Apuntes Biología 2º Bachillerato - Tema 2: El Agua y Sales Minerales PDF

BIOLOGÍA – 2º BACHILLERATO TEMA 2: EL AGUA Y LAS SALES MINERALES TEMA 2: EL AGUA Y LAS SALES MINERALES INTRODUCCIÓN El agua es el componente mayoritario de los seres vivos, siendo...

BIOLOGÍA – 2º BACHILLERATO TEMA 2: EL AGUA Y LAS SALES MINERALES TEMA 2: EL AGUA Y LAS SALES MINERALES INTRODUCCIÓN El agua es el componente mayoritario de los seres vivos, siendo entre el 60% y el 95% de su masa. Pero, a pesar de su abundancia y su simplicidad, el agua es un compuesto químico con una enorme cantidad de propiedades positivas y su gran cantidad de funciones biológicas. La mayor parte del agua de un organismo proviene del medio externo (exógena), sin embargo, existe una cantidad que se origina como producto de reacciones metabólicas (endógena). 1. ESTRUCTURA DE LA MOLÉCULA DE AGUA El agua está formada por dos moléculas de hidrógeno y una de oxígeno. El oxígeno tiene una configuración electrónica con orbitales orientados como un tetraedro. De los 4 orbitales, sólo 2 se enlazan con el H. Esto provoca, por un lado, que el ángulo que forman los dos enlaces sea de 104,5º, y por otro que la molécula de agua sea polar, al ser el oxígeno más electronegativo. Así, el oxígeno concentra una densidad de carga negativa (δ-) mientras que los núcleos de H quedan parcialmente desprovistos de sus electrones, con una densidad e carga positiva (δ+). 1.1 Los enlaces puente de hidrógeno Gracias al marcado carácter dipolar, pueden producirse interacciones de tipo puentes de hidrógeno entre moléculas de agua. Esto se produce cuando la carga parcial negativa del oxígeno de una molécula de agua, ejerce una atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los hidrógenos de otra molécula de agua. Cada molécula de agua puede participar hasta en 4 puentes de hidrógeno a la vez. Así, aunque los puentes de hidrógeno son uniones débiles, el hecho de que alrededor de cada molécula de agua haya un promedio de otras 3,4 moléculas unidas permite que se forme en al agua una estructura reticular, responsable en gran parte de sus particularidades fisicoquímicas. 2. PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS Y FUNCIONES BIOLÓGICAS I. Elevada fuerza de cohesión Los puentes de hidrógeno mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura líquida casi incompresible. Esta fuerza de cohesión permite:  Mantener es estado de turgencia de las plantas.  El funcionamiento del esqueleto hidrostático de algunos animales invertebrados.  Actuar como lubricante y amortiguadora, como el líquido sinovial (en articulaciones de los animales). 1 BIOLOGÍA – 2º BACHILLERATO TEMA 2: EL AGUA Y LAS SALES MINERALES II. Elevada fuerza de adhesión La adhesión es la fuerza que mantiene unidas moléculas de sustancias diferentes. Al poder el agua establecer puentes de hidrógeno con otras moléculas polares, se generará una fuerza de adhesión entre las mismas. Esta es la responsable de fenómenos como la capilaridad (ascenso por un capilar de poco diámetro). La adhesión (junto con las fuerzas de cohesión) permite:  El ascenso de savia bruta de las raíces a las hojas en plantas. III. Elevada tensión superficial Las moléculas de la superficie de una acumulación de agua (ya sea una gota de agua o un lago), se atraen hacia el interior del líquido y este actúa como una membrana tensa. Este fenómeno permite:  La deformación celular y movimientos citoplasmáticos de algunas células (por ejemplo, una ameba).  Soporte pequeños pesos de insectos que habitan medios acuáticos. IV. Menor densidad del hielo que del agua líquida Como todos los líquidos, el agua se contrae con el descenso de la temperatura. Pero, al alcanzar los 4ºC, la contracción cesa y la estructura comienza a dilatarse, pues en estado líquido las moléculas de agua están más juntas que las de hielo. Por ello, el hielo es menos denso y flota sobre el agua, lo cual permite la existencia de seres vivos en zonas extremadamente frías. V. Gran calor específico El calor específico es la cantidad de energía que una sustancia puede absorber sin modificar su temperatura. El agua, al poder emplear esa energía en romper la multitud de puentes de hidrógeno que posee, tiene un calor específico muy elevado, por lo que actúa como un tampón térmico. El agua mantiene la temperatura constante pese a los cambios de temperatura externos. VI. Elevado calor latente de vaporización El calor latente de vaporización es la energía que necesita 1 gramo de la sustancia para evaporarse. Para que el agua se evapore es necesario, por un lado, romper los puentes de hidrógeno existentes entre las diferentes moléculas, y por el otro dotar a las moléculas de agua de la energía que les permita pasar de líquido a gas. Es en este proceso en el que se basa, por ejemplo, la sudoración de los animales: La evaporación de una pequeña cantidad de agua requiere un gasto de energía calorífica importante, gracias a lo cual el ser vivo disminuye su temperatura. 2 BIOLOGÍA – 2º BACHILLERATO TEMA 2: EL AGUA Y LAS SALES MINERALES VII. Elevada constante dieléctrica El agua es el líquido que más sustancias disuelve, de ahí que se considere el disolvente universal. Esta propiedad se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con los solutos polares. El agua se opone a las atracciones electrostáticas entre iones positivos y negativos, favorece la disolución de redes cristalinas facilitando su disociación en cationes y aniones. La capacidad disolvente del agua es responsable de dos funciones muy importantes:  Por un lado, es el medio en el que transcurren la mayoría de las reacciones metabólicas, pues para que dos sustancias reaccionen deben estar disueltas en el mismo medio.  Por otro, el aporte de nutrientes y la eliminación de productos de desecho se realizan a través de sistemas de transporte acuosos (la sangre y la savia) en los que estos productos han sido previamente disueltos. En concreto en el ser humano, una de las funciones del hígado es la introducción de grupos polares (-OH, NH2...) en las moléculas tóxicas para hacerlas solubles y fácilmente eliminables a través de la sangre. VIII. Bajo grado de ionización Dos moléculas polares de agua pueden ionizarse debido a la atracción ejercida por los puentes de hidrógeno, tal y como se muestra en la figura: En la hidrólisis ácido-base el agua se divide en el ion hidroxilo OH- y un ion H+ (el cual es inmediatamente hidratado para formar el ion hidronio H3O+). Esta reacción sucede espontáneamente en agua pura. A consecuencia, el agua no es un líquido químicamente puro, sino una solución iónica con iones hidronio (H3O⁺) e iones hidroxilo (OH⁻). No obstante, el agua pura es un electrolito muy débil. Aproximadamente 1 molécula de cada 550 millones se encuentra disociada.  Esta característica permite reacciones de hidrólisis (ruptura de moléculas mediante la acción del agua ionizada). 3. pH Y SOLUCIONES TAMPÓN O BUFFER En cualquier disolución, la [H3O⁺] o [H⁺] es variable entre 10⁰y 10⁻¹⁴. Pero como la utilización de valores tan pequeños es incómoda, se ha acuñado el término de pH, cuya escala se encuentra entre 1 y 14. pH = - log [H⁺] Las disoluciones podrán ser neutras (pH = 7), ácidas (pH < 7) o básicas (pH > 7). Biológicamente, es importante tener en cuenta que la mayoría de las reacciones metabólicas suceden a pH cercanos a la neutralidad, ya que al variar el pH las enzimas catalizadoras se desnaturalizan o actúan con menor eficacia. Por 3 BIOLOGÍA – 2º BACHILLERATO TEMA 2: EL AGUA Y LAS SALES MINERALES ello, es necesario un mecanismo que mantenga el pH en los niveles acordes con las necesidades biológicas. Esto se consigue gracias a los tampones, que pueden ser proteínas o sales minerales, como los fosfatos o los bicarbonatos. Estos tampones, que pueden ser de origen orgánico (como las proteínas, hemoglobina, etc) o de naturaleza inorgánica (como el bicarbonato o fosfatos) regulan el pH del plasma sanguíneo o el líquido intracelular, por ejemplo. Si en una disolución en la que hay suficiente cantidad de bicarbonato aumenta el número de iones de hidrógeno, los hidrógenos reaccionarán con el bicarbonato para dar agua. Así, los H⁺, que bajarían el pH en ausencia de HCO3⁻, desaparecen y el pH sigue siendo el óptimo para actividades vitales. En cambio, si la proporción de H+ disminuye, el H2CO3 se descompondrá, aportando al medio más iones H⁺. Así, el bicarbonato actúa como tampón. 3. LAS SALES MINERALES Las sales minerales, al igual que el agua, son biomoléculas inorgánicas. En este grupo se pueden diferencias dos tipos en función de su solubilidad:  Sales minerales insolubles en el agua Al encontrarse en estado sólido, sirven como protección y sostén de los seres vivos. Ejemplos:  Carbonatos: caparazones de foraminíferos; corales, moluscos, esponjas.  Silicatos: esponjas, diatomeas, radiolarios.  Fosfato de calcio: huesos.  Fluoruro de calcio: dientes.  Sales minerales solubles en el agua Se encuentran disociadas en sus iones. Desempeñan varias funciones biológicas:  Funciones catalíticas: Algunos iones actúan como cofactores enzimáticos, luego son necesarios para la acción de ciertas enzimas. Otros, como el Fe, forman parte de las proteínas encargadas de transportar el oxígeno. 4 BIOLOGÍA – 2º BACHILLERATO TEMA 2: EL AGUA Y LAS SALES MINERALES  Funciones osmóticas: Intervienen en procesos relacionados con la distribución del agua en el interior y el exterior de la célula.  Función tamponadora: Mantienen el pH constante dentro de ciertos límites.  Generan potenciales eléctricos (K+ y Na+).  Coagulación de la sangre (Ca++). 4. OSMOSIS Y PRESIÓN OSMÓTICA Si tenemos dos soluciones acuosas de diferente concentración de solutos, separadas por una membrana semipermeable, se produce un fenómeno de difusión pasiva llamado ósmosis, la cual consiste en el paso del agua o disolvente (pero NO de solutos) desde la solución más diluida a la más concentrada. Según la concentración de solutos en el medio exterior, las soluciones se clasifican como: - Hipertónica: tienen una mayor concentración de solutos con respecto a otra solución. - Isotónica: igual concentración de solutos que el otra. - Hipotónica: tienen una menor concentración de solutos comparada con otra. 5 BIOLOGÍA – 2º BACHILLERATO TEMA 2: EL AGUA Y LAS SALES MINERALES Las membranas celulares se comportan como membranas semipermeables, donde ocurre la ósmosis. Por ejemplo, en los glóbulos rojos, según sea la concentración de solutos fuera y dentro de estos, pueden ocurrir 3 procesos: Equilibrio (isotónico) Hemólisis (medio hipertónico) Crenación (medio hipotónico) 6