1. EL AGUA Es el componente mayoritario de todos los seres vivos

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%).
1.1. 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.
1.2. 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.
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.
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 (H3O+) e iones hidroxilo
(OH-). Ver fotocopia (concepto de pH).
2. LAS DISPERSIONES
2.1. TIPOS DE DISPERSIONES
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.
2.2. 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.
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:
- 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
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.
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 CO3Ca que forma los huesos, dientes y
caparazones; el fosfato cálcico Ca3(PO4)2 de huesos y dientes; y la sílice SiO2 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
o
Cationes: Na+, K+. Ca2+, Mg2+
Aniones: cloruro Cl-, fosfatos PO43-, carbonatos CO32-, bicarbonatos HCO3-, sulfatos
SO42- y nitratos NO3-
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 (Ca2+).
Algunos iones se asocian a moléculas orgánicas como hemoglobina (Fe2+), clorofila
(Mg2+), 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.
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 H2PO4-/HPO42- en el medio intracelular (pH 7,2) y el
tampón bicarbonato HCO3-/H2CO3 en el medio extracelular.
Tampón fosfato, que mantiene constante el pH interno celular en 7,2.
H+
H+
H+
PO43- ↔ HPO42- ↔ H2PO4- ↔ H3PO4
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.
CO2 + H2O
H2CO3
H+ + HCO3-
El ácido carbónico H2CO3 es muy inestable y se descompone rápidamente en CO2 y H2O. Ante
una acidosis en sangre (exceso de H+), el HCO3- 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.
5. GASES IMPORTANTES PARA LA VIDA
El oxígeno (O2) interviene en la respiración aerobia, tanto en las bacterias aeróbicas como en
las mitocondrias de las células animales y vegetales.
El dióxido de carbono (CO2) desprendido en la respiración aerobia es captado del medio por
las algas y las plantas al realizar la fotosíntesis en sus cloroplastos.
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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.