1.2. PROPIEDADES FÍSICO QUÍMICAS Y FUNCIONES BIOLÓGICAS DEL AGUA

Transcripción

1 1. EL AGUA Es el componente mayoritario de todos los seres vivos, representando por término medio un 70% de su peso total. Está en continua renovación. El contenido en agua varía según el tipo de organismo, la edad y la actividad fisiológica del tejido (hígado 70%, neuronas 86%, huesos 25%) ESTRUCTURA MOLECULAR DEL AGUA La molécula de agua está formada por 2 átomos de hidrógeno cada uno de los cuales está unido a un átomo de oxígeno mediante enlaces covalentes simples. El átomo de oxígeno es muy electronegativo por lo que atrae hacia sí los electrones que comparte con el hidrógeno quedando con una densidad de carga negativa y generando una densidad de carga positiva en los hidrógenos. Por esto decimos que la molécula de agua es bipolar, porque presenta dos extremos con cargas opuestas, aunque no debemos olvidar que en conjunto la molécula de agua es eléctricamente neutra. La polaridad es la causa de que entre una molécula de agua y las moléculas de agua que la rodean surjan fuerzas de atracción electrostáticas que las mantienen unidas mediante enlaces llamados puentes de hidrógeno, que son enlaces frágiles (20 veces más débiles que el covalente) que se forman, se rompen y se vuelven a formar continuamente, y son responsables en gran parte del comportamiento del agua y de sus propiedades físico-químicas. Cada molécula de agua puede formar hasta cuatro puentes de hidrógeno con las moléculas de agua vecinas, que en el caso del hielo son permanentes PROPIEDADES FÍSICO QUÍMICAS Y FUNCIONES BIOLÓGICAS DEL AGUA a) Elevada cohesión entre sus moléculas. Los puentes de hidrógeno (aunque débiles) en conjunto mantienen a las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. La elevada cohesión permite al agua tener una FUNCIÓN ESTRUCTURAL: da volumen a las células y turgencia a las plantas, actúa como esqueleto hidrostático en algunos animales invertebrados (gusanos perforadores de rocas), permite deformaciones en el citoplasma celular; función mecánica amortiguadora en las articulaciones de vertebrados al actuar como lubricante que evita el rozamiento. b) Elevada fuerza de adhesión. Esta fuerza está en relación con los puentes de hidrógeno que establece el agua con otras moléculas polares. La adhesión y la cohesión son las responsables del fenómeno de CAPILARIDAD que permite en las plantas el transporte de nutrientes disueltos en contra de la gravedad (ascensión de la savia bruta por el interior de los vasos leñosos). Las moléculas de agua se adhieren a las paredes de las células, lo que ayuda a contrarrestar la gravedad. (*) Capilaridad: ascensión en contra de la gravedad de las moléculas de agua que se adhieren a las paredes de conductos de pequeño diámetro.

2 c) Elevada TENSIÓN SUPERFICIAL, es decir que la superficie del agua es difícil de romper por la elevada cohesión entre las moléculas de agua superficiales entre sí y con las que están abajo mediante puentes de hidrógeno. Esta propiedad permite el desplazamiento de algunos organismos, como insectos, sobre la superficie de medios acuáticos. d) Menor densidad del agua en estado sólido que en estado líquido, por lo que el hielo flota en el agua. Esto es debido a que en estado sólido el agua presenta todos sus posibles enlaces por puentes de hidrógeno, cuatro por cada molécula, formando una red espacial que ocupa mayor volumen. Esta propiedad permite la vida acuática en climas fríos ya que la capa de hielo superficial hace posible la presencia de agua líquida debajo. e) Elevado CALOR ESPECÍFICO. Para aumentar la temperatura del agua 1 C hay que suministrar mucha energía para romper los puentes de hidrógeno intermoleculares, por lo que el agua puede absorber mucho calor con cambios muy pequeños de su propia temperatura. El agua actuaría como un resumidero térmico amortiguando las variaciones de temperatura, y evitaría así los cambios bruscos de ésta. Por este motivo las zonas cercanas al mar suelen tener temperaturas más moderadas que las del interior. Internamente al organismo vivo el agua actúa también como un amortiguador térmico por el mismo motivo así como por tener un elevado calor de vaporización. f) Elevado CALOR DE EVAPORACIÓN, por lo que absorbe más calor al evaporarse que cualquier otro líquido. Esta propiedad también está relacionada con la rotura de los puentes de hidrógeno. Cuando se evapora el agua absorbe grandes cantidades de calor. Esto sirve para que la superficie del cuerpo se deshaga del calor en exceso durante el cambio del agua líquida en vapor. Sería el caso de la sudoración o del jadeo que brindan estabilidad térmica interna al organismo. Este mecanismo de eliminación del calor deja de funcionar cuando el aire está muy saturado de vapor de agua (humedad relativa alta), de forma que la presión de vapor impide la evaporación lo cual explicaría el malestar que se siente los días calurosos y tiempo húmedo. g) Elevado calor latente de fusión. Para pasar de estado líquido a sólido el agua emite grandes cantidades de calor y viceversa el hielo absorbe grandes cantidades de calor al fundirse. Esto hace que el agua se resista a los cambios de temperatura en torno al punto de congelación.

3 Estas tres propiedades (elevado calor específico y elevado calor latente de vaporación y latente de fusión) hacen que el agua tenga FUNCIÓN TERMORREGULADORA: regula la temperatura evitando cambios bruscos tanto externa como internamente. h) Elevado PODER DISOLVENTE. El agua tiene una enorme capacidad disolvente, es el disolvente polar universal debido al carácter bipolar de su molécula. -Las sales minerales y otros compuestos iónicos se disuelven con facilidad ya que los dipolos del agua atraen con fuerza los iones de las sales y los rodean de manera que cada ión queda rodeado de una nube de moléculas de agua que lo aísla del de signo contrario (solvatación). -Otras sustancias no iónicas pero polares como los azúcares, alcoholes, aldehídos, ácidos... se disuelven bien dando verdaderas disoluciones, porque el agua establece puentes de hidrógeno con los grupos polares (hidroxilo, carbonilo, carboxilo). -Sin embargo los compuestos anfipáticos, que poseen a su vez grupos hidrófilos e hidrófobos, no se disuelven en agua (ej. fosfolípidos) y no forman verdaderas disoluciones sino que dan dispersiones coloidales tipo micelas, en las que los grupos polares están en contacto con el agua. -Las moléculas no polares (acilglicéridos) o las macromoléculas (proteínas, polisacáridos...) pueden ser insolubles (hidrofóbicas), pero algunas de estas macromoléculas también pueden forman dispersiones coloidales (glucógeno, almidón, proteínas globulares.) Debido a su gran capacidad disolvente el agua desempeña 2 importantes funciones en los seres vivos: -FUNCIÓN DE TRANSPORTE DE SUSTANCIAS, de manera que es el vehículo de transporte de nutrientes en el interior de los seres vivos y permite también la eliminación de desechos al medio externo. -FUNCIÓN BIOQUÍMICA: el agua es el medio donde tienen lugar la mayoría de reacciones químicas y además interviene como reactivo en muchas de ellas, por ejemplo en las reacciones de hidrólisis. h) Otra propiedad del agua es su bajo grado de ionización. En el agua líquida existe una pequeñísima cantidad de moléculas ionizadas en protones hidratados (H 3 O + ) e iones hidroxilo (OH - ). Ver fotocopia (concepto de ph). 2. LAS DISPERSIONES 2.1. TIPOS DE DISPERSIONES

4 El estudio de las disoluciones es fundamental para comprender la mayoría de los procesos biológicos que ocurren en el interior de los seres vivos. Los fluidos de los seres vivos son dispersiones, es decir mezclas que forma el agua, que es la fase dispersante, con las diversas moléculas de soluto, que son la fase dispersa. Según el tamaño de las partículas del soluto, encontramos dos tipos de dispersiones: a) Disoluciones verdaderas, que son mezclas homogéneas donde las partículas de soluto son muy pequeñas (diámetro inferior a 10-7cm), como ocurre con los iones y pequeñas moléculas polares como azúcares y aminoácidos. b) Coloides o dispersiones coloidales, que son mezclas heterogéneas del agua con partículas de tamaño superior. Son ejemplos de dispersiones coloidales las que forman el agua y grandes moléculas como polisacáridos, proteínas, lípidos o ácidos nucleicos. A pesar del gran tamaño de algunas de estas moléculas las dispersiones coloidales son suspensiones estables en las que las partículas tampoco sedimentan. Los agregados moleculares que forman las dispersiones coloidales reciben el nombre de micelas (ver fotocopia). Una micela es un agregado de moléculas anfipáticas en agua con las porciones apolares en el interior y las porciones polares en la superficie exterior expuestas al agua. Las dispersiones coloidales tienen la capacidad de presentarse en dos estados físicos: - en forma de sol cuando hay pocas moléculas de soluto y tiene aspecto líquido - en forma de gel con aspecto semisólido o gelatinoso, cuando las moléculas de soluto se encuentran enlazadas formando una red continua donde están atrapadas las moléculas de disolvente que no pueden circular. En las células se puede pasar de un estado al otro al variar las condiciones de temperatura, ph, presión o concentración, aunque este proceso no es siempre reversible. La transformación de sol en gel y viceversa permite la emisión de pseudópodos y, por tanto, el movimiento ameboide y la fagocitosis PROPIEDADES DE LAS DISPERSIONES: DIFUSIÓN, ÓSMOSIS, DIÁLISIS DIFUSIÓN La difusión es el movimiento de moléculas de CUALQUIER SUSTANCIA desde las zonas donde está más concentrada a donde está menos concentrada, es decir a favor de su propio gradiente de concentración, hasta igualarse las concentraciones. Este proceso se debe a que las partículas de los líquidos (tanto las del disolvente como las del soluto) y los gases están moviéndose constantemente en todas direcciones.

5 La velocidad de difusión depende del tamaño de la molécula y la temperatura. En el proceso de difusión, cada molécula individual se mueve en línea recta hasta que choca con algo (otra molécula, pared del recipiente) y luego rebota y sigue otra dirección. El período de difusión durante un largo período de tiempo da como resultado una distribución regular de las moléculas por el espacio disponible. ÓSMOSIS La ósmosis es el paso de AGUA a través de una membrana semipermeable* que separa dos disoluciones de distinta concentración de un soluto, desde la disolución diluida a la más concentrada hasta igualarse las concentraciones. (*) Membranas semipermeables: aquellas que dejan pasar agua y de forma selectiva iones y moléculas pequeñas pero no moléculas grandes. Según qué moléculas deje pasar podemos distinguir: membranas que solo dejan pasar moléculas de agua y gases (ejemplo las de acetato de celulosa que se utilizan en osmosis inversa); membranas de permeabilidad selectiva que además de dejar pasar el agua pueden atravesarla algunos iones y moléculas pequeñas por difusión facilitada (ejemplo de estas son las bicapas lipídicas de las membranas celulares); membranas de diálisis que dejan pasar agua, todo tipo de iones, y moléculas pequeñas ( estas son membranas como las utilizadas en hemodiálisis, los endotelios o la nefrona ). Las membranas celulares son membranas semipermeables y el agua las atraviesa para entrar o salir de la célula, lo que va a depender de la diferencia de concentración entre los líquidos extracelular e intracelular, determinada por la presencia de sales minerales y moléculas orgánicas disueltas. Los medios acuosos separados por membranas semipermeables pueden tener diferentes concentraciones y se denominan:

6 - Hipertónicos a los que tienen una elevada concentración de solutos con respecto a otros cuya concentración es inferior. - Hipotónicos a los que contienen una baja concentración de solutos con respecto a otros que la tienen superior. Las moléculas de agua difunden desde los medios hipotónicos hacia los hipertónicos hasta igualarse las concentraciones, y entonces los medios serán isotónicos. Si el medio externo celular es isotónico respecto al medio interno celular, es decir tiene la misma concentración, la célula no se deforma. En un medio externo hipertónico (más concentrado) las células no se encuentran bien ya que: - las células animales pierden agua y se arrugan, encogen; - las células vegetales sufren plasmólisis, es decir disminuyen de volumen y su membrana plasmática se separa de la pared celular. En un medio externo hipotónico (menos concentrado), el agua entrará haciendo que la célula se hinche lo que provoca: - un aumento de volumen en las células animales, que pueden llegar a estallar; - que la células vegetales se pongan turgentes (muy firmes) porque la pared celular es elástica e impide el hinchamiento excesivo; la turgencia es el estado saludable de la mayoría

7 de las células vegetales y responsable en parte de sostener la planta. Una flor se marchita cuando le falta agua. DIÁLISIS La diálisis es el paso de un SOLUTO a través de una membrana semipermeable que deja pasar agua y sustancias pequeñas pero impide el paso de partículas grandes como macromoléculas o partículas coloidales. Este paso es a favor de gradiente de concentración del soluto. Una aplicación clínica de la diálisis es la hemodiálisis que es la separación de la urea, de baja masa molecular, de la sangre de individuos con deficiencia renal sin alterar la alta concentración de proteínas sanguíneas, que tienen una masa molecular elevada.

8 3. SALES MINERALES Las sales minerales pueden encontrarse disueltas o estado sólido, es decir precipitadas. 3.1 LAS SALES PRECIPITADAS se encuentran en estado sólido. Tienen principalmente una FUNCIÓN ESTRUCTURAL, es decir forman parte de estructuras de protección o sostén en los seres vivos. Son principalmente el carbonato cálcico CO 3 Ca que forma los huesos, dientes y caparazones; el fosfato cálcico Ca 3 (PO 4 ) 2 de huesos y dientes; y la sílice SiO 2 que endurece las hojas de las gramíneas y forma el esqueleto de algunos protozoos. 3.2 LAS SALES MINERALES DISUELTAS se encuentran ionizadas, y son realmente los iones los que desempeñan un importante papel en los seres vivos. Los principales iones son: o Cationes: Na +, K +. Ca 2+, Mg 2+ o Aniones: cloruro Cl-, fosfatos PO 3-4, carbonatos CO 2-3, bicarbonatos HCO - 3, sulfatos 2- - SO 4 y nitratos NO 3 Entre las funciones de las sales minerales disueltas cabe destacar las siguientes: Regulan el paso de agua a través de las membranas, es decir regulan los fenómenos osmóticos y el volumen celular siendo responsables de la plasmólisis y la turgencia celular. Muchos cationes desarrollan acciones específicas como Na + y K + que regulan la actividad del corazón, Na +, K + y Cl - que intervienen en la transmisión del impulso nervioso, o el calcio que interviene en la contracción muscular (Ca 2+ ). Algunos iones se asocian a moléculas orgánicas como hemoglobina (Fe 2+ ), clorofila (Mg 2+ ), ácidos nucleicos (fosfato), etc. Algunas sales minerales disueltas ayudan a mantener constante el ph del medio interno lo cual es imprescindible para la vida. Estas disoluciones reciben el nombre de disoluciones amortiguadoras o tampones.

9 4. SISTEMAS AMORTIGUADORES O TAMPONES Los organismos vivos sólo soportan pequeñísimas variaciones de ph inferiores a unas décimas de unidad ya que las variaciones de ph afectan a la estabilidad de las proteínas y a la actividad enzimática por lo que provocaría graves trastornos e incluso la muerte. Por ello a lo largo de la evolución se han desarrollado mecanismos que mantienen constante el ph del medio interno y que se denominan sistemas amortiguadores o tampones (buffer). Los sistemas tampón o amortiguadores de ph son disoluciones de sales que tienden a impedir la variación de ph del medio interno cuando se añaden cantidades moderadas de iones hidroxilo (OH - ) o de protones (H + ), y consisten en ácido débil y su correspondiente base conjugada que actúan como dador y aceptor de protones. Los sistemas tampón biológicos más importantes son el tampón fosfato H 2 PO 4 - /HPO 4 2- en el medio intracelular (ph 7,2) y el tampón bicarbonato HCO 3 - /H 2 CO 3 en el medio extracelular. Tampón fosfato, que mantiene constante el ph interno celular en 7,2. H+ H+ H+ PO 4 3- HPO 4 2- H 2 PO 4 - H 3 PO 4 Cuando en el interior celular se produce un aumento en la concentración de protones, el equilibrio se desplaza hacia la derecha y muchos de estos protones son retirados y el ph no varía mucho. Si, por el contrario, se produce una disminución de protones o una adición de base, el equilibrio se desplaza en sentido contrario liberándose protones al interior celular. Tampón bicarbonato, que mantiene el ph de los líquidos extracelulares como la sangre en valores próximos a 7 4. CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 - El ácido carbónico H 2 CO 3 es muy inestable y se descompone rápidamente en CO 2 y H 2 O. Ante una acidosis en sangre (exceso de H + ), el HCO 3 - se une al exceso de protones dando ácido carbónico que se descompone en dióxido de carbono y agua. Si, por el contrario, disminuye la concentración de protones, el equilibrio se desplaza hacia la derecha.

10 5. GASES IMPORTANTES PARA LA VIDA El oxígeno (O 2 ) interviene en la respiración aerobia, tanto en las bacterias aeróbicas como en las mitocondrias de las células animales y vegetales. El dióxido de carbono (CO 2 ) desprendido en la respiración aerobia es captado del medio por las algas y las plantas al realizar la fotosíntesis en sus cloroplastos. Para los temas siguientes necesitas repasar un poco sobre los enlaces que pueden formar el C, H, O, N y S y los nombres de los grupos funcionales carboxilo, hidroxilo, amino, aldehído y cetona.