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TEMA 2 : DISOLUCIONES ACUOSAS. CARACTERÍSTICAS MOLECULARES DEL AGUA. POLARIDAD, COHESIVIDAD, SOLUBILIDAD, HIDRÓLISIS, IONIZACIÓN, ÓSMOSIS.

1. INTRODUCCIÓN

El agua cubre las ¾ partes de la superficie terrestre, y constituye aproximadamente el 70% del peso de las células.

La cantidad de agua depende de las especies ; por ejemplo las especies acuáticas poseen un mayor porcentaje que las terrestres ( las medusas están constituidas por un 95% de agua ). En el hombre depende de la edad, de manera que en los individuos jóvenes existe mayor cantidad que en los adultos. También según el tipo de órgano y tejido, así aquél órgano o tejido que tenga mayor actividad metabólica, mayor cantidad de agua tendrá( la corteza cerebral un 90%, en cambio en el tejido adiposo un 10-20% ).

Por otra parte en los seres vivos el agua la localizamos de dos formas posibles :

a. Agua intracelular : Constituye aproximadamente 2/3 del total del agua presente. b. Agua extracelular : Constituye aproximadamente 1/3 del total de agua presente.

Esta agua extracelular está constituida por el agua intersticial ( agua que hay en los tejidos y que está bañando las células ), y por el agua circundante ( sangre, linfa, savia, etc. ).

2. ESTRUCTURA QUÍMICA DE LA MOLÉCULA DE AGUA. POLARIDAD : Las propiedades físico-químicas del agua son consecuencia de su estructura química y de ellas derivan sus funciones biológicas.

En la molécula del agua, el átomo de oxígeno comparte un par de electrones con cada uno de los átomos de hidrógeno. Análisis revelaron que la molécula de agua es una molécula angulada, siendo el ángulo formado por los dos enlaces de 104,5º.

Aunque la molécula de agua tiene una carga total neutra ( nº de electrones = número de protones ), los electrones están distribuidos asimétricamente, lo que hace que la molécula de agua sea una molécula polar. Así, el núcleo del átomo de oxígeno, debido a su mayor electronegatividad, atrae parcialmente a los electrones, de manera que deja a los núcleos de los hidrógenos con una pequeña carga neta positiva (δ+), mientras que existen regiones débilmente negativas (δ-) cerca del átomo de oxígeno, de manera que esto es lo que hace que el agua sea una molécula dipolar.

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3. ESTRUCTURA QUÍMICA DEL AGUA SUSTANCIA. ENLACES DE HIDRÓGENO :

Como consecuencia de su estructura dipolar las moléculas de agua pueden interaccionar unas con otras. Esta interacción se produce por atracción electroestática entre la carga parcial negativa del átomo de oxígeno de una molécula de agua, y la carga parcial positiva localizada sobre los átomos de hidrógeno de otra molécula. Estas uniones se llaman enlaces de hidrógeno . Los enlaces de hidrógeno mantienen unidas a las moléculas entre sí, con lo que su peso molecular aumenta, y por ello, a una temperatura a la que otras moléculas químicamente comparables, como por ejemplo el H2S están en estado gaseoso, el agua se encuentra en estado líquido.

ANIMACIÓN DE LA MOLÉCULA DE AGUA Y LOS ENLACES POR PUENTE DE HIDRÓGENO

4. PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DEL AGUA 1. Elevada Fuerza de Cohesión : Esta propiedad es debida a que los enlaces por puente de hidrógeno mantiene unidas a las moléculas de agua fuertemente. Esto explica algunas propiedades del agua : a) El agua es un líquido casi INCOMPRESIBLE, lo cual sirve por ejemplo, para dar forma a las células que no tienen una membrana rígida. b) El agua tiene una Elevada Tensión Superficial : Es decir su superficie opone gran resistencia a romperse. Esto permite por ejemplo la ascensión de la savia por los conductos de las plantas desde las raíces hasta las hojas. 2. Elevado calor específico : De manera que para elevar su temperatura hace falta mucho calor, lo que permite al agua actuar como amortiguador térmico, y así la temperatura del organismo se mantiene relativamente constante. 3. Elevado calor de vaporización : Debido a que para pasar del estado líquido al gaseoso hay que romper todos los puentes de hidrógeno ( para romper 1 gramo de agua a 20ºC se necesitan 540 calorías ). Esta propiedad, junto con la anterior participa en el proceso de amortiguación térmica.

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4. Mayor densidad en estado líquido que en estado sólido : Esto explica que el hielo forme una capa superficial la cual es termoaislante lo que permite la vida en ríos, mares y lagos. 5. Buen disolvente : Como el agua tiene moléculas dipolares, es un buen disolvente

para gran cantidad de compuestos. por ejemplo,los compuestos iónicos y sales cristalizadas al ser el agua dipolar se interpone entre los compuestos iónicos disminuyendo la fuerza de atracción de los iones y provocando su separación y por lo tanto su disolución. A este proceso se llama solvatación iónica.

En general, los compuestos que se disuelven en el agua se les llama HIDRÓFILOS POLARES , y los que no se disuelven en el agua se les llama HIDRÓFOBOS O

APOLARES. Hay un tipo especial de moléculas que tienen a la vez grupos hidrófilos e hidrófobos y que se llaman Sustancias Anfipáticas : Por ejemplo, un ácido graso de cadena larga forma unos agregados denominados micelas, en las que los grupos carboxilos polares están en contacto con el agua y forman enlaces de hidrógeno con ella mientras que las cadenas hidrocarbonadas insolubles, hidrófobas y apolares se ocultan del medio acuoso mediante interacciones hidrofóbicas. Otra manera de disponerse las sustancias anfipáticas cuando se añaden en pequeña cantidad al agua, es formando una monocapa en la superficie, y las cabezas polares se disponen en contacto con la superficie de ésta. Sobre esta monocapa puede disponerse una segunda capa con las colas apolares sobre la primera, formando una bicapa lipídica. En ella las cabezas polares forman enlaces de hidrógeno con el agua y los grupos apolares se mantienen unidos por enlaces de Van Der Waals.

6. Hidrólisis : Es una reacción química donde el agua, en forma iónica H3O+ y OH-

provoca la rotura de una molécula en sus componentes; las reacciones de hidrólisis son básicas en los procesos digestivos, en los que deben de escindirse las moléculas

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complejas presentes en los alimentos para obtener las moléculas más simples capaces de ser utilizadas por las células. Ej :

agua + sacarosa glucosa + fructosa

Una reacción inversa a la de hidrólisis es la de condensación, por la cual se construyen moléculas mayores al unirse moléculas sencillas, liberándose moléculas de agua.

5. FUNCIONES DEL AGUA

Visto lo anterior podemos decir que las principales funciones del agua son : 1. Función de Disolvente de Sustancias : Es básica para la vida, ya que casi todas las reacciones biológicas tienen lugar en medio acuoso. 2. Función Bioquímica : El agua interviene en muchas reacciones, por ejemplo, en las hidrólisis ( como acabamos de ver ) que se dan durante la digestión de los alimentos. También como veremos como dador de hidrógenos en la fotosíntesis... 3. Función de Transporte : De sustancias desde al exterior al interior del organismo, y en el propio organismo, como por ejemplo el que ya sabemos : La ascensión de la savia por las plantas. 4. Función Estructural : Por ejemplo, en células que no tienen una membrana rígida, su forma y volumen se mantienen gracias a la presión que ejerce el agua interna. 5. Función Mecánica Amortiguadora : Por ejemplo, los vertebrados poseen en sus articulaciones bolsas de líquido sinovial que evita el roce entre los huesos... 6. Función Termoreguladora : Debida a como acabamos de ver a su elevado calor específico y a su elevado calor de vaporización. Por ejemplo, los animales al sudar, expulsan agua, la cual, para evaporarse, toma calor del cuerpo, y como consecuencia éste se enfría. 7. Función Termoaislante.

6. ACIDEZ Y BASICIDAD : EL pH

Al disolver un ácido en agua aumenta la concentración de H+, pues cede estos iones . Por el contrario, las bases captan H+ del medio, por lo cual estos disminuyen. Para describir la abundancia relativa de los iones presentes en la disolución se emplea el término de pH, que se define como el logaritmo inverso de la concentración de protones. La escala de pH varía entre 1 y 14, correspondiendo el 7 al pH neutro. Valores por debajo de éste corresponden a disoluciones de sustancias ácidas, y si están comprendidas entre 7 y 14, la disolución será básica.

En los seres vivos existen disoluciones con un pH determinado, casi siempre próximo a la neutralidad, la cual debe permanecer constante para evitar la alteración de las proteínas, fundamentalmente de los enzimas que catalizan las reacciones biológicas.

pH = - log [ H+ ]

7. ACCIÓN REGULADORA DEL pH. SISTEMAS TAMPÓN :

Para que los fenómenos vitales puedan desarrollarse con normalidad es necesario que la concentración de protones sea más o menos constante y próxima a la neutralidad. Pero en las reacciones que tienen lugar en el metabolismo se están liberando continuamente productos o sustancias tanto ácidas como básicas que tenderían a variar la

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concentración de protones, sino fuera porque los seres vivos disponen de mecanismos químicos que se oponen automáticamente a las variaciones de pH.

En estos mecanismos denominados sistemas amortiguadores, buffer o tampón, intervienen de forma muy importante las sales minerales, que de esta manera desempeñan un papel de reguladoras del equilibrio ácido-base.

Como quiera que es más frecuente la desviación, en los seres vivos hacia el lado ácido (pH inferior a 7 ) que hacia el lado básico, porque durante el metabolismo hay una mayor cantidad de sustancias que liberan protones, por lo que estudiaremos tampones que actúe frente a un exceso de acidez :

A/ El tampón intracelular más importante es el H2PO4- HPO4

2-

B/ El principal tampón extracelular en la sangre y líquidos intersticiales de los vertebrados, es el tampón del bicarbonato formado por H2CO3 y el NaHCO3.

Así por ejemplo supongamos que un organismo se ve sometido a un exceso de ácidos, entonces se incrementaría considerablemente la concentración de protones, en virtud de la disociación :

HCL H+ + CL- ; HX H+ + X- y la igualdad [ H+ ] = [ OH- ] desaparecería.

Para evitar esto entrará en funcionamiento el tampón y ocurre lo siguiente :

H Cl + NaHCO3 NaCl + H2CO3

La sal es neutra y aunque se disocie no liberará protones y además habitualmente es expulsada por la orina :

NaCl Na+ + Cl- .

Por otra parte el ácido carbónico es un ácido débil que se descompone con rapidez en

H2CO3 CO2 + H2O

De esta forma un aumento de la concentración de protones en los medios biológicos ocasiona, por desplazamiento del equilibrio, un aumento en la concentración del ácido carbónico, y éste dará lugar a una mayor concentración de CO2 que será expulsado por vía respiratoria, modificando la frecuencia de la ventilación en las estructuras respiratorias.

En las estructuras biológicas, por otra parte, un descenso de la concentración de protones se traducirá en un gasto de ácido carbónico, obtenido a partir del CO2, modificando también el ritmo de ventilación.

Por último decir que las proteínas también tienen capacidad tamponadora.

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8. OSMOSIS. MANTENIMIENTO DEL GRADO DE CONCENTRACIÓN SALINA ADECUADO, EN LOS MEDIOS BIOLÓGICOS :

Todos los medios biológicos, desde el citoplasma celular hasta la sangre o las savias, pasando por el plasma intersticial, son disoluciones salinas en las cuales se producen unos fenómenos de gran repercusión en la estabilidad celular. estos fenómenos se conocen con el nombre de fenómenos osmóticos u ósmosis.

Si colocamos una membrana semipermeable ( la cual deja pasar el agua pero no los solutos disueltos en ella ), separando dos disoluciones de diferente concentración, se puede observar que se produce un paso de agua desde la disolución más diluida hasta la más concentrada, de esta forma la disolución más diluida (hipotónica ), al perder agua, se concentra, y la disolución más concentrada ( hipertónica ), al ganarla, se diluye. Este proceso continua hasta que las dos disoluciones se igualan en su concentración (isotónica).

La presión que deberíamos ejercer, para evitar el paso del agua, se denomina presión osmótica, y es mayor, cuanto mayor sea la diferencia de concentración entre las dos disoluciones.

ANIMACIÓN DE LA ÓSMOSIS

Así, la membrana plasmática de las células puede considerarse semipermeable y, por tanto para que éstas no pierdan ni ganen agua deben de ser isotónicas con el medio que las rodea :

1) Si la concentración salina es menor en el interior de la célula que en el medio extracelular, sale agua de la célula y ésta muere. Este fenómeno se conoce como plasmólisis. Esta es la causa por ejemplo de que las células de la raíz de una planta pierdan agua, y por lo tanto el vegetal muera si lo plantamos en un suelo muy salino.

2) Por el contrario, las células ganan agua si su concentración es mayor que la del medio extracelular, es decir se hinchan, fenómeno conocido con el nombre de turgencia. Si no existe una pared rígida, las células pueden llegar a estallar si la diferencia de concentración es los suficientemente grande. Por esta razón no se puede introducir agua destilada directamente en la sangre, pues empezaría a producirse la turgencia del los glóbulos rojos, que en este caso se llamaría hemólisis, y estos podrían

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llegar a estallar. De manera que cuando por ejemplo tenemos que introducir a un enfermo nutrientes o medicamentos de forma intravenosa, debemos utilizar una disolución salina isotónica con el plasma sanguíneo ( suero sanguíneo ) para evitar alteraciones osmóticas.

9. DISOLUCIONES ACUOSAS :

Existen dos tipos de disoluciones acuosas :

a) Las disoluciones verdaderas donde el soluto es de bajo peso molecular como por ejemplo las sales minerales (NaCl) o las moléculas orgánicas pequeñas, la glucosa.

b) Las dispersiones coloidales donde los solutos son de elevado peso molecular, donde el tamaño de las partículas oscila entre una milimicra y 0,2 micras ( como por ejemplo las proteínas de tipo albúmina ).

Por último decir que las dispersiones coloidales pueden presentarse en dos estados: En forma de sol o estado líquido, y en forma de gel o estado semisólido.

CUESTIONES

1. Un individuo ingiere una cantidad excesiva de NaCl, por lo cual se produce una gran

concentración de esta sal en la sangre. ¿ Existirá algún movimiento de agua en las células o en la sangre para compensar este aumento de concentración de NaCl en sangre ?

2. En el tratamiento de cultivos celulares de sangre periférica para obtener extensiones cromosómicas se añade al conjunto de células sanguíneas una solución de concentración salina mucho más baja que el suero fisiológico ; como consecuencia de ello se rompen las membranas plasmáticas. Explicar por qué se produce este fenómeno y la propiedad de las membranas plasmáticas que lo determinan.

3. Un protozoo de agua dulce con membrana plasmática y sin protección exterior se introduce en agua de mar. Describe las transformaciones morfológicas que se espera que sufra, explicando las causas que los produce.

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4. ¿ Por qué a un individuo no se le puede inyectar agua destilada directamente en vena? 5. ¿ Por qué el enlace iónico se considera débil en Biología ?