Manual Exhaustivo de Biología General

UNIDAD 1: Una Visión de la Vida y Temas Básicos de la Biología

La biología se fundamenta en tres temas básicos que rigen la comprensión de los organismos vivos:

Evolución: Es el proceso mediante el cual un organismo cambia a través de variaciones genéticas a lo largo del tiempo.
Transferencia o flujo de energía: Prácticamente todos los procesos biológicos requieren energía para llevarse a cabo. La mayoría de la energía utilizada en la biosfera proviene originalmente del sol.
Transferencia o flujo de información: La supervivencia y la evolución de las especies dependen intrínsecamente de la transferencia de información genética y química.

Características de la Vida

Los seres vivos presentan una serie de propiedades distintivas:

Composición celular: Todos los seres vivos están compuestos de células.
Crecimiento y desarrollo: Los organismos aumentan su biomasa y atraviesan cambios estructurales.
Reproducción: Capacidad de producir descendencia.
Metabolismo: Conjunto de transformaciones de energía y procesos químicos necesarios para el mantenimiento de la vida.
Respuesta a estímulos: Reacción ante cambios en el entorno.
Evolución y adaptación: Los seres vivos cambian para ajustarse a su ambiente sobre generaciones.

Clasificación y Organización

Organismos unicelulares: Constan de una sola célula que realiza todas las funciones vitales.
Organismos multicelulares: Formados por millones de células que se organizan en estructuras especializadas.
Membrana plasmática: Estructura que separa y protege a la célula del exterior, regulando selectivamente el paso de sustancias.
Homeostasis: Mantenimiento de un ambiente interno adecuado, constante y equilibrado.
Locomoción: Capacidad de desplazarse de un lugar a otro.
Sésiles: Organismos que carecen de la capacidad de moverse de lugar.

Niveles de Organización de la Vida

La vida se organiza jerárquicamente de la siguiente manera: átomo, molécula, macromolécula, organelo, célula, tejido, órgano, sistemas de órganos, organismo, población, comunidad, ecosistema y biosfera.

Dominios de la Vida

Bacteria: Incluye a las bacterias.
Archaea: Incluye a las arqueas.
Eukarya: Se divide en cuatro reinos principales: Protista, Animalia, Plantae y Fungi.

Razonamiento Científico

Razonamiento deductivo: Se utiliza para sacar una conclusión segura a partir de una regla general o premisa universal.
Razonamiento inductivo: Se utiliza para obtener una conclusión probable a partir de ejemplos específicos o casos particulares.

UNIDAD 2: Átomos, Moléculas y el Método Científico

Elementos del Método Científico

Hipótesis: Es una explicación tentativa para un fenómeno observado.
Grupo de control: Grupo que no recibe el tratamiento experimental (o recibe un estándar) y sirve como base de comparación.
Grupo experimental: Grupo que recibe el tratamiento, prueba o condición específica que se desea investigar.

Fundamentos de Química Biológica

Compuestos inorgánicos: Sustancias químicas simples y pequeñas, como el agua, ácidos, bases y sales minerales.
Compuestos orgánicos: Sustancias complejas y de gran tamaño que forman la base de las estructuras biológicas.
Átomo: La unidad más pequeña de un elemento que conserva sus propiedades químicas.
- Masa atómica: Determinada por la suma de protones y neutrones. Se mide en unidades de masa atómica ( $1\,uma$ ).
Isótopo: Átomos que tienen el mismo número de protones y electrones, pero difieren en el número de neutrones.
Molécula: Conjunto de dos o más átomos unidos químicamente (pueden ser del mismo o diferentes elementos).
Compuesto químico: Sustancia formada por átomos de distintos elementos unidos químicamente en proporciones definidas.

Fórmulas Químicas

Existen tres tipos principales de representaciones:

Fórmula simplificada: Indica la mínima proporción de números enteros de átomos presentes en el compuesto.
Fórmula molecular: Indica el número real de cada tipo de átomo presente por molécula.
Fórmula estructural: Muestra no solo el tipo y número de átomos, sino también su disposición espacial y enlaces.

Enlaces Químicos y Electronegatividad

Electronegatividad: Capacidad de un átomo para atraer electrones hacia sí mismo al formar un enlace.
Enlace Covalente: Los átomos comparten electrones. Común entre no metales.
- Covalente No Polar: Los electrones se comparten equitativamente (electronegatividades similares), ej. el oxígeno ( $O_2$ ).
- Covalente Polar: Los electrones se comparten de forma desigual debido a diferencias en electronegatividad, ej. el agua ( $H_2O$ ).
Enlace Iónico: Ocurre por la transferencia de electrones (uno cede y otro recibe), formando iones con cargas opuestas que se atraen. Generalmente entre un metal y un no metal.

UNIDAD 3: Compuestos Orgánicos y el Agua

Propiedades Químicas Adicionales

Enlace de hidrógeno (Puente de hidrógeno): Fuerza de atracción intermolecular débil. Ocurre cuando un átomo de hidrógeno, unido covalentemente a un átomo altamente electronegativo (como nitrógeno, oxígeno o flúor), es atraído por electrones libres de otro átomo electronegativo cercano.
Interacciones de Van der Waals: Fuerzas débiles de atracción o repulsión entre moléculas eléctricamente neutras que no involucran enlaces compartidos o transferidos.
Reacciones Redox: Reacciones donde los electrones viajan de un átomo a otro.
- Oxidación: Un átomo, ion o molécula pierde uno o más electrones (aumenta su carga positiva).
- Reducción: Un átomo, ion o molécula gana uno o más electrones (disminuye su carga positiva).

El Agua como Sustancia Vital

El agua es una molécula polar (distribución desigual de cargas), lo que le permite actuar como un dipolo o "pequeño imán".

Disolvente universal: Capaz de disolver sustancias polares e iónicas al rodear y separar sus componentes.
Cohesión: Atracción entre moléculas de agua, resultando en una alta tensión superficial (permite a insectos caminar sobre ella).
Adhesión: Capacidad de pegarse a otras sustancias polares.
Capilaridad: Tendencia del agua a subir por tubos delgados contra la gravedad, combinando cohesión y adhesión.
Termorregulación: Ayuda a mantener la temperatura de los organismos estable.

Ácidos, Bases y pH

Ácido: Sustancia que se disocia en agua liberando iones de hidrógeno ( $H^+$ ) y aniones; se define como un donador de protones.
Base: Sustancia que libera iones hidróxido ( $OH^-$ ) y cationes, o actúa como aceptor de protones.
pH: Medida que cuantifica la acidez o alcalinidad basándose en la concentración de iones $H^+$ disueltos.
Amortiguador (Búfer): Mezcla química que mantiene el pH casi constante al resistir cambios tras la adición de ácidos o bases fuertes.

Macromoléculas Orgánicas

Isómeros: Compuestos con la misma fórmula molecular pero distinta estructura.
- Estructurales: Diferente arreglo en enlaces covalentes.
- Geométricos: Diferente configuración en el espacio.
- Enantiómeros: Imágenes especulares no superponibles.
Polimerización:
- Monómero: Unidades simples y pequeñas.
- Polímero: Cadena de monómeros (macromolécula).
- Hidrólisis: Rompe polímeros en monómeros consumiendo agua.
- Condensación: Une monómeros para formar polímeros liberando agua.

Carbohidratos ( $CH_2O$ )

Monosacáridos: Azúcares simples ( $3-7$ carbonos), ej. Glucosa.
Disacáridos: Dos monosacáridos unidos por enlace glucosídico.
Polisacáridos: Miles de monómeros. Ejemplos: Almidón (almacén vegetal), Glucógeno (almacén en animales y hongos), Celulosa (estructura pared celular vegetal).

Lípidos

Son insolubles en agua pero solubles en solventes no polares. Unidos por enlaces éster.

Grasas saturadas: Enlaces simples entre carbonos, sólidas a temperatura ambiente.
Grasas insaturadas: Uno o más enlaces dobles entre carbonos, líquidas a temperatura ambiente.
Fosfolípidos: Anfipáticos, con cabeza hidrofílica (glicerol + fosfato) y colas hidrófobas (ácidos grasos).
Carotenoides: Pigmentos fotosintéticos; en animales se convierten en Vitamina A y retinol.
Esteroides: Incluyen hormonas como la testosterona, cortisol y estrógeno.

Proteínas y Ácidos Nucleicos

Proteínas: Formadas por aminoácidos (poseen grupo amino $-NH_2$ y carboxilo $-COOH$ ). Los aminoácidos se unen mediante enlaces peptídicos.
Enzimas: Proteínas que actúan como catalizadores biológicos, acelerando reacciones sin consumirse.
ADN: Contiene información genética e instrucciones para la síntesis proteica.
ARN: Participa en la síntesis de polipéptidos. Los ribosomas son un tipo de ARN que actúa como catalizador.
Bases Nitrogenadas:
- Pirimidinas (un anillo): Citosina (C), Timina (T), Uracilo (U).
- Purinas (doble anillo): Adenina (A), Guanina (G).
Enlace fosfodiéster: Enlace covalente que une los nucleótidos en el esqueleto de ADN/ARN.
ATP (Adenosina de trifosfato): Moneda energética celular compuesta por adenina, ribosa y tres grupos fosfato.

UNIDAD 4: Organización de la Célula

Teoría Celular

La célula es la unidad básica de organización y funcionamiento de todos los seres vivos.
Todas las células proceden de otras células preexistentes.

Tipos de Células

Célula Procariota

Pequeña, sencilla, sin núcleo (ADN en nucleoide) ni orgánulos membranosos. Presente en bacterias y arqueas. Posee:

Pared celular, cápsula (opcional), ribosomas y flagelos.

Célula Eucariota

Grande, compleja, con núcleo rodeado de membrana y orgánulos membranosos.

Núcleo: Controla la síntesis de proteínas vía ARNm y ARNr.
Mitocondrias: Respiración celular y producción de energía.
Ribosomas: Síntesis de proteínas (libres o asociados al RER).
Retículo Endoplasmático (RE): Rugoso (RER) para proteínas y Liso (REL) para lípidos.
Aparato de Golgi: Modifica y empaqueta productos celulares.
Lisosomas (Animal): Digestión intracelular.
Vacuolas: Almacenamiento (gran vacuola central en plantas).
Cloroplastos (Vegetal): Fotosíntesis.
Peroxisomas: Degradación de sustancias tóxicas y ácidos grasos.

Citoesqueleto

Microtúbulos: De tubulinas ( $\alpha$ y $\beta$ ). Transporte de organelos, formación de cilios, flagelos y huso mitótico.
Microfilamentos: De actina. Movimiento y contracción muscular.
Filamentos intermedios: Resistencia mecánica.
Centriolos (Animal): Organizan microtúbulos (9 tripletes). Forman el centrosoma.

UNIDAD 5: Membranas Biológicas y Transporte

Estructura de la Membrana

Es una bicapa lipídica semipermeable o selectivamente permeable. Contiene proteínas (transporte, comunicación) y colesterol (estabilidad en animales).

Tipos de Transporte

Pasivo (Sin ATP, a favor del gradiente):
- Difusión simple: Moléculas pequeñas/liposolubles.
- Difusión facilitada: Vía proteínas canal o transportadoras.
- Ósmosis: Movimiento de agua.
  - Hipotónico: Menos soluto afuera; la célula se hincha.
  - Hipertónico: Más soluto afuera; la célula se encoge.
  - Isotónico: Equilibrio de solutos; sin cambio de tamaño.
Activo (Con ATP, en contra del gradiente):
- Bombas: Ej. Bomba Sodio-Potasio (saca $3\,Na^+$ y mete $2\,K^+$ ).
- Endocitosis: Incorporación de material mediante vesículas.
- Exocitosis: Liberación de material al fusionar vesículas con la membrana.

UNIDAD 7 Y 8: Energía, Metabolismo y Respiración Celular

Termodinámica y Energía

Energía potencial: Almacenada.
Energía cinética/mecánica: En movimiento.
Entropía (S): Medida del desorden.
Leyes de la Termodinámica: 1) La energía no se crea ni destruye. 2) La conversión de energía genera calor/disipa entropía.
Anabolismo: Construye moléculas complejas (usa energía).
Catabolismo: Degrada moléculas (libera energía).
Reacción Exergónica: Libera energía libre ( $G$ disminuye).
Reacción Endergónica: Absorbe energía libre ( $G$ aumenta).

Respiración Aeróbica

Requiere oxígeno para oxidar la glucosa en la mitocondria. Etapas:

Glucólisis (Citosol): Glucosa a 2 piruvatos. Produce ATP y NADH.
Formación Acetil-CoA (Matriz): Piruvato se oxida, libera $CO_2$ y forma NADH.
Ciclo de Krebs (Matriz): Acetato se une al oxalacetato. Se libera $CO_2$ , produce ATP, NADH y $FADH_2$ .
Transporte de Electrones y Quimiosmosis (Membrana interna): Se usa la energía de los electrones para bombear protones. El flujo de protones por la ATP sintasa genera entre $32$ y $38\,ATP$ .

Respiración Anaeróbica: Usa aceptor final distinto al oxígeno (sulfato/nitrato). Produce $20-30\,ATP$ .
Fermentación: Solo glucólisis, sin cadena de electrones, ganancia neta de $2\,ATP$ .

UNIDAD 9: Fotosíntesis

Captura de energía luminosa para convertirla en energía química ( $NADP^+$ es el aceptor de electrones).

Luz y Cloroplastos

Energía del fotón: Inversamente proporcional a la longitud de onda. Ondas cortas = mucha energía.
Clorofila: Pigmento que absorbe luz (anillo porfirina + cadena hidrocarbonada).
Estructura: Estroma (fase oscura), Tilacoide (fase luminosa), Grana (pilas de tilacoides).

Fases de la Fotosíntesis

Fase Luminosa (Tilacoides): Fotólisis del agua, liberación de $O_2$ , producción de ATP y NADPH.
Fase de Fijación de Carbono (Estroma): Uso de ATP y NADPH para transformar $CO_2$ en carbohidratos.

UNIDAD 10: División Celular (Mitosis y Meiosis)

Organización del ADN

El ADN se asocia a proteínas histonas para formar nucleosomas, condensándose en cromatina y finalmente en cromosomas.

El Ciclo Celular

Interfase: G1 (crecimiento), S (duplicación ADN), G2 (preparación final y duplicación de centriolos).
Fase M (Mitosis):
- Profase: Condensación, desaparece núcleo.
- Prometafase: Unión a cinetocoros.
- Metafase: Alineación ecuatorial.
- Anafase: Separación de cromátidas hermanas.
- Telofase: Descondensación y nueva envoltura.
Citocinesis: División del citoplasma. En animales por anillo de actina/miosina; en vegetales por placa celular del Golgi.

Meiosis y Reproducción Sexual

Produce 4 células haploides ( $n$ ) a partir de una diploide ( $2n$ ).

Meiosis I: Separación de cromosomas homólogos. Incluye sinapsis y entrecruzamiento (intercambio genético en los quiasmas) en la Profase I.
Meiosis II: Separación de cromátidas hermanas (similar a la mitosis).
Gametogénesis: Ovogénesis (1 óvulo) y Espermiogénesis (4 espermatozoides).

UNIDAD 11: Principios de Herencia

Fenotipo: Apariencia física.
Genotipo: Composición genética.
Alelos: Variantes de un gen. Pueden ser dominantes o recesivos.
Homocigota: Alelos iguales (Raza pura).
Heterocigota: Alelos distintos (Híbrido).
Principio de Segregación: Los alelos se separan durante la formación de gametos.
Locus (pl. Loci): Ubicación exacta de un gen en el cromosoma.
Cuadro de Punnett: Herramienta para determinar probabilidades genotípicas de la descendencia.