EL AGUA 1.-IMPORTANCIA DEL AGUA PARA LOS SERES VIVOS 2.-CARACTERÍSTICAS DEL AGUA 3.- ESTRUCTURA QUÍMICA DEL AGUA 4.- PROPIEDADES Y FUNCIONES DEL AGUA 5.- LAS DISOLUCIONES Y LAS DISPERSIONES COLOIDALES 6.- PROPIEDADES DE LAS DISOLUCIONES VERDADERAS 7.- PROPIEDADES DE LAS DISPERSIONES LAS SALES MINERALES 8.- INTRODUCCIÓN 9.-FUNCIONES LOS GASES
EL AGUA 1. IMPORTANCIA DEL AGUA PARA LOS SERES VIVOS El agua es el líquido más abundante de la corteza y uno de los pocos líquidos naturales. No es de extrañar entonces que el agua sea una sustancia esencial en los seres vivos. El agua es el componente más abundante en los medios orgánicos, los seres vivos contienen por término medio un 70% de agua. No todos tienen la misma cantidad, los vegetales tienen más agua que los animales y ciertos tejidos (por ejemplo: el tejido graso) contienen menos agua - tiene entre un 10% a un 20% de agua- que otros como, por ejemplo: el nervioso, con un 90% de agua. También varía con la edad, así, los individuos jóvenes tienen más agua que los adultos (la carne de ternera es más tierna que la de vaca). El agua en los seres vivos se encuentra tanto intra como extracelularmente. El agua intracelular, (interior de las células), representa 2/3, aproximadamente del agua que contiene un ser vivo y, el agua extracelular representa el tercio restante. Esta última se encuentra bañando las células o circulando en forma de sangre, linfa, savia, etc. En los seres unicelulares y en los organismos acuáticos el agua es además su medio ambiente. El agua no es un simple medio ni una mera fase inerte, es un líquido muy reaccionable. Interviene en muchas reacciones químicas, bien como reactivo o como producto de la reacción, y resulta imprescindible para la estabilidad de muchas sustancias biológicas, por ejemplo, las proteínas. Por último diremos que la vida se originó hace más de 3500 millones de años en el medio acuático y las condiciones de aquel ambiente primitivo imprimieron un sello permanente en la química de los seres vivos. Todos los seres vivos han sido diseñados alrededor de las propiedades características del agua, tales como su carácter polar, sus enlaces de hidrógeno y sus elevados puntos de fusión, ebullición, calor específico y tensión superficial. 1
2.- CARSCTERÍSTICAS DEL AGUA Masa molecular... 18 da Punto de fusión... 0ºC (a 1 atm) Punto de ebullición... 100oC (a 1 atm) Densidad (a 40C)... 1g/cm3 Densidad (00C)... 0'97g/cm3 3.-ESTRUCTURA QUÍMICA DEL AGUA La molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. En el agua existen también los productos resultantes de la disociación de algunas de sus moléculas: el ión H 3 O + y el OH -. En la molécula de H 2 O los enlaces covalentes entre el oxígeno y los dos átomos de hidrógeno forman un ángulo de 104'5 º. Además, el átomo de oxígeno atrae hacia sí los electrones del enlace covalente. Esto hace que la molécula presente un exceso de carga negativa en las proximidades del átomo de oxígeno y un exceso de carga positiva en los átomos de hidrógeno. Debido a ello el agua se comporta como un dipolo eléctrico. Entre esos dipolos se establecen fuerzas de atracción denominadas puentes o enlaces de hidrógeno entre el átomo de oxígeno de una molécula y los átomos de hidrógeno de las moléculas vecinas, originando polímeros de tres, cuatro y hasta poco más de nueve moléculas. Con esto se logra una masa molecular elevada, y el agua se comporta como un líquido. Los enlaces de hidrógeno se forman y se escinden a gran velocidad, aunque su estabilidad disminuye al elevarse la temperatura. Las agrupaciones, que duran fracciones de segundo, confieren al agua todas sus propiedades de fluido. 2
4.- PROPIEDADES Y FUNCIONES DEL AGUA Debido a los puentes de hidrógeno que mantienen unidas las moléculas de agua, esta presenta una serie de propiedades: * La elevada fuerza de cohesión permite al agua ser un fluido dentro de un amplio margen de temperatura. Es además un líquido incompresible( mantiene su volumen aunque se aplique elevadas presiones), lo que le permite ejercer una función mecánica amortiguadora en las articulaciones de vertebrados, dar volumen a las células, turgencia a las plantas e incluso actuar como esqueleto hidrostático en algunos invertebrados, siendo responsable también de las deformaciones del citoplasma. * Por otro lado la elevada tensión superficial (su superficie opone resistencia a romperse, debido a los puentes de hidrógeno) proporciona una película superficial en la zona de contacto con el aire que actúa como una tensa membrana que posibilita que algunos organismos como los zapateros se desplacen sobre ella. Las moléculas de agua están tan juntas que es incompresible. * La elevada fuerza de adhesión hace que las moléculas de agua presenten gran capacidad de adherirse a las paredes de conductos de pequeño diámetro, ascendiendo en contra de la gravedad. Este fenómeno se conoce con el nombre de capilaridad y es responsable del ascenso de las savia bruta a través de los vasos leñosos de las plantas. Todas estas propiedades son responsables de que el agua desempeñe 3
una función estructural, confiriendo volumen, estructura y resistencia. * El elevado calor específico, definido como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una cierta masa de agua 1º C., hace que el agua almacene o libere una gran cantidad de calor al calentarse o al enfriarse; lo que permite que el agua actúe como amortiguador térmico, evitando bruscas alteraciones de la temperatura y evitando de esta forma que, por ejemplo, algunas moléculas como las proteínas, muy sensibles a los cambios térmicos, se alteren. * El elevado calor de vaporización, ( la cantidad de calor necesario para evaporar un gramo de agua), hace que el agua sea una buena sustancia refrigerante. Es decir al evaporarse en la superficie de un ser vivo absorbe calor del organismo actuando por lo tanto como regulador térmico. En resumen podemos decir que debido al elevado calor específico y calor de vaporización el agua desempeña una función termorreguladora, por lo tanto es el material idóneo para mantener constante la temperatura, absorbiendo el exceso de calor o cediendo energía si es necesario. * Su densidad en estado líquido es mayor que en estado sólido, esto se debe a que en estado sólido los puentes de hidrógeno forman un retículo que ocupa mayor volumen que en estado líquido, disminuyendo la densidad. Esto explica que el hielo flote sobre el agua y forme una capa termoaislante que posibilita la vida bajo el hielo. * Elevada constante dieléctrica: esta propiedad indica la tendencia del agua a oponerse a las atracciones electrostáticas entre iones positivos y negativos, favoreciendo la disolución de las redes cristalinas. Además debido al carácter dipolar, tienden a disminuir las atracciones entre los iones de las sales y otros compuestos iónicos, facilitando su disociación en forma de cationes y aniones, rodeándolos por dipolos de agua que impiden su unión. Este fenómeno se conoce como solvatación iónica. El carácter dipolar del agua y su elevada constante dieléctrica son responsables tal vez de la función más importante para la vida, la función 4
de disolvente. El agua disuelve sustancias covalentes polares como glucosa, alcoholes, aldehídos,.., debido a su capacidad de formar puentes de hidrógeno con algunos grupos de esos compuestos. Algunas moléculas, como las proteínas se disuelven debido a que poseen grupos polares y grupos iónicos, otras como la celulosa, aunque tienen grupos polares no se disuelven debido a su gran tamaño. Se denominan sustancias hidrófilas, aquellas que se disuelven y sustancias hidrófobas ( presentan grupos no polares) las que no se disuelven. Hay moléculas que tienen una parte hidrófila y otra hidrófoba, se denominan sustancias anfipáticas. Por lo tanto el agua es un buen disolvente y esto hace que sea el medio en el que se realicen todas las reacciones biológicas además de ser el medio de transporte de muchas sustancias desde el exterior al interior de los organismos y en el propio organismo. * El agua tiene un bajo grado de ionización. La mayor parte de las moléculas de agua no están disociadas. Sólo un reducido número de moléculas sufre disociación, generando iones positivos (H + ) y negativos (OH - ). En agua pura a 25ºC sólo una molécula de cada 10.000.000 se encuentra ionizada, por lo que la concentración de iones hidrógeno (H+) y de iones hidroxilo (OH-) es de 10-7 moles por litro. Debido a los niveles bajos de estos iones, si se añade al agua un ácido o una base, aunque sea en pequeña cantidad, estos niveles varían bruscamente. En realidad la ecuación de ionización del agua es la siguiente H 2 O + H 2 O <--------------------------> H 3 O + + OH - Las sustancias ácidas al disolverse en agua se disocian y producen iones H+ que aumentan la concentración de iones H 3 O + del medio. Las sustancias básicas se disocian también produciendo iones OH que se unen a los iones H 3 O + formándose dos moléculas de agua, por lo que la concentración de iones H 3 O + del agua disminuye. Esta disociación del agua pura a 25ºC es: Kw = [H 3 O + ] [OH- ] = 10-14 moles/l [H 3 O - ]= [OH- ] = 10-7 moles/l La concentración de iones H 3 O + o H + del agua se puede tomar, por lo tanto, como una medida de su acidez, si es alta, o de su basicidad, si es baja. 5
El ph se define como el logaritmo decimal negativo de la concentración de iones H 3 O + de una disolución. 1 ph= - log (H 3 O + ) = ------------- log( H + ) Por lo tanto en el agua pura si la concentración de protones es de 10-7 moles por litro, el ph = 7.Así que si el ph < 7, la disolución será ácida; si el ph = 7, será neutra; si el ph > 7, será básica. Puede decirse, a modo de ejemplo, que el ph de la sangre es ligeramente básico (ph=7'37) mientras que el del estómago es fuertemente ácido (ph=1). 6
Las variaciones del ph son de gran importancia en muchos procesos biológicos de la célula. Así, por ejemplo, en los procesos de acumulación de energía en el ATP o en la activación de las enzimas de los lisosomas. Esta capacidad de disociación iónica, le permite intervenir en numerosas reacciones químicas, como las reacciones de hidrólisis, así como en la fotosíntesis es la sustancia que repone los electrones que se utilizan en los procesos de síntesis. Podemos decir que lleva a cabo una función química importante en las células. 5.- LAS DISOLUCIONES Y LAS DISPERSIONES COLOIDALES El estudio de las disoluciones es fundamental para comprender la mayor parte de los procesos biológicos que ocurren en el interior de los seres vivos. Podemos encontrar los siguientes tipos de disoluciones acuosas: Disoluciones moleculares o verdaderas: formadas por un disolvente y un soluto constituido por partículas menores de 10nm. Ej. Agua con azúcar. Disoluciones coloidales o dispersiones: formadas por un dispersante y partículas dispersas, cuyo tamaño oscila entre 10nm y 100nm. Por ejemplo agua y proteínas. 7
Dispersiones coloidales hidrófobas: son inestables y están formadas por partículas anfipáticas, que tienden a reunirse entre sí y a formar una fase separada del agua (aceite y agua), a veces estas soluciones pueden hacerse estables gracias a sustancias que impiden la unión entre las partículas dispersas, se forma entonces una emulsión (estable), por ejemplo, las grasas de la leche forman una emulsión gracias a las proteínas. 6.- PROPIEDADES DE LAS DISOLUCIONES VERDADERAS - Difusión: La difusión es un fenómeno pasivo y espontáneo que se produce en cualquier medio donde haya partículas disueltas. Cuando las partículas (moléculas o iones) están en solución en un medio líquido o gaseoso se mueven de acuerdo con la energía cinética que poseen. Los movimientos ocurren al azar. Si existe una zona del sistema donde la concentración del soluto es mayor, entonces es más probable que las partículas se muevan desde esa zona hacia otra, que a la inversa, por el simple hecho de que allí son más. Se registrará entonces un movimiento neto de soluto desde la zona de mayor a la de menor concentración. A ese movimiento se lo denomina difusión. Después de un tiempo, las partículas llegarán a igualar su concentración en todos los puntos del sistema. Se ha alcanzado equilibrio dinámico. 8
La velocidad de difusión es directamente proporcional a la temperatura, a la solubilidad y al gradiente de concentración, y es inversamente proporcional a la distancia a recorrer. Si los solutos son iones, la difusión ya no dependerá solamente del gradiente químico, sino también de la diferencia de carga o gradiente eléctrico. Los aniones se moverán hacia la zona más positiva y los cationes hacia la zona más negativa. Las membranas separan compartimentos que son soluciones acuosas con muchos tipos de iones y moléculas en solución. Los solutos tienden a difundir espontáneamente desde un compartimiento al otro siguiendo sus respectivos gradientes electroquímicos - Ósmosis: Es el fenómeno que se produce cuando dos disoluciones de diferente concentración, separadas por una membrana semipermeable, tienden a igualar su concentración por el paso de agua desde la disolución más diluida hacia la más concentrada. Esto provoca un aumento de presión sobre la cara de la membrana de la disolución más diluida, esta presión se denomina presión osmótica. Cuando se igualan e las concentraciones, entonces, los medios son isotónicos. Cuando tienen diferente concentración la disolución más concentrada se llama hipertónica y la disolución menos concentrada, hipotónica. La membrana plasmática es una membrana semipermeable que, según sea la concentración del medio externo, da lugar a diferentes respuestas en la célula. 9
7.- PROPIEDADES DE LAS DISPERSIONES: La mayor parte de los líquidos de los seres vivos son dispersiones coloidales. Entre sus propiedades destacan: - Capacidad de presentarse en forma de gel. Las dispersiones coloidales se pueden presentar en dos formas o estados: sol y gel. En el estado de sol predomina la fase dispersante, el agua, por ejemplo, sobre la fase dispersa y la solución es más fluida. En estado de gel predomina la fase dispersa, por ejemplo, la proteína y la solución es más viscosa. El paso de un estado a otro es reversible y diversos factores físicos o químicos ( ph, temperatura, )pueden hacer que una solución pase de un estado a otro sin variar la concentración de las partículas dispersas. Esta transformación está relacionada con la polimerización o despolimerización de las proteínas fibrilares. El citosol que hay en la periferia de la célula, el ectoplasma, presenta forma de gel, mientras que el citosol interior, el endoplasma, está en forma de sol. El paso del ectoplasma a forma de sol permite la emisión de prolongaciones (pseudópodos) y, por tanto, el movimiento ameboide y la fagocitosis. Los geles, al retener el agua, permiten mantener húmedas estructuras corporales en el medio aéreo (secreciones mucosas de la piel de los caracoles). - Elevada viscosidad: La viscosidad es la resistencia interna que presenta un líquido al movimiento relativo de sus moléculas. Las dispersiones coloidales son muy viscosas, ya que tienen moléculas muy grandes. - Efecto Tyndall: si se iluminan lateralmente y sobre fondo oscuro, se observa una cierta opalescencia provocada reflexión de los rayos luminosos que son dispersados por las partículas coloidales. 10
- No pueden sedimentar: las dispersiones coloidales son estables en condiciones normales, solamente si se someten a fuerzas centrífugas altas pueden sedimentar sus partículas. - Elevado poder adsorbente: la adsorción es la atracción que ejerce la superficie de un sólido sobre las moléculas de un líquido o de un gas. Esto facilita las reacciones químicas ( enzima-sustrato y antígenoanticuerpo) - Se pueden separar mediante diálisis: es un proceso mediante el cual se separan partículas dispersas según su masa molecular, gracias a una membrana semipermeable que sólo deja pasar agua y moléculas pequeñas, pero no las grandes. Una aplicación clínica muy utilizada en individuos con insuficiencia renal es la hemodiálisis, que permite separar la urea, de baja masa molecular, de la sangre, sin alterar la concentración de las proteínas sanguíneas, que tienen una masa molecular elevada. - Capacidad de respuesta a la electroforesis: es el transporte de las partículas coloidales gracias a la acción de un campo eléctrico a través de un gel. Se utiliza, por ejemplo para separar proteínas que se extraen juntas de un tejido. La velocidad es mayor cuanto más alta sea su carga global y cuanto menor sea su masa molecular. LAS SALES MINERALES 8.- INTRODUCCIÓN: Pueden presentarse en dos formas: - No ionizadas: precipitan formando estructuras duras, como conchas, esqueletos, caparazones,.. - Ionizadas: disueltas en forma de cationes ( Na +, Ca ++, K +, ) o aniones ( Cl -, SO 2-4 3-, PO 4,HCO - 3 ). 9.- FUNCIONES: a) Estructural b) Regulación de la presión osmótica c) Amortiguadores del ph d) Acciones específicas de cationes 11
a) ESTRUCTURAL La llevan a cabo las sales no ionizadas y que se encuentra precipitadas formando parte de materiales de construcción, confiriendo estructura a diversos órganos, ejemplo el CaCO 3 forma parte de las conchas de los moluscos, caparazón de Crustáceos, huesos de vertebrados,..; el CaPO 4 contribuye al endurecimiento de los huesos, los silicatos forman las espículas de las esponjas, estructuras de sostén en vegetales, valvas de diatomeas,.. b) REGULACIÓN DE LA PRESIÓN OSMÓTICA Las membranas biológicas funcionan como si fueran semipermeables, por lo tanto el fenómeno de ósmosis puede provocar intercambios de agua entre el interior y el exterior de la célula. El resultado de dichos intercambios depende de la concentración de la disolución acuosa presente en el medio externo. Las células en estado normal deben estar siempre en un medio isotónico. Qué ocurre si están en un medio hipertónico? que sale agua de la célula hacia el exterior para equiparar las concentraciones, disminuyendo el volumen celular y aumentando la presión osmótica en su interior. En el caso de las células vegetales, las vacuolas se contraen y la membrana plasmática se separa de la pared celular, provocando la rotura de la célula, a este fenómeno 12
se le llama plasmólisis. Pero, qué ocurre si el medio es hipotónico? que el agua entra al interior de la célula, produciendo turgescencia, pues aumenta el volumen celular y disminuye la presión osmótica en el interior. En el caso de las células animales como los glóbulos rojos, se produce el estallido de la misma (hemolisis). a.- Medio isotónico; b.- Medio hipertónico; c.- Medio hipotónico 13
Todos los seres vivos están obligados a una osmorregulación, es decir a regular la presión osmótica de sus células. Así por ejemplo, los organismos unicelulares como las bacterias tienen una pared celular que les protege de los cambios de presión osmótica del medio que las rodea. Los protozoos que viven en agua dulce (hipotónico) evitan el estallido gracias a unas vacuolas contráctiles que continuamente bombean agua hacia el exterior. Las raíces de los vegetales como viven en medios hipotónicos, absorben agua produciendo una turgescencia lo que facilita el crecimiento de las plantas, el exceso de agua es eliminado a través de los estomas. Si el medio fuese hipertónico, se produciría una salida de agua y la planta se marchitaría. Las plantas adaptadas a vivir en medias salinos (hipertónicos), como las plantas halófitas, presentan estrategias para sobrevivir en estas condiciones, algunas absorben sales para mantener en el interior una mayor concentración que en el exterior, otras tienen glándulas secretoras de sales. Los animales como los peces de agua dulce, que viven en un medio hipotónico, absorben mucha agua y eliminan una orina muy diluida. Sus riñones necesitan filtrar mucha agua y retener sales. No necesitan beber. Sin embargo, los peces de agua salada (medio hipertónico), si beben y eliminan el exceso de sal por las branquias. Su orina es hipertónica, ya que deben filtrar poco agua. Los mamíferos mantienen el equilibrio hídrico salino por diferentes mecanismos: - A través de los riñones, los glomérulos filtran y en los túbulos contorneados y Asa de Henle se reabsorbe agua y sales dependiendo de las necesidades del organismo. - A través del intestino grueso se absorbe agua y sales, lo que hace que las heces sean más o menos sólidas y salinas. - A través de la piel, con el sudor se elimina agua y sales minerales. 14
C) AMORTIGUADORES DEL ph (BUFFER O SISTEMAS TAMPÓN) http://www.monografias.com/trabajos14/escalaph/escalaph.shtml Los sistemas tampón se basan en una de las propiedades de los ácidos débiles y es que son ácidos que no se disocian totalmente, de manera que ante un ph determinado, pueden actuar como aceptores o dadores de protones ( H+ ), sin que cambie a penas el ph del medio. Es decir, si el medio es básico liberan H+ y si el medio es ácido captan H+. Un amortiguador es una solución que resiste los cambios de ph cuando se le agregan pequeñas cantidades de ácidos o de base. Las soluciones amortiguadoras se preparan con un ácido o una base débil y una de sus sales. El ph sanguíneo oscila entre 7,4 (sangre arterial) y 7,35 (sangre venosa). Este equilibrio se mantiene gracias a numerosas disoluciones amortiguadoras del ph, entre las que destaca el tampón bicarbonato propio del medio extracelular mientras que el tampón fosfato mantiene el ph en los líquidos intracelulares. El ácido carbónico se disocia de la siguiente manera HCO 3 - + H + <-------------> H 2 CO 3 < <--------------> CO 2 + H 2 O En un medio ácido el equilibrio de la reacción se desplaza hacia la derecha y en un medio básico se desplaza hacia la izquierda. El tampón fosfato se disocia así. H 2 PO 4 - + H + <----------------------> H 3 PO 4 15
Un ejemplo de la actuación de estos tampones se puede observar en las células musculares, las cuales cuando no les llega suficiente oxígeno, deben oxidar la glucosa vía anaerobia, produciendo ácido láctico que se disocia en el ión lactato y H +, esto altera el ph, acidificándolo, entonces el bicarbonato - sódico se disocia NaHCO 3 <-----------------------> HCO 3 + Na +, neutralizando el H + del medio y formando ácido carbónico ( H 2 CO 3 ) y lactato sódico, ambos neutros, evitando de esta manera la variación de ph. D) ACCIONES ESPECÍFICAS DE CATIONES Por ejemplo el Mg ++ actúa como cofactor enzimático, el Na + y el K + son responsables del potencial eléctrico, el Fe 2+ forma parte de la hemoglobina, el Ca 2+ es necesario para la contracción del músculo. Algunos presentan características antagónicas, es decir, mientras ciertos cationes estimulan el funcionamiento de un órgano, otros lo inhiben, por eso variaciones mínimas en el balance iónico pueden tener graves consecuencias, ya que se alteran procesos biológicos. Se puede concluir que cualquier líquido que se ponga en contacto con las células debe ser isotónico, debe tener un ph próximo a la neutralidad y una composición catiónica equilibrada. GASES Determinadas moléculas gaseosas son imprescindibles para el funcionamiento de los seres vivos. Hay que considerar que la mayor parte de la vida se desarrolla en un ambiente aéreo o próximo a él. No se concibe la vida sin la obtención de C a partir del CO 2 por parte de las plantas, ni la existencia de la mayoría de seres vivos aerobios sin O 2. Entre los gases se distinguen: Los gases inertes. El N 2 : los vegetales no pueden captarlo directamente de la atmósfera, algunas bacterias del suelo (Clostridium) y algunas bacterias simbiontes que se encuentran en las raíces de las leguminosas (como algunas especies del género (Rhizobium) son capaces de fijarlo. Se encuentra en el interior de algunas cianofíceas (Nostoc) y ocupa las cámaras de la concha de 16
algunos cefalópodos (Nautilus), colaborando en la flotación. El nitrógeno forma parte de moléculas fundamentales como las proteínas y ácidos nucleicos. Los gases que intervienen en el metabolismo son: El O 2 y el H 2 abundan tanto en la hidrosfera como en la litosfera y en los seres vivos (biosfera). Ambos se combinan fácilmente con el carbono y participan en reacciones de oxido-reducción, lo que permite intercambios energéticos fundamentales para la vida. Estos gases, tan necesarios para el funcionamiento de los organismos, actúan y se difunden en las estructuras intracelulares cuando se encuentran en disolución acuosa. Curiosamente cuando se encuentran en cantidades excesivas estos gases junto con el NH 3 producido en el metabolismo pueden resultar tóxicos. El O 2 es necesario para la respiración aerobia es decir, para obtener energía mediante su combinación con la materia orgánica tanto en las bacterias aerobias como en las mitocondrias de las células animales y vegetales. - El CO 2 es un producto final del metabolismo aeróbico, eliminándose directamente a través de las membranas celulares en los organismos unicelulares o pluricelulares de organización sencilla. Es captado de la atmósfera por algunas bacterias y en los cloroplastos de las algas y plantas para realizar la fotosíntesis, incorporando el C para formar materia orgánica, que a través de las cadenas alimentarias pasa al resto de organismos. 17