fibrinógeno soluble en la malla insoluble de fibrina que atrapa plaquetas y células.

La presión arterial se informa como sistólica sobre diastólica. La hipertensión, el tabaquismo, los altos niveles de colesterol LDL en sangre, la dieta, la inactividad, la edad, el género y la genética son factores de riesgo —y se multiplican, no se suman: dos riesgos moderados pueden importar más que uno grave.

Lectura de datos de riesgo para la salud

Las preguntas 8 y 9 de cada examen tienen lugar aquí. Cuatro hábitos cubren casi todos los puntos:

• La correlación no implica causalidad. Dos variables que se mueven juntas pueden compartir una causa oculta, o el enlace puede ser casual.
• Juegue el estudio: ¿Qué tan grande era la muestra? ¿Cómo fue seleccionada? ¿Qué se controló? ¿Fue ciego? ¿Hay confusores como la edad o el tabaquismo?
• Haga las matemáticas cuidadosamente: cambio porcentual, proporciones en notación estándar, tasas per cápita.
• Pregunte quién o qué falta: no respondientes, estudios no publicados, líneas extrapoladas.

Ejercicio resuelto. Un estudio encuentra que la enfermedad periodontal se correlaciona con el daño endotelial. Antes de afirmar que uno causa el otro, necesitaría un mecanismo, un patrón de dosis-respuesta y confusores (dieta, tabaquismo, edad) excluidos —y la pregunta "¿estuvieron los grupos emparejados según la presión arterial?" es exactamente una pregunta sobre confusores.

El equilibrio energético determina la masa corporal. El sobrepeso y la obesidad se evalúan mediante el IMC (masa en kg dividida por la altura en metros al cuadrado; 18.5–24.9 es el rango saludable) y la relación cintura-cadera (RCC). La grasa saturada dietética eleva el colesterol LDL sanguíneo; las grasas insaturadas y la fibra soluble lo reducen.

Ejercicio resuelto. Una mujer de masa 74 kg y altura 1.66 m: IMC $= 74 / 1.66^2 = 74/2.76 = 26.8$ — justo dentro del rango de sobrepeso. Cintura de 84 cm y caderas de 98 cm dan una RCC de $= 84/98 = 0.86$.

Todos los tratamientos conllevan riesgos junto con beneficios:

• Antihipertensivos (betabloqueantes, inhibidores de la ECA, diuréticos) reducen la presión arterial.
• Estatinas (por ejemplo, simvastatina) bloquean una enzima hepática en la síntesis de colesterol, por lo que las células captan LDL de la sangre.
• Anticoagulantes (warfarina) y fármacos antiagregantes (aspirina) reducen la coagulación, aumentando así el riesgo de sangrado.

Una pregunta que pide "discutir" requiere presentar ambos lados más un juicio fundamentado en los datos proporcionados.

Toda superficie de intercambio es una membrana que realiza un comercio controlado. El modelo de mosaico fluido es la imagen aceptada: una bicapa fosfolipídica (fluida porque las colas pueden deslizarse), salpicada de proteínas intrínsecas que atraviesan la bicapa (canales, transportadores), proteínas extrínsecas, colesterol que regula la fluidez, y glicoproteínas y glicolípidos para el reconocimiento.

Cuatro rutas de transporte:

• Difusión — movimiento neto a favor del gradiente de concentración, sin ATP.
• Difusión facilitada — a favor del gradiente a través de un canal o proteína transportadora.
• Transporte activo — en contra del gradiente, impulsado por ATP, a través de proteínas transportadoras que cambian de forma.
• Ósmosis — paso de agua de mayor a menor potencial hídrico a través de una membrana semipermeable. La endocitosis y exocitosis mueven material a granel en vesículas.

Para la difusión, la ley de Fick: la velocidad es proporcional a (área superficial × diferencia de concentración) ÷ distancia de difusión. Las superficies de intercambio de gases cumplen los tres factores: gran área, gradiente mantenido y pared de uno o dos espesores celulares. Por eso los alvéolos, capilares y branquias de peces tienen esa apariencia.

Un aminoácido posee un grupo amino, un grupo carboxilo, un hidrógeno y un grupo R sobre un carbono central; dos se unen mediante un enlace peptídico en una reacción de condensación. La estructura primaria es la secuencia; enlaces de hidrógeno la enrollan en la secundaria; más enlaces de hidrógeno, iónicos y disulfuro pliegan la terciaria; cadenas separadas se ensamblan en la cuaternaria —la hemoglobina es el ejemplo clásico—.

Una enzima es una proteína cuyo sitio activo se adapta a la forma de un sustrato específico. La unión no es rígida: el modelo de ajuste inducido implica que tanto la molécula como el sitio se flexionan hasta ser complementarios. Esto explica por qué la temperatura y el pH alteran la velocidad —actúan sobre la estructura terciaria— y por qué el sitio activo es específico.

Inhibidores competitivos se unen al sitio activo y son superados a medida que aumenta la concentración de sustrato; inhibidores no competitivos se unen en otro lugar y distorsionan el sitio, por lo que la velocidad disminuye independientemente de la concentración.

Comprobación resuelta. La pregunta ⟨10⟩ se cita en ⟨2.4⟩: entre ⟨10⟩ °C y ⟨20⟩ °C la velocidad es ⟨2.4⟩ veces más rápida; entre ⟨45⟩ °C y ⟨55⟩ °C el mismo factor indica que la enzima desnaturalizada colapsa a una tasa creciente. La pregunta ⟨10⟩ solo describe; no explica.

Un mononucleótido consiste en una pentosa (desoxirribosa o ribosa), un fosfato y una base nitrogenada. La condensación entre el fosfato y el azúcar de los vecinos forma una cadena mantenida por enlaces fosfodiéster. El ADN tiene dos cadenas antiparalelas: A se empareja con T (dos puentes de hidrógeno), G con C (tres), enrolladas en una doble hélice.

La replicación es semiconservativa: la helicasa desenrolla las dos cadenas, cada una sirve como plantilla, y la ADN polimerasa une nucleótidos libres en dirección 5' a 3'. Meselson y Stahl cultivaron bacterias primero en nitrógeno pesado ⟨¹⁵⟩N y luego en nitrógeno ligero ⟨¹⁴⟩N; tras una generación toda el ADN tuvo densidad intermedia, y tras dos generaciones la mitad era ligera —exactamente lo que predice la replicación semiconservativa y prohíbe las alternativas.

Un gen es una secuencia de bases que codifica para una secuencia de aminoácidos. El código es un código triplete: tres bases por aminoácido. Es no solapado (se lee en grupos sucesivos), degenerado (la mayoría de aminoácidos tienen varios codones, por lo que algunas mutaciones son silenciosas) y contiene codones de inicio y fin.

Comprobación resuelta. Un gen de ⟨300⟩ pares de bases que codifica una proteína de ⟨99⟩ aminoácidos más un codón de parada: ⟨$99 \times 3 + 3 = 300$⟩. ✓

Transcripción: la ARN polimerasa se une al gen, usa una cadena como plantilla y construye ARNm. Traducción: en el citoplasma, un ribosoma lee los codones del ARNm, y las moléculas de ARNt cuyos anticodones se aparean con esos codones entregan aminoácidos en orden; los enlaces peptídicos los unen.

Mutaciones surgen por errores de replicación. Una sustitución intercambia una base: cambia un aminoácido o nada cambia (degeneración). Una inserción o eliminación añade o elimina una base y desplaza todos los marcos de lectura posteriores —un cambio de marco—, usualmente destruyendo la proteína.

La fibrosis quística es el modelo del curso: la eliminación de tres bases quita una fenilalanina de la proteína CFTR, por lo que falla el transporte de cloro, el moco permanece espeso y las vías aéreas se obstruyen. El alelo es recesivo: los portadores sanos. Tamizaje genético puede identificar portadores, evaluar embriones (diagnóstico genético preimplantacional) o fetos (amniocentesis, muestreo de vellosidades coriónicas). Las preguntas sobre tamizaje siempre implican ética: quién se prueba, quién recibe información y qué sucede con un resultado positivo.

1. Explique por qué la amilopectina libera glucosa más rápido que la amilosa, haciendo referencia a enlaces y extremos de cadena.
2. Calcule el IMC de un hombre de ⟨91⟩ kg y ⟨1.83⟩ m de altura y clasifíquelo.
3. Durante la sístole ventricular, ¿qué válvulas están abiertas y cuáles cerradas, y por qué?
4. La saturación de oxígeno a 4 kPa cae de aproximadamente 60 % a aproximadamente 34 % cuando aumenta CO₂. Explique la causa molecular.
5. Describa la cascada de coagulación en orden, desde el daño endotelial hasta el fibrino.
6. Un estudio informa que las personas que consumen más yogur tienen menos infartos. Enumere tres verificaciones antes de aceptar una afirmación causal.
7. Explique por qué un inhibidor competitivo reduce la velocidad a baja concentración de sustrato pero no a muy alta concentración.
8. Meselson y Stahl descartaron la replicación conservadora. ¿Qué observación, tras una generación, fue decisiva?
9. Una mutación de cambio de marco suele ser peor que una sustitución. Explique por qué usando las palabras triplete y degenerado.
10. Nombra dos beneficios y dos riesgos del cribado genético para portadores de fibrosis quística.

Respuestas: 1 muchos 1,6 puntos de ramificación dan muchos extremos de cadena para que las enzimas ataquen simultáneamente; 2 $91/1.83^2 = 27.2$, sobrepeso; 3 válvula auriculoventricular cerrada, semilunar abierta, porque la presión ventricular supera la aorta pero no la presión auricular superior; 4 los hidrógenos procedentes de CO₂ se unen a la hemoglobina, cambiando su forma y reduciendo su afinidad por el oxígeno (efecto Bohr); 5 el daño expone el colágeno, las plaquetas y las células dañadas liberan tromboplastina, tromboplastina + Ca²⁺ convierte la protrombina en trombina, la trombina convierte el fibrinógeno en fibrina, la malla de fibrina atrapa células; 6 tamaño de la muestra y selección, factores de confusión como edad/ejercicio/dieta, comparación ciego, mecanismo o respuesta dosis-respuesta; 7 el inhibidor compite por el sitio activo, por lo que a concentraciones muy altas de sustrato casi cada colisión con el sitio es con el sustrato; 8 tras una ronda todo el ADN formaba una sola banda intermedia —lo conservativo predice una banda pesada y una ligera; 9 un cambio de marco altera todos los tripletes posteriores a la mutación, por lo que toda la proteína desde ese punto tiene una secuencia de aminoácidos diferente, mientras que la degeneración permite que muchas sustituciones no cambien nada; 10 beneficios —planificación familiar informada, tratamiento o cambio de estilo de vida anticipado; riesgos —ansiedad, discriminación por aseguradoras o empleadores, falsos positivos o negativos.