EJERCICIOS: EL AGUA Y LAS SALES MINERALES

1. Concepto de sistema tampón. Cita algún ejemplo.

La actividad biológica del medio interno celular se produce a un determinado valor de pH.Dados el bajo grado de ionización del H2O, si se le añade un ácido (se añade H3O+) o una base (se añade OH), aunque sea en muy poca cantidad, estos niveles varían bruscamente. En los líquidos biológicos, sin embargo, y pese a estar constituidos únicamente por agua, la adición de ácidos o bases no varía apenas su pH. Ello se debe a que esos líquidos contienen sales minerales y proteínas disueltas que pueden ionizarse en mayor o menor grado dando lugar a H3O+o a OHque contrarresten el efecto de las bases, o ácidos añadidos. Este efecto se denomina efecto tampón y estas disoluciones se las llama disoluciones amortiguadoras.

2. ¿Por qué el agua es un dipolo? Señala una de sus propiedades físico-químicas e indica las funciones biológicas que le permite realizar.

El agua es un dipolo debido a su estructura. El agua presenta dos hidrógenos y un oxígeno en su molécula. Estos átomos se encuentran unidos mediante enlace covalente en los cuales, el oxígenos presenta mayor electronegatividad que los hidrógenos y por ello, los electrones compartidos se ven atraídos hacia su núcleo. El oxígeno, presenta otros cuatro electrones más sin compartir. Todo ello hace que en esta zona del oxígeno aparezca una carga negativa débil. Además, la geometría de la molécula del agua es triangular formando los átomos de hidrógeno con respecto al oxígeno 104,5 º. Todo ello crea una asimetría eléctrica de manera que la zona de los hidrógenos es positiva y la del oxígeno negativa. Por ello se dice que la molécula del agua tiene carácter dipolar.Esta propiedad permite la formación de puentes de hidrógeno que hacen del agua una sustancia muy cohesiva al establecerse cuatro puentes de hidrógeno en cada una de las moléculas. También pueden formarse los puentes de hidrógeno con otras sustancias.

Esta dipolaridad dota al agua de diversas propiedades físico-químicas. Algunas de ellas son: La incompresibilidad de su molécula y por ello actuar como esqueleto hidrostático en células vegetales.Gran poder disolvente y por ello muchas moléculas pueden encontrarse disueltas y pueden reaccionar para que se lleven a cabo las reacciones bioquímicas características de la vida.

3. Cite cuatro oligoelementos que aparecen en el hombre.

Los oligoelementos son bioelementos que se encuentran en una proporción menor al 0,1 %. Son imprescindibles pues tienen funciones esenciales. Por ejemplo Hierro (Fe); Cobre (Cu); Yodo (I) y Zinc (Zn).

4. Concepto de Bioelemento. Cite tres de ellos que considere esenciales en la materia viva razonando la respuesta.

Son aquellos átomos de elementos químicos presentes en la materia viva. Existen unos 70 diferentes clasificados según su proporción en los seres vivos. Los bioelementos mayoritarios o primarios se encuentran en un 99%. Tres de los bioelementos mayoritarios son Carbono (C), Hidrógeno (H) y Oxígeno (O).Estos tres elementos son esenciales porque son capaces de crear enlaces covalentes con electrones compartidos cercanos a los núcleos atómicos que constituirán estructuras biológicas estables. El oxígeno es un elemento electronegativo capaz de crear biomoléculas polares que se disuelven fácilmente en el agua dando reacciones. Además son elementos que pueden incorporarse fácilmente desde el medio externo pues están presentes en moléculas como el dióxido de carbono, el oxígeno molecular y el agua.

5. Explique la función que realizan los siguientes elementos en la materia viva: Nitrógeno, azufre, magnesio, hierro y sodio.

A continuación aparecen varios elementos que forman parte de la materia viva con su función:El Nitrógeno se encuentra formando parte de los grupos aminos de las proteínas. Es parte esencial de los aminoácidos. Estos son los constituyentes esenciales de las proteínas. Las proteínas son uno de los principios inmediatos esenciales que realiza un gran número de funciones vitales (estructurales, enzimáticas, inmunológicas, transportadora, toxicas, identificadoras, etc.) Este elemento, también es componente esencial de los ácidos nucleicos (ADN y ARN) que son esenciales para los seres vivos, ya que forma parte de las bases nitrogenadas que son componentes de los nucleótidos.

6. Explique claramente qué le sucedería a un glóbulo rojo y a una célula vegetal al colocarlos en un medio hipertónico y en un medio hipotónico.

Para responder a esta cuestión debemos tener presente el proceso de ósmosis. Este consiste en el paso de agua a través de una membrana semipermeable siempre a favor de gradiente de concentración, desde la solución más diluida a la más concentrada.Si colocamos una célula vegetal y un glóbulo rojo en un medio hiperosmótico o hipertónico (con mayor concentración en sales que el interior celular), a ambas células

les sucederá lo mismo. El agua del interior celular saldrá de la célula para igualar la concentración con la del medio y sufrirá muerte por plasmólisis.Sin embargo, cuando situemos las células en un medio hipotónico o hipoosmótico (con menor concentración de sales que el interior celular) las células tendrán distinta suerte.El glóbulo rojo, se irá llenando de agua que entrará desde el exterior hasta que se produce la muerte por exceso de turgencia. Sin embargo, la célula vegetal, que posee una pared celular de celulosa, podrá contrarrestar esa presión ejercida por la entrada de agua y llegará un momento, en que deje de entrar. Cuando las presiones se igualen. La célula por tanto no morirá.

7. Propiedades y funciones del agua en los seres vivos derivadas de su estructura.

Resumir todo lo que viene en el libro sobre el agua.

8. Sales minerales. Funciones biológicas.

Las sales minerales pueden realizar diferentes funciones.

1. Constitución de estructuras duras y de sostén o protección (Función plástica)

-Caparazones de carbonato cálcico de crustáceos y moluscos o caparazones silíceos de radiolarios y diatomeas.

-Esqueleto interno de vertebrados, cuya parte mineral está formada por la asociación de varios compuestos minerales (fosfato, cloruro, fluoruro y carbonato de calcio). El fluoruro de calcio que se encuentra también en el esmalte de los dientes tiene la dureza del apatito.

-Determinadas células vegetales incorporan sales minerales en su pared de celulosa, como, por ejemplo las células que se encuentran en los bordes de las hojas de caña (las impregnaciones silíceas las transforman en cuchillos afilados) o las que forman parte de los pelos de las ortigas, que se vuelven frágiles, y, al rozarlos, se fracturan y se convierten en jeringuillas que inyectan su contenido.

También en el citoplasma de algunas células se acumulan cristales de oxalato cálcico en forma de drusas, prismas, etc., que constituyen acúmulos de productos residuales del metabolismo de la planta; si algunos de estos vegetales (espinacas, grelos, etc.) se ingieren en exceso en la dieta, pueden contribuir al desarrollo de cálculos renales o biliares.

-En los animales también existen acúmulos de minerales con muy diferentes misiones, como, por ejemplo, los otolitos del oído interno, que son los cristales de carbonato cálcico que intervienen en el mantenimiento del equilibrio, o las partículas de magnetita (óxido de hierro) presentes en numerosas especies (palomas mensajeras, abejas, delfines, tortugas, etc.) y que, al parecer, utilizan como brújula interna para orientarse en sus desplazamientos.

2. Funciones biológicas y bioquímicas

-Funciones catalíticas. Algunos iones como el Cu+, Mn2+, Mg2+, Zn+, etc., actúan como cofactores enzimáticos y son necesarios para el desarrollo de la actividad catalítica de ciertos enzimas. Otros, como el ión ferroso-férrico (Fe2+ - Fe3+), forman parte del grupo hemo de la hemoglobina y mioglobina, proteínas encargadas del transporte del oxígeno. También el ión Mg2+ es un constituyente de las clorofilas y participa en los procesos fotosintéticos.

-Funciones osmóticas. Intervienen en los procesos relacionados con la distribución de agua en los compartimentos intra y extracelulares. Los iones Na+, K+, Cl-, Ca2+ participan en la generación de gradientes electroquímicos que son imprescindibles en el mantenimiento del potencial de membrana y del potencial de acción y en los procesos de la sinapsis neuronal.

-Función tamponadora. Se lleva a cabo por los sistemas carbonato-bicarbonato y monofosfato-bifosfato (H2PO4

-/HPO42-) y mantienen estable el

pH de los líquidos internos. El primero a nivel extracelular y el segundo a nivel intracelular.

9. Definir en menos de 25 palabras el concepto de oligoelemento.

Bioelemento que se encuentra en una proporción menor al 0,1% y cumple funciones esenciales. Algunos están presentes en todos los seres vivos y otros no.

10. Explique las razones por las que consideramos el agua como disolvente universal. ¿Por qué es tan importante esa función en los seres vivos?

El agua es el líquido que más sustancias disuelve, lo que le ha valido el calificativo de disolvente universal. Esta propiedad, tal vez la más importante para la vida, se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con otras sustancias, pues estas se disuelven cuando interaccionan con las moléculas polares del agua. Los solutos pueden ser moléculas orgánicas, polares o con carga iónica (los alcoholes y los azúcares poseen grupos R-OH, los aminoácidos y las proteínas tienen grupos R-NH3

+ y R-COO-), lo que da lugar a las disoluciones moleculares. También pueden ser electrolitos, es decir, sustancias salinas que al disolverse se disocian total o parcialmente, lo que origina las disoluciones iónicas. Cuando una molécula se disuelve fácilmente en agua se dice que es hidrófila y cuando no es así, se denomina hidrófoba.La capacidad disolvente es la responsable de dos funciones importantes que el agua tiene en los seres vivos.Es el medio en el que transcurren la mayoría de las reacciones del metabolismo, pues el requisito indispensable para que dos sustancias reaccionen es que se encuentran disueltas en el mismo medio y puedan interaccionar. El citoplasma celular es fundamentalmente acuoso y las actividades metabólicas, responsables de la vida celular, dependen casi todas ellas de las sustancias disueltas, o en suspensión, que contienen. Muchas de las propiedades de gran importancia biológica que presentan las proteínas,

los ácidos nucleicos y otras macromoléculas proceden de sus interacciones con el medio acuoso que las rodea.El aporte de los nutrientes y la eliminación de los productos de desecho se realiza a través de sistemas de transporte acuosos (la sangre en los animales y la savia en las plantas) en los que se disuelven previamente todas estas sustancias. Uno de los mecanismos que posee el hígado para desintoxicar el organismo de sustancias perjudiciales, consiste en añadirles grupos polares (-OH, NH2, etc.) con el fin de hacerlas más solubles y por tanto más fácilmente eliminables por la sangre a través del riñón con la orina, la bilis, etc.

11. Dibuje la estructura del agua y la unión de sus moléculas.

12. ¿Hay diferencias en el comportamiento de una célula animal y de una vegetal ante los cambios de concentración de soluto en el medio? Justifica la respuesta.

Misma respuesta que en el ejercicio 6.

13. Explica ayudándote de un dibujo, una de las propiedades más importantes del agua: la fuerte cohesión entre sus moléculas

El agua es un dipolo debido a su estructura. El agua presenta dos hidrógenos y un oxígeno en su molécula. Estos átomos se encuentran unidos mediante enlace covalente en los cuales, el oxígenos presenta mayor electronegatividad que los hidrógenos y por ello, los electrones compartidos se ven atraídos hacia su núcleo. El oxígeno, presenta otros cuatro electrones más sin compartir. Todo ello hace que en esta zona del oxígeno

aparezca una carga negativa débil. Además, la geometría de la molécula del agua es triangular formando los átomos de hidrógeno con respecto al oxígeno 104,5 º. Todo ello crea una asimetría eléctrica de manera que la zona de los hidrógenos es positiva y la del oxígeno negativa. Por ello se dice que la molécula del agua tiene carácter dipolar.Esta propiedad permite la formación de puentes de hidrógeno que hacen del agua una sustancia muy cohesiva.Como se ve es la misma respuesta que en la pregunta 2.

14. Explica ayudándote de un dibujo, la tensión superficial del agua y su importancia en los seres vivos.

Las moléculas de agua que no se encuentran en la superficie, se cohesionan entre si haciendo que las fuerzas que aparecen entre ellas se compensen, sin embargo, en las moléculas de superficie, esas fuerzas no están compensadas puesto que estas moléculas no se encuentran totalmente rodeadas por otras. La fuerza resultante por tanto es una fuerza hacia el interior del líquido que se denomina tensión superficial y hace que la superficie se comporte como una membrana elástica tensa. Esto es la causa de la mayoría de las deformaciones celulares y de los movimientos citoplasmáticos y también es aprovechado por ciertos insectos para poder sostenerse sobre la superficie del agua.

15. Clasificación de los bioelementos. Nombra alguno de ellos.

Los bioelementos, son los elementos del sistema periódico que forman parte de los seres vivos y la materia orgánica. Son unos 70, 25 de los cuales están presentes en todos los seres vivos y el resto sólo aparece en determinados seres vivos.Según la proporción en que se encuentran se clasifican en:Bioelementos primarios o mayoritarios. Constituyen un 99% de la materia viva y son (Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno, Azufre y Fósforo).Bioelementos secundarios. Se encuentran en menor proporción que los anteriores (Na, K, Ca, Cl y Mg).Oligoelementos. Se encuentran en una proporción menor al 0,1% y cumplen funciones esenciales. Su ausencia puede causar graves problemas. No todos están presentes en todos los seres vivos, sino que unos aparecen en unos grupos y otros en otros. Por ejemplo, Fe, Cu, Zn, Mn, Co, I, Ni que aparecen en casi todos o Al, Cr, Li, Si, Mo que solo están en unos grupos.

16. Explica qué propiedades del carbono han sido útiles para formar biomoléculas.

Forma enlaces covalentes, concretamente cuatro siendo sus moléculas estables puesto que estos electrones que comparte están cercanos al núcleo atómico. Es fácilmente incorporable desde el CO2 atmosférico.El carbono posee de número atómico 6 y, por ello, su configuración electrónica es: 1s2 2s2 2p2, en principio, sólo dispone de dos electrones desapareados, por lo que tendría valencia II. Sin embargo, desaparea un electrón del orbital 2s2, que pasa a ocupar el 2pz,

y posee de esta forma un máximo de electrones desapareados (ocupan los orbitales 2s1 2px

1 2py1 2pz

1).Entre el orbital 2s1 y los tres orbitales p se forman cuatro orbitales híbridos sp3

orientados hacia los cuatro vértices de un tetraedro. Con ello, el átomo de carbono adquiere valencia IV, lo que le permitirá formar cuatro enlaces covalentes simples, distribuidos tetraédricamente, al aceptar electrones para compartir con otros átomos sus cuatro orbitales enlazantes.Los enlaces entre los átomos de carbono pueden ser simples (C-C), dobles (C=C) o triples y permiten construir cadenas más o menos largas, lineales o ramificadas, y anillos cíclicos que constituyen los esqueletos carbonados de una gran variedad inmensa de moléculas orgánicas. Además, a causa de la configuración tetraédrica de sus orbitales, se pueden conseguir moléculas con estructuras tridimensionales diferentes, que son de capital importancia en la función biológica que desempeñan: la unión específica de los anticuerpos a determinados antígenos, de los enzimas a sus correspondientes sustratos, de los receptores de membrana a ciertas hormonas, etcétera.

17. Un buen desayuno puede ser el siguiente: un zumo de naranja, un tazón de leche, 3 tostadas de pan con mantequilla y mermelada. Se habrán ingerido una serie de nutrientes o principios inmediatos necesarios para el organismo:

a) Citar los principios inmediatos fundamentales en cada uno de los componentes de este desayuno.

Zumo de naranja: Presenta azúcares de la fruta y vitaminas. (Glúcidos; moléculas con función catalizadora)Tazón de leche: Proteínas de la leche, vitaminas, grasas (lípidos, si no es desnatada) y lactosa (glúcido)Pan con mantequilla y mermelada (glúcidos y lípidos)

b) ¿Cuáles son los componentes comunes a todos ellos?

Los elementos comunes son los glúcidos y los lípidos que aportan energía en la primera de las comidas del día. Es esencial que en el desayuno se tomen glúcidos que van a aportar la energía rápida para las actividades inminentes y lípidos que nos aportan una energía de reserva que se gastará a posteriori.

18. ¿A qué se debe la polaridad del agua? ¿Cuáles son las consecuencias químicas y biológicas?

El agua es un dipolo debido a su estructura. El agua presenta dos hidrógenos y un oxígeno en su molécula. Estos átomos se encuentran unidos mediante enlace covalente en los cuales, el oxígenos presenta mayor electronegatividad que los hidrógenos y por ello, los electrones compartidos se ven atraídos hacia su núcleo. El oxígeno, presenta otros cuatro electrones más sin compartir. Todo ello hace que en esta zona del oxígeno aparezca una carga negativa débil. Además, la geometría de la molécula del agua es

triangular formando los átomos de hidrógeno con respecto al oxígeno 104,5 º. Todo ello crea una asimetría eléctrica de manera que la zona de los hidrógenos es positiva y la del oxígeno negativa. Por ello se dice que la molécula del agua tiene carácter dipolar.

Las consecuencias de esta polaridad son las siguientes:

Gran poder de disolución debido a una elevada constante dieléctrica (fuerza con la que las moléculas de un disolvente mantiene separados los iones de carga opuesta, a pesar de la atracción que existe entre ellos, y que permite que el compuesto iónico siga disuelto) con valor 80 a 20 ºC. Esto permite que en ella se produzcan las reacciones del metabolismo (para que se den las sustancias que reaccionan deben estar disueltas en el mismo medio) y que el agua sirva de vehículo para transportar tanto nutrientes como desechos.Elevado calor específico y calor de vaporización debido a los puentes de hidrógeno que se han formado por la polaridad de la molécula. Esto hace que el agua sea un líquido que regule la temperatura corporal de los organismos y del propio medio que los rodea actuando como amortiguadora térmica.La capilaridad del agua es debida a la cohesión existente entre sus moléculas y esto permite que en las plantas los nutrientes puedan ascender disueltos en este líquido por los vasos conductores que son muy estrechos.Igualmente la gran cohesión entre sus moléculas derivada de esa polaridad, hace que sea un líquido casi incompresible permitiendo su función como esqueleto hidrostático en células vegetales y como amortiguador de golpes entre articulaciones y otros tejidos.La tensión superficial también es resultado de esa polaridad y permite los movimientos citoplasmáticos y las deformaciones celulares.

19. Señala alguna función específica de los siguientes iones: HCO-3 , Ca2+ , Na+ , Fe2+

El ión bicarbonato (HCO3-) funciona como base conjugada en un sistema tampón

junto con el ácido H2CO3. Juntos, amortiguan las variaciones de pH del medio extracelular.El catión Ca2+ juega varios papeles importantes en los seres vivos. Uno de ellos es la intervención en la contracción muscular, otro es su intervención en la coagulación de la sangre y la mineralización de estructuras esqueléticas. Tiene algunas más que podrían mencionarse.El ión Na+ es esencial para la transmisión de la corriente nerviosa, así como para mantener el equilibrio iónico y acuoso en el medio extracelular.El ión ferroso Fe2+ Juega un papel imprescindible en el transporte del oxígeno puesto que es el componente central de la molécula de hemoglobina. También es parte importante de los citocromos de las cadenas de transporte electrónico.

20. ¿Qué es la ósmosis? ¿Qué efectos osmóticos se producen cuando las células animales o vegetales se enfrentan con soluciones que tienen distinta osmolaridad?

Misma respuesta que en el ejercicio seis. Únicamente cambiar glóbulo rojo por célula animal.

21. Señala las proposiciones incorrectas sobre las funciones biológicas de las sales minerales.

a) Pueden asociarse a moléculas orgánicas como proteínas Correctab) Forman parte de estructuras esqueléticas. Correctac) Disueltas en agua están disociadas en iones. Correctad) Aportan energía a las células. (Incorrecta)

22. ¿Qué ocurriría si introdujéramos un pez marino en agua dulce? ¿Y uno de agua dulce en agua marina?

En ambos casos los peces morirían por modificaciones en la presión osmótica, producidas por las diferentes concentraciones de sales existentes en el medio externo y en el interno del pez.Introducimos un pez marino en agua dulce. En esta situación el medio interno del pez es más concentrado que el medio externo, se encuentra en un medio hipoosmótico o hipotónico en el que el agua tiende a pasar al interior de las células, y estas se hinchan llegando a estallar, hecho que se conoce como hemolisis.Los seres que en el curso de la evolución se trasladaron del mar al agua dulce, desarrollaron sistemas que les permiten eliminar el agua que invadía su interior (riñones que eliminen orina muy diluida o células especiales en las branquias que absorben las escasas sales presentes en el medio y las transportan activamente hacia el interior del organismo).Introducimos un pez de agua dulce en el mar. En esta situación el medio externo es más concentrado, hipertónico o hiperosmótico con respecto al medio interno de los peces, el agua tiende a salir de las células, fenómeno conocido como plasmólisis: las células se arrugan y la pérdida de agua puede producir la deshidratación.

Los peces cartilaginosos se hicieron tolerantes a las altas concentraciones de urea, permitiéndoles mantener la presión osmótica equilibrada.

Otros peces adquirieron glándulas excretoras para eliminar el exceso de sales acumuladas en el organismo, ya que son peces que beben constantemente para evitar la deshidratación.

Desarrollaron riñones que eliminan orina muy concentrada.

23. Al añadir un ácido a una disolución de cloruro sódico, se produce un gran descenso en el valor del pH. Sin embargo, si se añade la misma cantidad de ácido al plasma sanguíneo, apenas cambia el pH. Proponga una explicación para este hecho. ¿Cuáles serían las consecuencias de las variaciones bruscas de pH en los seres vivos?.

La explicación de que el pH del plasma sanguíneo no sufra una brusca variación, pasa por la existencia en este líquido extracelular de moléculas amortiguadoras. Estas moléculas son el sistema tampón H2CO3/H-CO3, las proteínas presentes, que con los

radicales de muchos de sus aminoácidos realizan también esa amortiguación y la conversión del ácido del sistema tampón en CO2 y H2O. Se produce así un control del pH sanguíneo. La variación de este, sería desastrosa puesto que se produciría una modificación en las proteínas. Estas variarían su conformación y por tanto se produciría una desnaturalización que llevaría a su no funcionamiento. Sobre todo, se verían afectadas todas las enzimas que catalizan las reacciones metabólicas así como estructuras que contienen proteínas.

24. Identifica los procesos que aparecen en los siguientes dibujos. Pon el nombre correspondiente en los recuadros de cada dibujo.