Biología 2º Bachillerato - Agua y Sales Minerales PDF

Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol 2. MOLÉCULAS INORGÁNICAS: AGUA Y SALES MINERALES. 2.1. AGUA EN LOS SERES VIVOS. § Importancia biológica: El agua es el líquido más abundante de la corteza y uno de lo...

Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol 2. MOLÉCULAS INORGÁNICAS: AGUA Y SALES MINERALES. 2.1. AGUA EN LOS SERES VIVOS. § Importancia biológica: El agua es el líquido más abundante de la corteza y uno de los pocos líquidos naturales. No es de extrañar entonces que el agua sea una sustancia esencial en los seres vivos. El agua es el componente más abundante en los medios orgánicos, los seres vivos contienen por término medio un 70% de agua. No todos tienen la misma cantidad, los vegetales tienen más agua que los animales y ciertos tejidos (por ejemplo: el tejido graso) contienen menos agua (tiene entre un 10% a un 20% de agua) que otros como, por ejemplo: el nervioso, con un 90% de agua. También varia con la edad, así, los individuos jóvenes tienen más agua que los adultos (la carne de ternera es más tierna que la de vaca). El agua en los seres vivos se encuentra tanto intra como extracelularmente. El agua intracelular, la que está en el interior de las células, representa 2/3, aproximadamente, del agua que contiene un ser vivo y el agua extracelular representa el tercio restante. Esta última se encuentra bañando las células o circulando en forma de sangre, linfa, savia, etc. En los seres unicelulares y en los organismos acuáticos el agua es además su medio ambiente. El agua interviene en muchas reacciones químicas, bien como reactivo o como producto de la reacción, y resulta imprescindible para la estabilidad de muchas sustancias biológicas, por ejemplo, las proteínas. Por último diremos que la vida se originó hace más de 3500 millones de años en el medio acuático y las condiciones de aquel ambiente primitivo imprimieron un sello permanente en la química de los seres vivos. Todos los seres vivos han sido diseñados alrededor de las propiedades características del agua, tales como su carácter polar, sus enlaces de hidrogeno y sus elevados puntos de fusión, ebullición, calor especifico y tensión superficial. Curso 2024-25 2.1 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol § La molécula de agua: La molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. Su fórmula química es H2O. La unión entre el átomo de oxígeno y los átomos de hidrógenos se realiza mediante enlaces covalentes, en los que cada átomo de hidrógeno de la molécula de agua comparte un par de electrones con el átomo de oxígeno (uno del átomo de hidrógeno y el otro del átomo de oxígeno). El átomo de oxígeno es más electronegativo que el átomo de hidrógeno, por lo que los pares de electrones compartidos se ven atraídos con más fuerza por el oxígeno que por el hidrógeno. Esto hace que la molécula se comporte como un dipolo eléctrico, correspondiendo el polo positivo a los átomos de hidrógeno y el negativo, al átomo de oxígeno. La molécula de agua tiene carácter dipolar aunque no presenta carga eléctrica neta. Esta polaridad favorece los enlaces entre moléculas de agua, permitiendo que el agua sea una sustancia muy cohesiva, ya que cada molécula de agua puede establecer cuatro puentes de hidrógeno con otras tantas moléculas. Por otra parte, el oxígeno posee cuatro electrones más sin compartir, lo que tiene dos consecuencias: La presencia de una carga negativa débil en la zona donde se sitúan los electrones no compartidos. La geometría triangular que posee la molécula de agua, de manera que los átomos de hidrógeno forman con el oxígeno un ángulo de 104,5º. Curso 2024-25 2.2 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol También se pueden formar enlaces de hidrógeno entre el agua y otras moléculas polares distintas (alcoholes, aminas, etcétera). Los enlaces de hidrógeno son mucho más débiles que los enlaces covalentes o los iónicos. Duran sólo unos instantes, pero se rompen y se forman constantemente, lo que mantiene las interacciones, permitiendo que las moléculas de agua se unan dotando de una gran cohesión interna al agua líquida. § Propiedades del agua y funciones en los seres vivos: a) Gran poder disolvente: El agua es el disolvente universal, el que más sustancias puede disolver. El carácter dipolar del agua le permite disolver los compuestos polares y los compuestos iónicos. - Los compuestos polares (alcoholes, aldehídos, aminoácidos...) establecen enlaces de hidrógeno entre el agua y los grupos polares de estos compuestos. Recuerda que los compuestos polares no tienen carga eléctrica neta, pero tienen cargas eléctricas parciales debido a la diferencia de electronegatividad entre los átomos. - Los compuestos iónicos, como las sales minerales, se disuelven gracias a las atracciones electrostáticas que se establecen entre los dipolos del agua y los iones, formándose iones solvatados, o sea, rodeados de una capa de moléculas de agua o capa de solvatación. El agua se interpone entre los compuestos iónicos disminuyendo considerablemente la fuerza de atracción entre los iones, provocando su separación y, por tanto, su disolución. Podemos clasificar las sustancias según su solubilidad en agua: Hidrófilas: solubles en agua, como la sal común (compuesto iónico) y el azúcar (compuesto polar). Hidrófobas: insolubles en agua., como las grasas y otras sustancias no polares. La elevada capacidad disolvente es la responsable de dos funciones importantes del agua: Función de transporte: El agua es el principal medio de transporte de los organismos (sangre, savia bruta y elaborada). Curso 2024-25 2.3 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol Función metabólica y bioquímica: En el agua tienen lugar las reacciones bioquímicas propias de la vida (que se realizan entre moléculas disueltas en agua). Interviene en muchas reacciones químicas, como la hidrólisis (rotura de enlaces con intervención de agua) que se da durante la digestión de los alimentos, como fuente de hidrógenos en la fotosíntesis, etc. b) Elevada fuerza de cohesión: Las moléculas de agua presentan una elevada cohesión interna debida a los puentes de hidrógeno. Las principales funciones que derivan de esta propiedad son: Gran incompresibilidad. Hace falta mucha energía para aproximar dos moléculas de agua, lo que hace que el agua sea prácticamente incompresible, idónea como esqueleto hidrostático para dar volumen a las células, provocar la turgencia de las plantas, constituir el esqueleto hidrostático de anélidos y celentéreos, etc. Función estructural. El volumen y forma de las células que carecen de membrana rígida se mantienen gracias a la presión que ejerce el agua interna. Al perder agua, las células pierden su turgencia natural, se arrugan y hasta pueden llegar a romperse (lisis). Elevada tensión superficial. Su superficie opone una gran resistencia a romperse. Esto permite que muchos organismos vivan asociados a esa película superficial. c) Alta fuerza de adhesión: Esto hace que el agua se adhiera a la superficie del recipiente que lo contiene, y que, por ejemplo, la savia bruta ascienda por los tubos capilares. La función que se deriva de esta propiedad, es el fenómeno de la capilaridad, que depende tanto de la adhesión de las moléculas de agua a las paredes de los conductos como de la cohesión de las moléculas de agua entre sí. Consiste en que las moléculas de agua presentan una gran capacidad de adherirse a las paredes de conductos de pequeño diámetro, ascendiendo en contra de la gravedad. Curso 2024-25 2.4 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol d) Elevado calor específico: El calor específico es la cantidad de calor que es necesario comunicar a un gramo de una sustancia para aumentar su temperatura 1ºC. Debido al elevado calor específico del agua, hace falta mucho calor para elevar su temperatura. Es capaz de absorber mucho calor sin que se aumente, apenas, su temperatura. También consecuencia de la formación de puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua, pues la energía se emplea en romper los puentes de hidrógeno, no en aumentar la temperatura por agitación molecular. Así, al comunicar una cierta cantidad de calor, la temperatura se eleva poco y, de la misma forma, al liberar energía por enfriamiento, la temperatura desciende más lentamente que en el caso de otros líquidos. Esta propiedad le hace tener función termorreguladora, siendo un estabilizador térmico, manteniendo la temperatura del organismo relativamente constante, a pesar de las fluctuaciones ambientales. e) Elevado calor de vaporización: Es necesaria mucha energía para que el agua se evapore, que pase de líquido a gas, pues es necesario romper los puentes de hidrógeno existentes en la fase líquida. Los puentes de hidrógeno entre moléculas de agua permiten que sigan unidas entre sí a una temperatura a la que otras moléculas, químicamente comparables, como el H2S o el NH3, están en estado gaseoso. La función que se deriva de esta propiedad, junto con la anterior, es la termorreguladora, pues se consigue una disminución de la temperatura de un organismo al perder una cantidad de calor que es empleada en la evaporación del agua. Le permite eliminar gran cantidad de calor con poca pérdida de agua. Como consecuencia de que el agua sea líquida a temperatura ambiente, el agua se emplea como medio fluido de transporte entre las diferentes partes de un organismo. También tiene función mecánica amortiguadora, como en los vertebrados, que poseen en sus articulaciones bolsas de líquido sinovial que evita el roce entre los huesos. f) Densidad anómala del agua: mayor en estado líquido que en sólido: En el hielo, cada molécula de agua se une por cuatro puentes de hidrógeno con sus vecinas, formando una estructura más abierta que en estado líquido, estando más separadas. Esto hace que el hielo flote en el agua y que forme una capa superficial Curso 2024-25 2.5 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol termoaislante que permite la vida, bajo ella, en ríos, mares y lagos. El agua alcanza su densidad máxima a 4ºC. Si el hielo fuera más denso que el agua, acabaría helándose toda el agua. La función que se derivaría de esta propiedad sería, entonces, ecológica. g) Bajo grado de ionización: En el agua pura, a 25 ºC, de cada 551.000.000 de moléculas de agua, sólo una se encuentra ionizada, disociada en H+ y OH-, lo que hace que la concentración de iones hidronio (H3O+) y de los iones hidroxilo (OH-) sea muy baja, concretamente 10-7 moles por litro ([H3O+] = [OH-] = 10-7). Con estos bajos niveles de H3O+ y de OH-, si al agua se le añade un ácido (se añade H3O+) o una base (se añade OH-), aunque sea en muy poca cantidad, estos niveles varían bruscamente. Por eso, el agua tiene función amortiguadora, y el pH del agua pura es igual a 7. 2.2. LAS SALES MINERALES EN LOS SERES VIVOS. Además del agua existen otras biomoléculas inorgánicas como las sales minerales. En función de su solubilidad en agua se distinguen dos tipos: insolubles y solubles en agua. § Sales insolubles en agua: forman estructuras sólidas, que suelen tener función de sostén o protectora, como: esqueleto interno de vertebrados, en el que encontramos fosfatos, cloruros, y carbonatos de calcio; caparazones de carbonato cálcico de crustáceos y moluscos; endurecimiento de células vegetales, como en gramíneas (impregnación con sílice); otolitos del oído interno, formados por cristales de carbonato cálcico (equilibrio). § Sales solubles en agua: se encuentran disociadas en sus iones (cationes y aniones) que son los responsables de su actividad biológica. Desempeñan las siguientes funciones: Funciones catalíticas. La presencia de determinados iones (Fe2+, Mn2+, Cu2+, Mg2+, Zn2+,...), actúan como cofactores, activando o inhibiendo Curso 2024-25 2.6 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol reacciones bioquímicas, asociándose a la sustancia reaccionante o a las enzimas. Por ejemplo, el ion Fe2+ forma parte del grupo hemo de la hemoglobina y la mioglobina, y el ion Mg2+ de la clorofila. Funciones osmóticas. Intervienen en los procesos relacionados con la distribución de agua entre el interior celular y el medio donde vive esa célula. Generan potenciales eléctricos: las sales disueltas generan potenciales eléctricos, de forma que a ambos lados de las membranas existe una diferencia de cargas eléctricas. Se produce un potencial de membrana que ejerce una fuerza sobre cualquier molécula cargada eléctricamente. Los iones que se encuentran en el interior de las células no son los mismos que los del medio externo, por lo que a ambos lados de la membrana existen distintas cargas eléctricas. Esta distribución irregular de iones provoca la existencia de un potencial de membrana que ejerce una fuerza sobre cualquier molécula con carga eléctrica. Función tamponadora: las disoluciones de sales que tienen esta función se denominan tampones o disoluciones amortiguadoras. Disminuyen las variaciones del pH que se producen en reacciones bioquímicas. La mayoría de las funciones vitales de los seres vivos necesitan valores de pH próximos a la neutralidad. Las sustancias disueltas en agua alteran el pH, que debe mantenerse próximo a 7 para que sea compatible con la vida, ya que una pequeña variación puede afectar a la actividad de los enzimas en las reacciones metabólicas. En los organismos, para evitar que el pH de sus fluidos no cambie bruscamente, están presentes los llamados sistemas tampón o amortiguadores de pH. Estos sistemas se basan en las propiedades de los ácidos débiles, o sea, ácidos que no se disocian totalmente, de manera que a un intervalo de pH determinado actúan como ácidos o como bases, dadores o aceptores de protones sin que cambie apenas el pH del medio. Curso 2024-25 2.7 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol Funciones fisiológicas y bioquímicas: es necesaria la intervención de determinados iones para la realización de muchos procesos biológicos. Algunos de los más importantes son los siguientes: Iones Procesos en los que intervienen Mantenimiento del equilibrio iónico y acuoso en el medio Na+ extracelular, transmisión de la corriente nerviosa. Contracción muscular, regulación de la actividad cardíaca, K+ transmisión de la corriente nerviosa. Coagulación de la sangre, mineralización de estructuras +2 esqueléticas, contracción muscular, regulación de la actividad Ca cardíaca, transmisión sináptica, activador y cofactor de algunas enzimas. Regulador de la contracción muscular y de la transmisión de la +2 Mg corriente nerviosa, constituyente de los ribosomas funcionales, activador y cofactor de algunas enzimas. Los iones realizan funciones biológicas imprescindibles para la vida. Por eso es necesario que las concentraciones iónicas y la proporción entre los cationes se mantengan en un equilibrio constante. Cualquier variación de dicho equilibrio, ya sea por defecto o por exceso, puede provocar importantes alteraciones. Así, para una transmisión nerviosa adecuada y para el correcto funcionamiento cardíaco debe existir un equilibrio entre las concentraciones de K+ y de Ca2+, ya que el exceso o el defecto de cualquiera de estos iones impide la realización de estos procesos fisiológicos. 2.2.1. LAS DISOLUCIONES Y LAS DISPERSIONES COLOIDALES: En los seres vivos, el estado líquido está constituido por dispersiones de muchos tipos de moléculas dispersas o solutos y un solo tipo de fase dispersante o disolvente, que es el agua. Según el peso molecular de los solutos distinguimos: § Disoluciones verdaderas: Si los solutos son de bajo peso molecular (se denominan cristaloides) como, por ejemplo, el cloruro sódico (PM = 58,5) y la glucosa (PM = 180). A estas dispersiones se les denomina disoluciones verdaderas o simplemente disoluciones. Curso 2024-25 2.8 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol En las disoluciones, las sales minerales solubles en agua, se encuentran disociadas en sus iones y forman parte de los medios internos intracelulares y extracelulares. Los iones con carga negativa o aniones más frecuentes en la materia viva son: los cloruros (Cl-), los fosfatos (PO43-), los fosfatos monoácidos (HPO42-), los carbonatos (CO3 2-), los bicarbonatos (HCO3- ) y los nitratos (NO3-). Los iones con carga positiva o cationes más abundantes en la materia viva son: el sodio (Na+), el calcio (Ca2+), el magnesio (Mg2+), el hierro (Fe2+ y Fe3+) y el potasio (K+). § Dispersiones coloidales: Si los solutos son de alto peso molecular, del orden de varios miles (se denominan coloides), como, por ejemplo, las proteínas de tipo albúmina (PM entre 30.000 y 100.000). A estas disoluciones se les llama dispersiones coloidales. Estas dispersiones pueden, a su vez, presentar dos estados físicos: Sol. Un coloide en forma de sol tiene aspecto líquido, ya que las moléculas de soluto que constituyen la fase dispersa se encuentran en menor cantidad que las de la fase dispersante líquida. Gel. Un coloide en forma de gel tiene aspecto semisólido y gelatinoso. Las moléculas de disolvente están, en menor cantidad, entre las de soluto, que se entrelazan formando una red continua que actúa como fase dispersante. La red impide que el disolvente fluya, por lo que el gel se comporta como un sólido blando y fácil de deformar. En las células, los estados de sol y gel cambian según las variaciones de concentración de las partículas coloidales y los lugares en los que se encuentren. Las variaciones de temperatura, pH, presión o concentración aumentan la reactividad de las micelas, de tal manera que las reacciones que se producen entre ellas pueden modificar el estado de las dispersiones coloidales, pasando de sol a gel. No en todos los casos este proceso es reversible; por ejemplo, la clara de huevo (sol) se coagula por efecto del calor y no puede retornar a este estado. También existen dispersiones coloidales hidrófobas, en las que los solutos no son afines al agua. Estas dispersiones no son estables, y las partículas dispersas tienden a reunirse y formar una fase separada del agua. Las dispersiones Curso 2024-25 2.9 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol hidrófobas pueden estabilizarse formando las llamadas emulsiones cuando actúan sustancias que impiden la unión entre partículas dispersas. Así están presentes las grasas en la leche, y son algunas proteínas las que estabilizan la emulsión. 2.2.2. DIFUSIÓN, ÓSMOSIS Y DIÁLISIS: Según cómo es el movimiento de las partículas de soluto en el seno del disolvente, distinguimos tres tipos de fenómenos: Difusión, Diálisis y Ósmosis. a) Difusión: En la difusión, las partículas de soluto tienden a disolverse homogéneamente en el disolvente, el agua. Si colocamos dos disoluciones de diferente concentración, que están separadas por una membrana permeable, pasará por difusión el soluto y el disolvente, a favor del gradiente de concentración, desde donde hay más hacia donde hay menos concentración, hasta que se igualen las concentraciones de las dos disoluciones. La difusión es una forma frecuente de transporte de sustancias a través de la membrana celular. b) Diálisis: La diálisis es el proceso de separación de las partículas coloidales, en función de su tamaño, a través de una membrana dializadora. Esta membrana permite el paso de moléculas de pequeño tamaño (sales minerales, iones) y de agua e impide el de las macromoléculas o partículas coloidales. Cuando la membrana que separa dos disoluciones deja pasar, además de agua, los solutos de menor tamaño, se produce el fenómeno denominado diálisis. Las moléculas de bajo peso molecular pasan desde la disolución en la que se encuentran en mayor concentración hacia la disolución en la que se encuentran en menos concentración. Curso 2024-25 2.10 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol La hemodiálisis es el tratamiento que se emplea para limpiar la sangre en casos de insuficiencia renal crónica mediante el uso de un filtro o hemodializador y un líquido de diálisis generado por un riñón artificial. A través de las membranas utilizadas pasan las moléculas pequeñas de la sangre al líquido de diálisis. Así, se elimina el agua, urea, sales minerales,... que no pueden ser filtrados por el riñón de un modo natural. c) Ósmosis: La ósmosis es un fenómeno en el que se produce el movimiento de agua (disolvente) desde una disolución de concentración menor (hipotónica) a otra de concentración mayor (hipertónica) cuando ambas están separadas por una membrana semipermeable (que deja pasar el agua pero no los solutos disueltos en ella), hasta que las dos disoluciones alcanzan la misma concentración (isotónicas). El agua se desplaza por la diferencia de presión osmótica que hay entre una disolución concentrada (mayor) que atrae al disolvente desde una disolución más diluida (menor presión osmótica). La presión osmótica es directamente proporcional a la concentración de la disolución. Las membranas celulares pueden considerarse semipermeables. Si comparamos dos disoluciones, éstas pueden ser entre sí isotónicas si poseen la misma concentración o anisotónicas si las concentraciones son diferentes, una es hipotónica y otra hipertónica. El agua pasará de los medios hipotónicos a los hipertónicos, ejerciendo una presión sobre la membrana llamada presión osmótica. Cuando se introduce una célula en un medio hipotónico entrará agua a su interior y la célula reventará. Por el contrario, si se introduce en un medio hipertónico la célula perderá agua, se arrugará y deshidratará. Es evidente que estas situaciones no son compatibles con la vida, por lo que la homeostasis de la Curso 2024-25 2.11 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol presión osmótica, la osmorregulación, es otro factor vital para el mantenimiento de la vida. A lo largo de la evolución, los seres vivos se han adaptado desarrollando estrategias para evitar catástrofes osmóticas. Las células vegetales, las moneras, hongos y muchos protoctistas han desarrollado una pared celular rígida, con resistencia suficiente para resistir la presión osmótica y evitar que la célula explote al encontrarse en medios hipotónicos. Por la tanto, la célula sólo se hincha alcanzando un estado que se denomina turgencia. La rigidez mecánica de las plantas se debe a la turgencia. Cuando una célula vegetal se introduce en un medio hipertónico, como por ejemplo, el agua del mar, pierden agua y la membrana celular que estaba pegada a la pared celular se contrae pero algunos fragmentos quedan adheridos a la pared celular, fracturándose la célula. Si la concentración salina es menor en el interior de la célula que el medio extracelular, ésta pierde agua y muere, fenómeno conocido como plasmólisis. Ésta es la causa de que las células de la raíz de una planta pierdan agua y, por tanto, el vegetal muera si lo plantamos en un medio muy salino. Por el contrario, las células animales en un medio hipotónico explotan irremisiblemente al no tener pared celular, fenómeno que recibe el nombre de citolisis (hemolisis, en el caso de células sanguíneas). Si el medio es hipertónico, las células pierden agua, se deshidratan y mueren (crenación). Por este motivo, no se puede introducir en la sangre directamente agua destilada, pues se ocasionaría la turgencia de los glóbulos rojos y la posterior rotura de la membrana y, por tanto, su destrucción. Curso 2024-25 2.12