DISPERSIONES ACUOSAS Fisicoquímica de las dispersiones acuosas. Difusión, ósmosis y diálisis.

Transcripción

1 DISPERSIONES ACUOSAS Fisicoquímica de las dispersiones acuosas. Difusión, ósmosis y diálisis. Introducción. Propiedades de las disoluciones verdaderas, ósmosis, estabilidad del grado de acidez o ph, disoluciones o disoluciones amortiguadoras. Osmosis y presión osmótica. Mantenimiento de concentraciones osmóticas adecuadas. Diálisis y difusión. Propiedades de las dispersiones coloidales, formas sol y gel. Separación por diálisis Introducción: Disoluciones y dispersiones coloidales Los líquidos que están presentes en el interior del organismo constituyen el medio interno son de gran importancia porque en ellos tienen lugar las reacciones características de los procesos vitales. Estos líquidos son dispersiones o mezclas homogéneas de moléculas distintas. En ellas se diferencian dos partes: Fase dispersante o disolvente que es el componente que se encuentra en mayor cantidad, suele ser el agua (dispersiones acuosas). Fase dispersa o soluto es el componente que se encuentra en menor cantidad, pueden ser moléculas de diferentes tamaños, con distintos pesos moleculares. Las dispersiones se clasifican según el tamaño del soluto en dos tipos: 1. Dispersiones moleculares o disoluciones verdaderas: Cuando las moléculas de la fase dispersa tienen diámetros inferiores a 5 nm (tb 107 cm), son de pequeño peso molecular como sales, compuestos orgánicos sencillos como aminoácidos, monosacáridos etc. Son transparentes y no sedimentan. 2 Dispersiones coloidales o coloides: Cuando las moléculas de la fase dispersa tienen un diámetro que oscila entre 5 y 200 nm (1 y 100 nm), tienen pesos moleculares elevados como por ejemplo proteínas, ácidos nucléicos y polisacáridos. Son transparentes aunque al trasluz presentan turbidez y reflejan y refractan la luz que incide sobre ellas. Los coloides son mezclas que se encuentran en un punto límite entre la disolución y la mezcla grosera y no pueden atravesar las membranas semipermeables. Propiedades de las disoluciones verdaderas, ósmosis, estabilidad del grado de acidez o ph, disoluciones o disoluciones amortiguadoras. 1 Difusión Proceso por el cual moléculas de gas o líquido tienden a repartirse homogéneamente en otro fluido, al ponerlos en contacto. Por ejemplo la entrada de oxígeno en el agua y la de vapor de agua que humedece el aire. Puede ocurrir también a través de las membranas plasmáticas, permitiendo, por ejemplo, el intercambio de gases entre el exterior y el interior de una célula.

2 2 Osmosis y presión osmótica. Mantenimiento de concentraciones osmóticas adecuadas. Diálisis y difusión. O 54 En las células vivas, las membranas se pueden comportar como semipermeables (dejan pasar el agua, pero no el soluto), separando dos disoluciones o medios: el extracelular y el intracelular. Se llama osmosis al paso exclusivamente del disolvente (agua en la materia viva) a través de membranas semipermeables entre dos disoluciones de distinta concentración, desde la solución más diluida hacia la más concentrada, hasta igualar las concentraciones. Conforme una pierde agua, aumenta su concentración. Conforme la otra gana agua disminuye su concentración, hasta que se igualan. La ósmosis tiene gran importancia en la absorción de grandes cantidades de agua por las raíces y el paso a través de las membranas celulares. Las soluciones separadas por una membrana semipermeable se llaman isotónicas, si tienen la misma concentración. Hipertónica, a la de mayor concentración con respecto a la otra. Hipotónica, a la de menor concentración con respecto a la otra. Para evitar ese paso de agua habría que aplicar una presión llamada PRESIÓN OSMÓTICA, tanto más intensa cuanto mayor es la diferencia de concentraciones. Ósmosis Hay que tener en cuenta que son conceptos relativos, Un caldo puede ser hipertónico en relación al agua pura pero hipotónico en relación al agua del mar. En realidad, el agua puede atravesar la membrana libremente, en las dos direcciones, y de hecho así lo hace, pero la cantidad que circula en ambos sentidos es distinta: pasa más agua de la disolución más diluida a la más concentrada, que la que circula en sentido contrario.

3 FENÓMENOS OSMÓTICOS Según el medio en el que las células estén situadas se dan tres situaciones: a isotónico ESTADO NATURAL b hipotónico TURGENCIA c hipertónico PLASMOLISIS a)medio isotónico: no hay fenómenos osmóticos, sino de simple difusión ya que la P os = 0. b) Hipotónico: si el medio es menos concentrado, el agua penetra en la célula y la célula se hincha (TURGENCIA), pudiendo estallar (en el caso de células vegetales la pared de celulosa lo impediría), c) Hipertónico: Si el medio exterior a la célula es más concentrado, el agua sale de la célula hacia el exterior. Se da pérdida de agua y deshidratación (PLASMOLISIS). Hay que mantener una concentración dentro de la célula igual a la de fuera para que no haya entrada ni salida de agua, que provoquen los fenómenos osmóticos peligrosos. Las sales minerales participan en este equilibrio. Hay que tener en cuenta que en las células la concentración interna está determinada, no sólo por las sales, sino también por las macromoléculas orgánicas en disolución. En el caso de los eritrocitos, la turgencia produce hemólisis o destrucción de la célula. Al margen de lo apuntado, las células tienen en sus membranas sistemas de transporte para que los solutos (sales, alimentos etc.) puedan atravesarla.

4 3 Estabilidad del grado de acidez o ph disoluciones o disoluciones amortiguadoras. Los líquidos biológicos intracelulares y extracelulares mantienen constante el ph. El ph debe mantenerse más o menos constante y próximo a la neutraliad (en la materia viva es ligeramente alcalino en sangre 7,4). Esto es crucial con dos objetivos fundamentalmente: a)preservar la estabilidad del estado coloidal propio de la materia viva pues muchas biomoléculas no podrían funcionar. b)permitir la correcta actividad de las enzimas, pues un cambio de ph inadecuado produce graves trastornos. Sin embargo, en el metabolismo se producen continuamente sustancias que alteran ese ph y, para neutralizar esas oscilaciones, los seres vivos han desarrollado a lo largo de la evolución los llamados sistemas tampón, buffer o AMORTIGUADORES, unas sales minerales disueltas cuya finalidad es mantener el ph constante. Repaso: DISOCIACIÓN DEL AGUA Y CONCEPTO DE ph El ph mide o es indicador de la acidez o basicidad de una disolución y viene determinado por la concentración de H + en la misma. En el agua líquida, además de las moléculas de agua (aisladas o agrupadas), existe una cierta proporción de moléculas disociadas en sus iones: H 2 O H + + OH En realidad, en el agua no existen protones (H + ) libres o aislados, sino hidratados, en forma de iones hidronio (H 3 O + ), aunque por conveniencia se utilice el símbolo H + para abreviar. Es decir, sería más correcto escribir: 2 H 2 O H 3 O + + OH Se mide en una escala que va de 1 a 14: ph = 7 neutralidad: [H + ] = [OH ] ph > 7 basicidad: baja [H + ] ph < 7 acidez: alta [H + ] Las DISOLUCIONES AMORTIGUADORAS O SISTEMAS TAMPÓN están compuestas por un ácido débil y su base conjugada como el tampón fosfato y el tampón bicarbonato. Actúan aceptando o dando H+ para compensar el exceso o el déficit. El sistema tampón bicarbonato está formado por el ácido carbónico H 2 CO 3 y por el ión monohidrógeno carbonato HCO 3 (la base conjugada) en equilibrio. H 2 CO 3 H + + HCO 3 Si en la célula aumenta la acidez la reacción se desplaza a la izquierda. Si disminuye la acidez se desplaza a la derecha, amortiguando las variaciones de acidez, Estos iones son capaces de capturar el excedente de protones (H + ) cuando el ph es ácido en la disolución. Además son capaces de soltar protones a la disolución cuando el ph es básico. El ión CO 3 2 captura el excedente de protones de una disolución y se transforma en HCO 3. Incluso, puede adquirir más protones, formándose H 2 CO 3. Cuando el ph se hace más básico el ión HCO 3 suelta los protones al medio, con lo que vuelve a transformarse en CO 3 2.

5 El sistema tampón fosfato interno celular. HPO 4 2 / H 2 PO 4 realiza la misma función en el medio HPO H+ H 2 PO 4 Mantiene el ph intracelular en 7,2 Cuando tomamos bicarbonato sódico HNaCO 3 aplicando este fenómeno. a)el H 2 CO 3 es capaz de disociarse con facilidad, dando H + : H 2 CO 3 H + + HCO 3 para la acidez de estómago, estamos b)el HNaCO 3 (en solución en la materia viva aparece ionizado) es capaz de aceptar H + : HNaCO 3 + HOH H 2 CO 3 + NaOH Hay acidez por aumento de la [H + ] y los H + excedentes son neutralizados por el ión bicarbonato HCO 3 para formar H 2 CO 3. Este ácido es muy inestable y enseguida se disocia dando H 2 O y CO 2 (sustancias que no modifican el ph y causa eruptos). Algunas proteínas también actúan como amortiguadores dentro y fuera de la célula. Propiedades de las dispersiones coloidales, formas sol y gel. Separación por diálisis La importancia de las disoluciones coloidales se debe al hecho de que el 90% de la materia viva se encuentra en estado coloidal (macromolecular), siendo el agua el medio en que están dispersas las partículas de tamaño coloidal (macromoléculas). 1 Las dispersiones coloidales pueden presentarse en dos estados físicos: SOL cuando tienen aspecto fluido. Son coloides diluidos (plasma sanguíneo) GEL cuando tienen aspecto semisólido o gelatinoso (masa cerebral, tegumentos). El paso de sol a gel siempre es posible. Ocurre por la simple adición de electrolitos, por aumento de la temperatura, por pérdida de agua o por un brusco cambio de ph. En este caso, las partículas tienden a coalescer, es decir, a formar (agregados). Si la variación de estos factores ambientales sobrepasa ciertos límites se produce un fenómeno de coagulación, que ya es irreversible; en este caso se habla de desnaturalización del coloide (caso de gelificación extrema). b)que un gel pase a sol, no siempre es posible y se da por la pérdida de electrolitos, por descenso de la temperatura o por adición de agua. El citosol de la periferia de la célula presenta forma de gel. Para emitir prolongaciones (pseudópodos), suele pasar a estado de sol, para el movimiento ameboide y la fagocitosis.. El interior está en forma de sol. Esta particularidad es de gran valor biológico para que los líquidos orgánicos puedan adquirir determinadas cualidades en cuanto a viscosidad, elasticidad, resistencia, etc.

6 2 Propiedad de absorción (diálisis): En el caso de la diálisis, la membrana semipermeable puede ser atravesada por el agua y también por moléculas de soluto de baja masa molecular a favor de gradiente, es decir, desde donde hay más concentración de ellas a donde hay menor. De esta manera se puede lograr la separación por diálisis que consiste en la separación de moléculas, según su tamaño, a través de una membrana semipermeable cuyo tamaño de poro permite sólo el paso de pequeñas moléculas y, con ello, la separación de las macromoléculas. La membrana celular actúa así selectivamente al impedir la salida de las partículas coloidales más grandes (proteínas, polisacáridos, enzimas, etc.) y permitir, sin embargo, el intercambio de sales y solutos de pequeño tamaño. Este fenómeno tiene una aplicación importante en enfermos con insuficiencia renal para eliminar las moléculas tóxicas de la sangre que el riñón no elimina, como la urea. Es la HEMODIÁLISIS, que permite separar la urea (molécula pequeña que hay que eliminar de la sangre), sin alterar la concentración de las grandes proteínas de la sangre que no conviene perder. Mira el proceso en la pág. 55 del libro. Complemento Propiedad de adsorción o atracción que tiene la superficie de un sólido por moléculas de líquido o gas. debido a ello se une ES y AgAc. Efecto de Tyndall Los coloides son transparentes aunque al trasluz presentan turbidez y reflejan y refractan la luz que incide sobre ellas. (efecto Tyndall). A mediados del siglo XIX, el ingles John Tyndall demostró que la dispersión de la luz en la atmósfera era causada por las partículas en suspensión en el aire. Este efecto lo utilizamos para diferenciar, una disolución o solución verdadera de una dispersión coloidal. Si cuando un rayo de luz que atraviesa un líquido con partículas en suspensión invisibles al ojo, es dispersado, estamos en presencia de un coloide. Si el rayo de luz no experimenta ninguna dispersión, el líquido es una disolución o una solución verdadera. Ejemplos de coloides: Vino, Sidra, Cerveza, Licores, Jugos de frutas Ejemplo de soluciones verdaderas: Vinagre

7 Propiedad cinética (Movimiento Browniano): Partículas están en movimiento constante en forma desordenada, en zigzag constante.descubierta por Robert Brown al observar que los granos de polen suspendidos en el agua tienen ese movimiento, deduce se mueven al ser bombardeadas por partículas del medio. Las partículas del coloide no sedimentan pero precipitan por ultracentrifugación. Las partículas coloidales muestran una elevada capacidad de adsorción, favoreciendo la atracción entre moléculas que han de reaccionar en los procesos celulares (ejemplo: unión enzimasustrato). Las moléculas coloidales, por otro lado, se mueven continuamente, impulsadas por el movimiento browniano del agua. Este movimiento aumenta la probabilidad de encuentro entre las moléculas reaccionantes. Según el estado de la fase dispersa, existen 2 tipos de dispersiones coloidales: 1 Suspensiones: Cuando las partículas de la fase dispersa son sólidas. 2 Emulsiones: Cuando las partículas de la fase dispersa son líquidas. Según la afinidad entre el agua (f. dispersante) y las partículas de la fase dispersa se diferencian dos tipos de dispersiones coloidales: