TEMA 1. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS SERES VIVOS. BIOELEMENTOS Y PRINCIPIOS INMEDIATOS INORGÁNICOS 1.1. BIOELEMENTOS El análisis químico de la materia viva pone de manifiesto que en su composición se encuentran una serie de elementos llamados bioelementos. Ninguno de ellos es propio y exclusivo de la materia viva ya que forman parte también de la materia mineral, de tal manera que sólo un número relativamente reducido de los elementos que se encuentran en la naturaleza entra a formar parte de la materia viva. Los principales bioelementos o bioelementos primarios son cuatro: C, H, O y N. Estos 4 elementos forman parte de la materia viva en un porcentaje muy superior a los restantes gracias a poseer dos propiedades fundamentales: 1.- Tener un peso atómico bajo: C=12, H=1, O=16 y N=14. Esto les permite formar combinaciones por un lado muy complejas y por otros inestables, lo cual resulta muy útil para el continuo construir y destruir de materia a que se ven sometidos los seres vivos por su metabolismo. Estos 4 elementos son además muy solubles en agua, circunstancia favorable para ser incorporados al ser vivo o eliminados de él. 2.- Abundan en las capas más externas de la Tierra, es decir, atmósfera, hidrosfera y litosfera, que son las que se hallan más en contacto con los seres vivos. Esta propiedad es importante ya que los seres vivos necesitan formarse con elementos que puedan conseguir con facilidad, es decir, que abunden en la naturaleza para poder disponer de ellos en cualquier momento. Un detalle importante respecto al C y al N es que, debido a su posición central en el Sistema Periódico presentan la misma afinidad para unirse con el O que con el H, es decir, pueden pasar con facilidad del estado oxidado (CO2, NO3H) al reducido (CH4, NH3). El átomo de C es muy especial pues tiene una configuración tetraédrica con 4 valencias (4 electrones en su última capa) que pueden unirse a otros C mediante enlaces covalentes simples, dobles o triples. De esta forma es capaz de formar largas cadenas lineales o ramificadas y en forma de anillo que se pueden romper sin excesiva dificultad. Además los átomos de C establecen fácilmente enlaces con el H, el O; el N y el S con lo que permite introducir en las moléculas orgánicas diferentes grupos funcionales, es decir, grupos de átomos que confieren propiedades concretas a las moléculas que lo poseen. Todo esto hace posible la enorme diversificación y complejidad de la materia orgánica. Conviene señalar que aunque todas las sustancias orgánicas son compuestos de C, no todos los compuestos de C son orgánicos. Así, se consideran compuestos orgánicos aquellos en los que se unen unos átomos de C con otros y con átomos de H, mientras que por ejemplo el CO2 y el ión carbonato (CO=3), aunque contienen c, no son orgánicos. ¿Y por qué no se seleccionó el Si en vez del C? Situado justamente debajo del C en el sistema periódico y por tanto también con 4 electrones en su última capa, el Si es el más abundante en la corteza después del O y mucho más abundante que el C. El problema es que la longitud de los enlaces entre Si-Si es mayor que el C-C, con lo cual la energía del enlace Si-Si es la mitad y por tanto se rompen con mayor facilidad siendo mucho más inestables las grandes moléculas de Si que las de C. Tampoco pueden formar dobles y triples enlaces; y por último, al combinarse con el O forma un gran polímero tridimensional (el cuarzo) que es químicamente inerte e insoluble en agua al contrario que la unión del C con el O que forma CO2 cuya estabilidad y solubilidad en agua permite una circulación fluida entre hidrosfera, litosfera, atmosfera y biosfera. Página 1 de 12 Además de estos 4 bioelementos, en la materia viva se encuentran otros en menor cantidad; son los llamados bioelementos secundarios: S, P, K, Na, Ca, Mg y Cl. El P y el S son considerados muchas veces como bioelementos primarios pues el S es un constituyente de la mayoría de las proteínas y el P es necesario para la formación de los ácidos nucleídos y como establecen enlaces débiles ricos en energía, intervienen en procesos de transferencia de energía, sin embargo la mayor parte del P se encuentra como sales minerales solidas en estructuras esqueléticas. La proporción en que se encuentra un bioelemento no está en relación con su importancia biológica pues algunos de ellos entran a formar parte de la materia viva en cantidades insignificantes y sin embargo desempeñan papeles de gran trascendencia, de tal manera que su carencia provoca serios trastornos porque son indispensables para que los fenómenos vitales se desarrollen con normalidad. A estos elementos se les denomina oligoelementos indispensables y entre ellos pueden citarse: 1.- Hierro (Fe): Forma parte de la hemoglobina, pigmento rojo de la sangre de los Vertebrados. También forma parte de los citocromos. El Fe apenas se elimina del organismo y es utilizado varias veces cuando se destruyen los compuestos de que forma parte y por ello sus necesidades alimenticias son mínimas. No obstante, su escasez o carencia produce anemia. 2.- Cobre (Cu): Forma parte de la hemocianina, pigmento rojo de la sangre de los Invertebrados, de papel semejante a la hemoglobina. 3.- Manganeso (Mn): Es básico para que las plantas verdes puedan sintetizar la clorofila. Actúa además como catalizador de muchas reacciones metabólicas. 4.- Cinc (Zn): También importante como catalizador. 5.- Yodo (I): Elemento básico para la formación de la tiroxina, hormona producida por la glándula tiroides cuya deficiencia origina la enfermedad llamada bocio. 6.- Cobalto (Co): necesario para sintetizar la vitamina B12. Existe otro tipo de oligoelementos que solamente se encuentran en algunos organismos como son el B, Al, V, Mo, I y Si. A estos se le denominan oligoelementos variables. Los bioelementos rara vez se encuentran en estado libre. En general, se combinan entre sí para formar sustancias compuestas definidas. Estos compuestos que se pueden aislar por medios puramente físicos como la disolución, la filtración, la destilación, la centrifugación, etc. constituyen los llamados principios inmediatos o biomoléculas. Pueden ser inorgánicos (agua y sales minerales) u orgánicos (glúcidos, lípidos, prótidos y ácidos nucleicos). 1.2. BIOMOLÉCULAS Los bioelementos se unen por enlaces químicos para formar las moléculas constituyentes de los organismos vivos, que reciben el nombre de biomoléculas o principios inmediatos. Las moléculas orgánicas son exclusivas de los seres vivos, mientras que las inorgánicas aparecen tanto en los seres vivos como en la materia inanimada. Por otra parte las moléculas orgánicas son bastante más complejas que las inorgánicas y, como se ha dicho, están formadas básicamente por una cadena de átomos de carbono a la que se unen otros elementos. En las moléculas orgánicas aparecen con frecuencia los siguientes grupos funcionales: Página 2 de 12 El grupo alcohol recibe también el nombre de hidroxilo. Tanto el grupo aldehído como el grupo cetona reciben el nombre de grupo carbonilo. El grupo ácido recibe también el nombre de ácido carboxílico. 1.3. LOS ENLACES QUÍMICOS En la construcción de las moléculas es importante tener en cuenta el número de enlaces que forman habitualmente los distintos elementos. A su vez, el número de enlaces viene determinado por el número de electrones en la última capa, ya que los átomos tienden a completar la última capa. Los principales bioelementos forman los siguientes números de enlaces: H(1), C(4), O(2) y N(3). El enlace covalente es el más común en las biomoléculas. Se establece entre átomos cuya electronegatividad es muy parecida, o lo que es lo mismo, su avidez por los electrones de la última órbita es semejante, por lo que ninguno de los dos cede electrones. Como resultado, ambos átomos comparten pares de electrones. Este tipo de enlace es muy fuerte y se requiere gran cantidad de energía para romperlo. La molécula del agua o la del oxígeno presentan ejemplos de enlace covalente. Los dobles enlaces entre los átomos nos indican que comparten dos pares de electrones. Éste es el caso de la molécula de oxígeno. En los enlaces triples se comparten tres pares de electrones. Página 3 de 12 El enlace iónico se produce entre átomos cuya diferencia de electronegatividad es muy grande, es decir, entre átomos muy electronegativos, con gran avidez por los electrones y átomos muy poco electronegativos que ceden con gran facilidad electrones. En este tipo de enlace, el átomo más electronegativo se hace con los electrones del átomo menos electronegativo. Este átomo que ha captado electrones ahora posee una carga negativa, es un ión negativo o anión. El átomo que ha cedido su electrón se carga positivamente, es un ión positivo o catión. Este es el caso, por ejemplo, del ClNa. El cloro capta un electrón del sodio que se lo cede con facilidad, de esta manera ambos se cargan, respectivamente, con carga negativa y positiva. Además de los enlaces covalente e iónicos anteriormente descritos, en las moléculas orgánicas se pueden establecer otros tipos de enlaces, más fáciles de romper, entre los que destacan los puentes de hidrógeno, las fuerzas de Van der Waals, los enlaces hidrofóbicos y las fuerzas electrostáticas débiles. Estos enlaces tienen gran importancia en Biología, así, por ejemplo, las estructuras de las proteínas y del DNA se ven estabilizadas por estos tipos de enlaces. Puentes de hidrógeno Cuando un átomo de hidrógeno se une covalentemente a otro de oxígeno o de nitrógeno, los electrones compartidos tienden a situarse más próximos al elemento más electronegativo (en este caso el oxígeno o el nitrógeno). Esto hace que aparezca un grupo polar, con una carga parcial negativa en la región correspondiente al oxígeno o al nitrógeno y una carga parcial positiva en la región del hidrógeno. Si este átomo de hidrógeno, con carga Página 4 de 12 parcial positiva, está próximo a otro átomo con carga negativa se produce un puente de hidrógeno. Los puentes de hidrógeno se pueden establecer entre moléculas diferentes, como es el caso del agua, o entre regiones diferentes dentro de la misma molécula, como en el caso de las proteínas o los ácidos nucleicos. Las fuerzas de Van der Waals son enlaces débiles que se establecen entre moléculas próximas, debido a la atracción electrostática entre los núcleos de los átomos de una molécula y los electrones de los átomos de las moléculas vecinas. Las fuerzas de Van der Waals son mayores cuantos más electrones poseen las moléculas, por tanto aumentan con el peso molecular, así, las macromoléculas se atraen más fuertemente que las pequeñas moléculas. Las fuerzas de Van der Waals se pueden establecer entre moléculas diferentes, como es el caso de los lípidos de membrana o entre regiones diferentes dentro de la misma macromolécula, como es el caso de los radicales de los aminoácidos que forman una proteína. Las fuerzas de Van der Waals son importantes en la estabilidad de macromoléculas y de estructuras celulares. Los enlaces hidrofóbicos son fuerzas que se establecen entre grupos de átomos que no tienen afinidad con el agua. Su “fobia” al agua hace que estos grupos atómicos se orienten de manera que su contacto con el agua sea mínimo, mientras que por otra parte las moléculas de agua, al ser polares, tienden a unirse entre sí, repeliendo a las apolares. Un ejemplo de este tipo de enlace se da en las grasas, que en un medio acuoso forman capas o gotas lipídicas. Muchas moléculas orgánicas presentan cargas eléctricas parciales o totales, se dice entonces que presentan polaridad. Cuando se encuentran moléculas polarizadas de distinto signo se establecen entre ellas enlaces electrostáticos que las mantienen unidas. 1.4. AGUA: ESTRUCTURA, PROPIEDADES E IMPORTANCIA BIOLOGICA La vida, tal como se conoce en la Tierra, se desarrolla siempre en medio acuoso. Incluso en los seres no acuáticos el medio interno es básicamente hídrico. La inmensa mayoría de las reacciones bioquímicas se desarrollan en el seno del agua y obedecen las leyes fisicoquímicas de las disoluciones acuosas. Por todo ello no es de extrañar que el agua sea el principal componente de los seres vivos en cuanto a su cantidad. El cuerpo humano, por ej., está formado por término medio por un 75% de agua, aunque los tejidos que necesitan mucha actividad como el nervioso son agua en un 90%. Sólo los tejidos esqueléticos y las semillas de las plantas presentan una baja proporción de agua. Origen de la vida hace 3500 millones de años en el medio acuático. 1.4.1. ESTRUCTURA Formada por un átomo de O y dos de H enlazados covalentemente, compartiendo el o un par de electrones con cada uno de los dos H. La molécula de agua tiene un marcado carácter dipolar. Aunque tiene una carga total neutra (posee el mismo número de protones y de electrones), presenta una distribución asimétrica de sus electrones: alrededor del O se concentra una densidad de carga negativa (δ -) debido a que es un elemento mucho más electronegativo que el H, por ello los núcleos de H quedan desnudos, desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad de carga positiva (δ+). Este carácter dipolar de la molécula de agua es de trascendental importancia y tiene múltiples consecuencias: La más relevante es que se pueden establecer interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua formando uniones electrostáticas llamadas puentes o enlaces de H: la carga parcial negativa del O de una Página 5 de 12 molécula ejerce atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los átomos de H de otras moléculas adyacentes. Son uniones débiles que se forman en cualquier estado del agua y poseen un carácter cooperativo. Así, el agua líquida, es un agregado en el que coexisten polímeros de moléculas unidas por puentes de H y moléculas libres en equilibrio (estructura reticular del agua, responsable de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de sus propiedades fisicoquímicas) que cuando el número de puentes de H aumenta el agua líquida pasa a estado sólido. En el agua líquida, aunque teóricamente cada molécula puede formar 4 enlaces por puentes de H, el continuo movimiento de las moléculas de agua hace que se estén formando y disociando los enlaces (siendo realmente el promedio de 3,5 puentes de H por molécula de agua, quedando moléculas aisladas. En el hielo cada molécula forma 4 puentes de H con 4 moléculas de agua (2 con cada átomo de H y dos con cada átomo de O) formando un retículo cristalino en el que cada molécula de agua tiene una posición fija en el espacio, constituyéndose una estructura más abierta que en el agua líquida y, por tanto, con menor número de moléculas por unidad de volumen (menor densidad). 1.4.2. LAS PROPIEDADES Y FUNCIONES DEL AGUA PROPORCIONAN UN ENTORNO IDÓNEO PARA LA VIDA. -Propiedad derivada directamente del comportamiento dipolar: 1.- Agente disolvente: El agua es el líquido que más sustancias disuelve (disolvente universal). Puede disolver compuestos iónicos, como las sales minerales, porque, dada su naturaleza dipolar, amortigua las fuerzas eléctricas internas de los solutos (los iones que los constituyen están unidos por enlaces iónicos), y las moléculas de agua rodean y se unen a cada uno de esos iones (fenómeno conocido como solvatación). Por la misma razón disuelve a muchos compuestos orgánicos, como los que contienen grupos carboxilo (R-COOH que al disociarse quedan cargado como R-COOˉ) o grupos aminos (R-NH2 que al protonarse quedan cargados positivamente R-NH+3) y a un sinfín de sustancias polares (grupos –OH de los alcoholes y azúcares, etc) debido a que pueden formar puentes de Hidrógeno con dichos grupos. Página 6 de 12 Puede dispersar en su seno sustancias anfipáticas y formar micelas monocapas o bicapas. La capacidad disolvente es la responsable de tres funciones en los seres vivos: a) Medio donde ocurren las reacciones del metabolismo, pues el requisito indispensable para que 2 sustancias reaccionen es que se encuentren disueltas en el mismo medio y puedan interaccionar. b) Sistemas de transporte de sustancias (sangre, savia, linfa, orina, ), donde se disuelven previamente todas estas sustancias. c) Actúa como reactivo químico: Las moléculas de agua y sus productos de disociación (H+ y OH-) intervienen en reacciones metabólicas -Propiedades derivadas de la interacción molecular de los puentes de hidrógeno: 2.- Elevado calor específico. Se requiere importantes suministros de calor para aumentar la temperatura. Esto hace que cuando se caliente agua, parte de la energía se utiliza para romper los puentes de hidrógeno y no tanto para aumentar la temperatura, lo que supone que incrementos o disminuciones importantes de temperatura externa únicamente producirán pequeñas variaciones en el medio acuoso. Esto 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 un buen amortiguador térmico frente a cambios de la temperatura externa, lo que ayuda a mantener constante la temperatura en los seres vivos (Función termorregulador). 3.- Elevado calor de vaporización. Para evaporar el agua, primero hay que romper los puentes y posteriormente dotar a las moléculas de agua de la suficiente energía cinética para pasar de la fase líquida a la gaseosa. Cuando el agua se evapora en la superficie de un ser vivo, absorbe calor del organismo actuando como mecanismo de refrigeración. Gracias a esta propiedad se puede eliminar gran cantidad de calor con poca pérdida de agua a través de sus superficies (por ejemplo el sudor). 4.- Elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas. Los puentes de hidrógeno mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incomprensible. Al no poder comprimirse puede tener la función en algunos animales de esqueleto hidrostático, como ocurre en algunos gusanos y equinodermos, además permite dar volumen a las células y turgencia a las plantas. También explica la función mecánica amortiguadora que ejerce en las articulaciones (líquido sinovial). 5.- Elevada fuerza de adhesión. Los puentes de hidrógeno que se establecen entre las moléculas de agua y otras moléculas polares, es responsable, junto con la cohesión del llamado fenómeno de la capilaridad. Cuando se introduce un capilar (tubo de pequeño diámetro) en un recipiente con agua, ésta asciende por el capilar como si trepase agarrándose por las paredes, hasta alcanzar un nivel superior al del recipiente, A este fenómeno se debe en Página 7 de 12 parte la ascensión de la savia bruta desde las raíces hasta las hojas, a través de los vasos leñosos. 6.- Elevada tensión superficial. Las moléculas de la superficie del agua experimentan fuerzas de atracción hacia el interior del líquido. Esto favorece que dicha superficie oponga una gran resistencia a ser traspasada y origina una “película superficial” que permite, por ejemplo, el desplazamiento sobre ella de algunos organismos. 7.- Baja densidad en estado sólido. El agua en estado líquido es más densa que en estado sólido. Esto permite la vida acuática en climas fríos, ya que al descender la temperatura se forma una capa de hielo en la superficie que flota y aísla al agua líquida que queda bajo ella. 1.4.1. LAS PROPIEDADES ACUOSAS. Tipos y características de las dispersiones Los líquidos presentes en los seres vivos son dispersiones formadas por agua (disolvente) con sustancias dispersas (solutos). Según el tamaño de las partículas de soluto podemos encontrar disoluciones verdaderas (o simplemente disoluciones) cuando el tamaño de las partículas es inferior a un nanómetro (1 nm) y dispersiones coloidales o coloides cuando el tamaño es mayor. Las sales minerales ionizadas y moléculas orgánicas de pequeño tamaño como los azúcares o los aminoácidos forman disoluciones verdaderas, mientras que los polisacáridos o las proteínas forman dispersiones coloidales. Las dispersiones coloidales son más frecuentes en los seres vivos que las disoluciones verdaderas, encontrándose en el líquido intracelular y en la mayor parte de los líquidos extracelulares. Por el contrario, las disoluciones verdaderas no son frecuentes, un ejemplo sería la savia bruta, formada por agua y sales minerales. Realmente, las dispersiones coloidales son mezclas heterogéneas de solutos de elevado peso molecular (fase dispersa) y disolvente (fase dispersante, normalmente agua). Las dispersiones coloidales pueden aparecer en dos estados distintos, llamados sol (de estado líquido) y gel (de estado semisólido). La diferencia entre uno y otro reside en la cantidad de agua presente, y por tanto en su grado de viscosidad. En el estado de gel las partículas del soluto están muy concentradas, formando un conjunto de moléculas entrelazadas entre las cuales quedan retenidas las moléculas de agua. El paso de sol a gel se realiza por deshidratación, pudiéndose volver al de sol por hidratación, aunque no siempre el proceso es reversible. En las células el paso de sol a gel y viceversa es constante, predominando el estado de sol en la parte más interna del citosol y el estado de gel en la parte periférica. Cuando en las dispersiones coloidales las partículas de soluto son hidrófobas, como en el caso de los lípidos, las partículas tienden a unirse por fuerzas hidrofóbicas y formar una fase separada del agua (micelas). A estas dispersiones se le llaman emulsiones constituidas por líquidos inmiscibles, en los que uno de ellos (fase dispersa) forma pequeñas gotitas en el otro (fase dispersante). La estabilización de las emulsiones se consigue gracias a la presencia de otras moléculas que mantienen las gotitas de la fase dispersa separadas. Este es el caso de las grasas de la leche, que se mantienen dispersas gracias a que están rodeadas de moléculas de proteína. De la misma manera, las sales biliares mantienen aisladas las gotitas de grasa en el intestino, facilitando de esta forma su digestión. Página 8 de 12 Propiedades de las dispersiones: difusión, diálisis y ósmosis. La difusión: es el fenómeno por el cual las moléculas disueltas en el agua tienden a distribuirse uniformemente en el seno del líquido hasta ocupar todo el espacio disponible. En el proceso de difusión las moléculas de soluto se mueven desde una región donde hay muchas moléculas (región más concentrada) a regiones donde hay menos moléculas (región menos concentrada), hasta que la concentración sea la misma en todas partes. La difusión puede ocurrir también a través de una membrana si ésta es lo suficientemente permeable como para que la puedan atravesar las partículas de soluto. Este fenómeno es extremadamente importante para las células, ya que los gases (como el oxígeno y el dióxido de carbono) y otras moléculas de pequeño tamaño entran y salen de la célula por este mecanismo atravesando la membrana plasmática. La diálisis: la diálisis es la separación de dos solutos, uno de elevado peso molecular y otro de bajo peso molecular, gracias a una membrana cuya permeabilidad permite solamente el paso de las partículas más pequeñas. Por este procedimiento, en la filtración renal se eliminan del plasma sanguíneo sales y sustancias orgánicas de pequeño tamaño, mientras se retienen las proteínas y otras macromoléculas. Una aplicación práctica de la diálisis es la hemodiálisis que se aplica a los enfermos de riñón, incapaces de eliminar la urea. Consiste en enfrentar la sangre del enfermo, cargada de urea, a una solución especial a través de una membrana semipermeable que permite el paso del agua, sales, urea y otras moléculas pequeñas desde la sangre al líquido de diálisis. Al cabo de varias horas se consigue la disminución de la concentración de la urea en la sangre. La ósmosis: como ya se ha comentado la ósmosis es el fenómeno mediante el cual dos disoluciones de distinta concentración y que se encuentran separadas por una membrana semipermeable (que permite el paso del agua a través de ella, pero no de las sustancias disueltas), tienden a igualar sus concentraciones por el paso de agua desde la solución más diluida, llamada hipotónica, hacia la más concentrada, llamada hipertónica, hasta que las dos disoluciones se hacen isotónicas (con la misma concentración). Las membranas celulares funcionan como si fueran semipermeables; por tanto el fenómeno de ósmosis puede provocar intercambios de agua entre el interior y el exterior de la célula. La cantidad de agua que atraviesa una membrana semipermeable, como la membrana celular, depende de la concentración de moléculas disueltas a uno y otro lado de la misma, y no de su naturaleza. Por tanto, todas las sales minerales y sustancias orgánicas disueltas contribuyen a los fenómenos osmóticos. 1.5. SALES MINERALES: PROPIEDADES E IMPORTANCIA BIOLÓGICA En todos los seres vivos, animales y vegetales, se encuentran siempre determinadas cantidades de sales minerales. Se clasifican en función de su solubilidad en agua. Las sustancias salinas insolubles en agua forman estructuras sólidas que suelen cumplir funciones de protección y sostén y que están muy extendidas en todos los seres vivos. Los Crustáceos y los Moluscos presentan caparazones de carbonato cálcico (CO3Ca) mientras que en la Diatomeas son de sílice (SiO2). El esqueleto interno de los Vertebrados presenta una parte mineral formada por la asociación de varios componentes minerales, sobre todo carbonato y fosfato cálcico [(PO4)2Ca3]. Además, el esmalte de los dientes presenta fluoruro cálcico (F2Ca). Página 9 de 12 Las sales minerales solubles en agua, éstas se encuentran disociadas en sus iones correspondientes, que son los responsables de su actividad biológica. Los principales iones son: Cationes: Na+, K+, Mg2+, Ca2+ y amonio (NH4+). Aniones: Cl-, fosfatos (PO43-, PO4H2-, PO4H2-), sulfato (SO42-), nitrato (NO3-) y carbonatos (CO32-, CO3H-). Los iones minerales realizan múltiples funciones en el organismo, destacando las siguientes: 1.- Regulación de los fenómenos osmóticos: cuando dos disoluciones salinas de distinta concentración se ponen en contacto a través de una membrana semipermeable (llamada así porque permite el paso de agua pero no de los iones disueltos en ella) las dos disoluciones tienden a equilibrar sus concentraciones y, como los iones no pueden atravesar la membrana, es el agua de la disolución más diluida la que va pasando a la más concentrada. Este trasiego de agua cesa cuando ambas disoluciones adquieren la misma concentración. La disolución más concentrada recibe el nombre de hipertónica respecto a la menos concentrada que es la hipotónica; en el momento del equilibrio se dice que las dos disoluciones son isotónicas. Este fenómeno se conoce con el nombre de ósmosis y el paso del agua a través de la membrana semipermeable genera una presión llamada presión osmótica. Esta será mayor cuanto mayor sea la diferencia en la concentración de las dos disoluciones. Los seres vivos mantienen en sus células una presión osmótica constante (osmoregulación) gracias a las sales minerales y son muy sensibles a las variaciones de la misma, lo cual acarrea serios trastornos. Por esta razón toda disolución que se ponga en contacto directo con las células de un organismo debe ser isotónica con respecto a la disolución salina de su interior, ya que las membranas celulares se comportan como semipermeables. Existen dos ejemplos típicos que demuestran la importancia de los fenómenos osmóticos en el mantenimiento de la integridad celular: a.- Las células vegetales poseen una gran vacuola que comprime el citoplasma contra la pared celular. Al ponerlas en contacto con una solución salina hipertónica respecto del líquido de la vacuola, el agua de ésta fluye hacia el exterior de la célula y, como consecuencia, la vacuola se reduce de tamaño arrastrando al citoplasma, que puede llegar a separarse de la pared celular. Este fenómeno se denomina plasmólisis. Por el contrario, si la solución que se pone en contacto con la célula es hipotónica, la corriente de agua se establece hacia el interior, comprimiendo el citoplasma contra la pared celular. Este caso se llama turgencia. b.- Repitiendo la misma experiencia con glóbulos rojos, como éstos carecen de pared celular vegetal, al ponerlos en contacto con una solución hipertónica, disminuyen de volumen y se arrugan al salir agua al exterior. Si los ponemos en contacto con una solución hipotónica, el agua pasa al interior y el glóbulo rojo se dilata, pudiendo llegar a estallar rompiéndose su membrana. Este caso extremo se llama hemolisis. 2.- Mantener el grado de salinidad en los organismos (osmorregulación). Las concentraciones iónicas de sales minerales se mantienen constantes, dentro de unos ciertos límites, en los distintos organismos. En un mismo organismo las concentraciones pueden variar de unos compartimentos a otros; por ejemplo, en el interior celular la concentración salina varía considerablemente respecto al plasma sanguíneo. Asimismo, existen diferencias importantes en las concentraciones de unos organismos a otros. 3.- Regular la actividad enzimática. La presencia de determinados iones activa o inhibe reacciones bioquímicas, asociándose a las sustancias reaccionantes o a las enzimas. Página 10 de 12 4.- Generar potenciales eléctricos. Los iones que se encuentran en el interior de las células no son los mismos que los del medio externo; por esto, a ambos lados de la membrana existe una diferencia de cargas eléctricas. Esta irregular distribución de iones provoca la existencia de un potencial de membrana que ejerce una fuerza sobre cualquier molécula con carga eléctrica. 5.- Regulación del equilibrio ácido-base (regulación del pH): En los seres vivos existe siempre una cierta cantidad de hidrogeniones (H+) y de iones hidroxilo (OH-) que proceden de: a) La disociación del agua que proporciona los dos iones: H2O H+ + OHb) La disociación de sustancias con función ácida que proporcionan H+ : ClH Cl- + H+ c) La disociación de sustancias con función básica que proporcionan OH-: NaOH Na+ + OHLos hidrogeniones tienen carácter ácido, mientras que los hidroxiliones lo tienen alcalino. Por lo tanto la acidez o alcalinidad del medio interno de un organismo dependerá de la proporción en que se encuentren los dos iones. Así será neutro cuando [H+]=[OH-], ácido cuando [H+]>[OH-] y alcalino cuando [H+]<[OH-]. Para que los fenómenos vitales puedan desarrollarse con normalidad es necesario que la concentración de H+, que se expresa en valores de pH sea más o menos constante y próxima a la neutralidad, es decir, pH=7. Sin embargo, en las reacciones que tienen lugar durante el metabolismo se están liberando productos tanto ácidos como básicos que tenderán a variar dicha neutralidad si no fuera porque los organismos disponen de unos mecanismos químicos que se oponen automáticamente a las variaciones de pH. Estos mecanismos se denominan sistemas amortiguadores o sistemas tampón, y en ellos intervienen de forma fundamental las sales minerales. Lo más corriente es que el pH tienda a desplazarse hacia el lado ácido por lo que los sistemas tampón más importantes actúan evitando este desplazamiento. Un tampón está formado por una mezcla de un ácido débil y una sal del mismo ácido. El más extendido es el formado por el ácido carbónico (CO3H2) y el bicarbonato sódico (CO3HNa) que actúa principalmente en el medio extracelular. Supongamos que el organismo se ve sometido a un exceso de ácido clorhídrico que, en consecuencia liberará protones que harán disminuir el pH. En este momento entra en funcionamiento el sistema amortiguador y ocurre lo siguiente: 1.- La sal (bicarbonato sódico) reacciona con el ácido clorhídrico: CO3HNa + ClH NaCl + CO3H2 La sal que se forma (NaCl) es neutra y, aunque se disocie, no libera protones y, además, es habitualmente expulsada por la orina. 2.- El ácido carbónico que se ha formado podría incrementar la acidez, pero rápidamente se descompone en CO2, que se libera con la respiración, y agua que es neutra: CO3H2 CO2 + H2O En resumen, todos los hidrogeniones que podrían provocar un estado de acidez desaparecen manteniéndose el estado de neutralidad. En el medio intracelular actúa principalmente el tampón fosfato H2PO4-/HPO4 = debido a que a nivel intracelular, las concentraciones de fosfato son elevadas lo que le convierte en un tampón eficiente. Página 11 de 12 EJERCICIOS DE SELECTIVIDAD 1. Compare la composición química elemental de la tierra y la de los seres vivos [0,5]. Destaque las propiedades físico-químicas del carbono [1]. 2. Describa la estructura de la molécula de agua [0,4].Enumere cuatro propiedades fisicoquímicas del agua y relaciónelas con las funciones biológicas del agua en los seres vivos [1,6]. (1-2010) 3. Al añadir un ácido a una disolución de cloruro sódico se produce un gran descenso en el valor de pH. Sin embargo, si se añade la misma cantidad de ácido al plasma sanguíneo apenas cambia el pH. Proponga una explicación para este hecho (1). 4. Cuando cogemos trozos de hojas de lechuga, los cubrimos con un paño húmedo y los guardamos en un frigorífico a 4ºC, permanecen turgentes durante mucho tiempo. Sin embargo, cuando aliñamos, con aceite, sal y vinagre, los trozos de lechuga para hacer una ensalada rápidamente pierden la turgencia y se arrugan, aún cuando la guardemos en el frigorífico a 4ºC. Explique razonadamente por qué las hojas de lechuga pierden su turgencia al aliñarlas y la mantienen en ausencia del aliñado [1]. 5. El contenido salino interno de los glóbulos rojos presentes en la sangre es del 0,9%. ¿Qué le pasaría a un organismo, si se le inyectara en la sangre una solución salina que hiciera que la concentración final de sales en sangre fuese del 2,2%? [0,5]. ¿Y si la concentración final fuese del 0,01%? [0,5]. Razone las respuestas.5-2006 6. Se introducen células animales en tres tubos de ensayo: el tubo A tiene una solución hipertónica, el B una hipotónica y el C una isotónica. Exponga razonadamente lo que les ocurrirá a las células en cada uno de los tubos [1].6-2006 7. Un sistema de conservación de alimentos muy utilizado desde antiguo consiste en añadir una considerable cantidad de sal al alimento (salazón) para preservarlo del ataque de microorganismos que puedan alterarlo. Explique de forma razonada este hecho [1]. 8. Razone las causas de los siguientes hechos relacionados con el agua: a) el agua es líquida a temperatura ambiente; b) el agua es termorreguladora; c) el agua es soporte de reacciones; d) el agua permite la existencia de ecosistemas acuáticos en zonas polares [1]. 5-2010 Página 12 de 12
