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El Agua y las Sales Minerales

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EL AGUA EN LA MATERIA VIVA


Como ya bien todos sabemos, el agua viene siendo la molécula más abundante en lo referente a la materia viva. Podemos encontrar cantidades de hasta un 85% de agua en las células del cerebro, así como un 20% en tejidos óseos, pero sin duda donde vamos a encontrar a nivel celular mayor cantidad de agua es en concreto en las células embrionarias, y donde vamos a registrar cantidades más bajas en general es conforme vamos envejeciendo, nuestras células se hacen viejas por ende.

Pero, lo anterior está claro, aunque debe quedar bien definido es el hecho de como éstas células obtienen dicha agua:

- Agua Exógena (obtenida del medio ambiente...ejemplo, la que bebes).

- Agua Endógena o Metabólica (se obtiene de otras moléculas orgánicas mediante reacciones bioquímicas).

 

CARACTERISTICAS DE LA MOLECULA DE AGUA

 

Geometría de la molécula de agua

 


- La molécula (de agua) está formada a su vez por tres átomos.

- Dos átomos son de Hidrógeno, con carga positiva.

- El ángulo que forman entre ambos hidrógenos es de 104,5 ºC.

- Un átomo es de Oxígeno, con carga negativa.

- Tipo de enlace: Enlace Covalente Simple.

- Es eléctricamente neutra, aunque tengan los valores de sus cargas diferentes, de hecho es que se entiende más bien que el átomo de oxígeno es mas electronegativo que los átomos de hidrógeno, tal es así que se entiende que el oxígeno tiene un exceso de carga negativa, y los de hidrógeno exceso de carga positiva, a esto es a lo que normalmente se le llama densidad de carga.

- Tiene carácter polar. Esto viene explicándose que las moléculas de agua se atraen entre sí por atracciones electrostáticas, pero éstas necesitan un "pegamento" que las una, y aquí es donde entra en funcionamiento los enlaces o puentes de hidrógeno. Pero claro, como ocurre esto, pensarás...pues bien, es tan sencillo como que el átomo de oxígeno, con su densidad de carga negativa, atrae a los hidrógenos de otras moléculas, las cuales con su densidad de carga positiva.

El número máximo de puentes de hidrógeno son siempre cuatro, y la disposición es siempre igual, cada hidrógeno hará un puente, por lo que ya tenemos dos, y los dos que quedan es el átomo de oxígeno el que es capaz por sí solo de hacer dos de estos enlaces.

Ahora, nos estamos centrando en la atracción electrostática entre moléculas de agua, pero por igual una molécula de agua puede "puentearse" con una molécula polar o iones.

A estos enlaces de hidrógeno se le suele atribuir una relativa debilidad, pero son estos puentes los que le suelen dar en sí al agua una estructura interna con unas características determinadas, como son por ejemplo que pueda tener varios estados (sólido, líquido y gas), siendo a temperatura ambiente un fluido (líquido) o tener una calor de vaporización (gas) superior a otras moléculas con características similares, de hecho los puentes de hidrógeno suelen ser estables hasta los 100 ºC, más de esta temperatura es posible que desaparezcan, por lo que el agua rompe su estructura interna.


Estructura interna del Agua

 


PRINCIPALES PROPIEDADES DEL AGUA


- Elevada cohesión molecular. Gracias a los ya mencionados puentes de hidrógeno, tanta es esta cohesión que al agua, en estado líquido, aunque se le aplique una fuerte presión, su volumen sigue siendo el mismo, es constante.

- Elevada tensión superficial. Las moléculas de agua de la superficie aplican fuerzas de atracción netas hacia el interior del líquido. Esto lo podemos comprobar en nuestro día a día, ejemplo es cuando lanzamos una piedra a una determinada velocidad por la superficie del agua, dando esa sensación en la superficie de la misma como si hubiera una tensa membrana.

- Elevada fuerza de adhesión. El agua es capaz de introducirse (adherirse) por pequeños rescoldos e incluso ir en contra de la gravedad. Este fenómeno se le conoce con el nombre de capilaridad.

- Elevado calor latente. Es la herramienta indispensable (calor latente) para que el agua cambie a cualquiera de los tres estados físicos que ya hemos mencionado, pero su coste es alto, necesita bien absorber o bien ceder gran cantidad de calor para ello.

Hay una cosa que aclarar, y es que, aunque al agua se le aplique calor, no se produce alteración de su temperatura. ¿Porqué? La respuesta la he dado antes que la pregunta, y es simplemente porque ese calor solo lo usamos como herramienta para cambiar el estado físico del agua, por lo que no tiene mas que esa única misión en ese momento dado. En cuanto a las cantidades de calor para pasar de un estado a otro son las siguientes:

- Sólido a líquido: 80 cal/gr (calor latente de fusión).

- Líquido a gas: 327 cal/gr (calor latente de vaporización).

- Elevado calor específico. Las moléculas de agua pueden absorber gran cantidad de calor sin elevar notablemente por ello su temperatura, ya que como dijimos gran parte de esa energía es empleada para romper los puentes de hidrógeno (cambiar de estado físico). 

- Elevado calor de vaporización. Cuando pasamos de líquido a gas, este agua necesita una alta cantidad de calor para ello (327 cal/gr), de esta forma eliminamos gran cantidad de calor y con una pérdida casi insignificante de agua.

- Densidad. Bueno, parece contradictorio, pero no lo es, lo siguiente a explicar, pero tiene su porqué, claro. Que el agua en estado líquido es más densa que el agua en estado sólido, habrá gente que lo entienda, otros que de primeras no. Bien, la densidad no se atribuye a estar ese estado mas o menos sólido, sino que son el número de puentes de hidrógeno los que van a determinar esto. El porqué es fácil, el agua en estado sólido tiene un número mayor de enlaces de hidrógeno, eso hace que las moléculas entre sí estén mas separadas, entonces hay menos densidad de agua. En estado líquido ya podéis imaginaros que hay menos puentes de hidrógeno, por eso agua líquida es mas densa que el agua sólida.

- Elevada constante dieléctrica. Constante tendencia del agua a atracciones electrostáticas entre iones positivos y negativos.

- Bajo grado de ionización. En el agua, en estado líquido, hay una pequeñísima cantidad de moléculas ionizadas (disociadas en su iones).

- Disoluciones acuosas pueden ser:

- Neutras.

- Ácidas.

- Básicas.

 

IMPORTANCIA BIOLÓGICA

 

  • Principal disolvente biológico. Es capaz de disociar otros compuestos iónicos, como alcoholes o cetonas, por lo que provoca en ellos dispersión o disolución.
  • Función metabólica. Es el medio por excelencia para que se lleve a cabo en él la mayoría de las reacciones bioquímicas, de hecho es parte activa en reacciones como es la hidrólisis. También es de referencia destacar que aporta electrones y H+ para sintetizar así moléculas orgánicas, y que decir de la responsabilidad que tiene para la producción de 02 en la atmósfera.
  • Función estructural. Hablamos antes del concepto "cohesión", y esto es importante, la elevada cohesión de las moléculas da mayor volumen a las células, en el caso de las plantas le da turgencia, pero un ejemplo claro de lo importante que es el agua en esta función la vemos en animales invertebrados, que tienen esqueleto hidrostático.
  • Función mecánica amortiguadora. Dijimos antes que el agua soporta altas presiones sin modificar su volumen, pues bien, eso está genial, pero hay que darle alguna utilidad, y nosotros mismos nos beneficiamos de ella constantemente, en concreto en nuestras articulaciones, es a lo que hemos escuchado a veces como el líquido sinovial, éste es el que evita el contacto entre los huesos, pues este líquido en su mayor porcentaje no mas que agua.
  • Función de transporte. Su capacidad como disolvente tan alta permite en el interior de los seres vivos transportar sustancias y con ellos intercambiar con el medio externo, haciendo doble función, no solo nos ayuda a desechar los productos de deshecho, sino además los nutrientes se transportan de forma mas eficiente.
  • Vida acuatica en climas fríos. Dijimos que el agua en estado líquido era mas denso,¿cierto? Por eso se explica que cuando bajan las temperaturas haya capas de hielo en la superficie, flotando por encima y protegiendo de los efectos térmicos del exterior al agua líquida que hay debajo, sino fuera por esto, muchas de las especies no sobrevivirían. 

 

LAS SALES MINERALES

 



Para empezar, hagamos una pequeña lista con unos factores que hay que tener claro a lo largo de la explicación:

  • Son moléculas inorgánicas.
  • Están presentes en todos los seres vivos.
  • Se encuentran tanto disueltas como en estado sólido.
  • Son capaces de asociarse con otras moléculas orgánicas.

SALES MINERALES DISUELTAS


Son las hidrosolubles (solubles en agua), las cuales están disociadas en sus iones y forman parte de los medios internos intra y extracelulares.

Los Aniones (iones de carga negativa) son los siguientes:

  • Cloruros.
  • Fosfatos.
  • Fosfatos monoácidos.
  • Carbonatos.
  • Bicarbonatos.
  • Nitratos.

Los Cationes (iones de carga positiva) más abundantes en la materia prima son los siguientes:

  • Calcio.
  • Magnesio.
  • Hierro.
  • Potasio.

FUNCIONES DE LAS SALES EN UNA DISOLUCIÓN

Las hidrosolubles, a través de sus iones, realizan funciones a nivel general, aquí por excelencia está una, y es que contribuye mucho en el mantenimiento de la homeostasis, que los que ya habéis estudiado algo sobre esto no es más que el equilibrio interno del ser vivo, pero que es muy importante que esto funcione bien, en otros temas hablaremos ampliamente de como funciona, como se regula y demás. Y bueno, hay otras funciones específicas, pero eso ya variará del sistema biológico del que hablemos.

Funciones Generales de las Sales Solubles:

  • Mantener grado de salinidad en el organismo. Las concentraciones de iones de sales minerales son constantes, pero claro, como aquel que dice, cada uno es su casa corta el cesped como quiere, es decir, la concentración salina dentro de la célula no es la misma que en el plasma sanguíneo, ni que decir entre diferentes organismos, por lo tanto hay diferentes grados, diferentes entre sí, pero siempre constantes, dentro de un margen, claro está.
  • Regulación de la actividad enzimática. Las reacciones bioquímicas, pueden activarse o inhibirse, y esto va a depender de dos partes, una que son los iones que entren en esa reacción, y otra es la sustancia reaccionante (sustrato), así determinados cationes metálicos actúan como cofactores enzimáticos.
  • Regulación osmótica y el volumen celular. Aquí nos vamos a parar un poco más para explicar bien este concepto. En el medio interno de la célula está entrando y saliendo agua, y eso va a ir siempre en función de la concentración salina que haya dentro de la célula. Mucha gente ya lo sabe, pero por si acaso es necesario que expliquemos la diferencia entre dos términos, que son medio hipertónico por una parte, el cual dice que la célula tiene un alta concentración de sales en su interior, y para contrarrestar esto, entra mas agua en la célula, y por eso la célula aumenta su volumen; el concepto antagónico es el medio hipotónico, donde la concentración de sales es menor en el interior de la célula con respecto al exterior, por lo que se dará salida de agua del interior de la célula al exterior. Todo esto ocurre a través de la membrana celular.
  • Estabilizar las dispersiones coloidales. Las sales minerales mantienen el grado de hidratación, y su disociación en iones contribuye al mantenimiento en suspensión de las partículas coloidales, las cuales están formadas por sustancias orgánicas, como son las proteínas, los ácidos nucleicos y los polisacáridos. Las dispersiones coloidales concentradas se les denomina geles, y las dispersas se llaman soles.
  • Genera potenciales eléctricos. La membrana, que está entre el medio exterior e interior de la célula, ejerce una fuerza sobre cualquier molécula con carga eléctrica, y esto es porque los iones que se encuentran en el interior de la célula no son los mismos que los del medio externo, y eso en sí provoca una diferencia de cargas eléctricas entre ambos medios.
  • Regulación del pH. Las actividades biológicas que se llevan a cabo en el interior de la célula se produce a un determinado valor de pH. Este valor debe de ser constante, pero hay un problema, y es que hay reacciones químicas dentro de la misma que hacen que el valor de ese pH varíe, entonces es cuando entra en juego las sales minerales, las cuales disueltas hacen disminuir en gran medida estas variaciones. Claro, no todas las sales realizan esta función, y las que lo realizan se les denominan tampones o disoluciones amortiguadoras, como son el sistema tampón bicarbonato en el medio externo, y el sistema tampón fosfato en el medio intracelular.

DISOLUCIONES AMORTIGUADORAS DEL PH

Ya hemos introducido hace nada esto, pero tenemos que pararnos con mas detenimiento. Hemos dicho que son disoluciones que se les denomina tampón o buffer, porque mantienen el pH constante cuando se le añade un ácido (base). 

Hay dos especies iónicas en equilibrio:

  • Ácidos débiles + Base conjugada.
  • Ácidos conjugados + Bases débiles.

Decir que no solo ocurre en el ser humano, sino en todos los fluidos biológicos la presencia de disoluciones amortiguadoras, porque son imprescindibles para mantener la vida, ya que con ello se dan funciones bioquímicas y fisiológicas en las diferentes estructuras del organismo.Algunos de los tampones fisiológicos por nombrar de mayor importancia son las proteínas, los aminoácidos, el tampón de la hemoglobina,todos estos de carácter orgánico, y los inorgánicos el bicarbonato o el fosfato.

 

CARÁCTER COLOIDAL DE LA MATERIA VIVA


Hemos hablado del agua que actúa como disolvente para muchas moléculas de soluto, constituyendo con ello lo que se le denomina fase dispersa. Si éstas moléculas que se han dispersado en el agua (disolvente) tienen un diámetro inferior a 10-7 cm, entonces si podemos hablar de disoluciones verdaderas, porque solo así se consideran mezclas homogéneas, como por ejemplo son los azúcares, sales minerales y los aminoácidos.El tamaño de las moléculas son pequeñas.

Por otra parte tenenos disoluciones coloidales, que son mezclas heterogéneas, que se entienden cuando ese diámetro oscila entre 10-7 cm y 2x10-5 cm, donde por ejemplo lo encontramos en los polisacáridos, proteínas, lípidos o ácidos nucleicos.Aquí el tamaño de las moléculas son grandes, y aun con todo ello son estables pese a tu dimensión.

Tanto las dispersiones verdaderas como las coloidales, pueden presentar, ambas, dos estados físicos que ya mencionamos:

  • Sol. Coloide en forma de sol con aspecto líquido.
  • Gel. Coloide en forma de gel con aspecto semisólido y gelatinoso, como son las pectinas, la gelatina o el colágeno.

¿De qué depede que se dé en la célula el estado de sol o el estado de gel? 

  • De la concentración de partículas coloidales.
  • Del lugar donde se encuentren.

¿Que factores puede modificar el estado de las dispersiones coloidales?

  • Variaciones de temperatura.
  • Variaciones de pH.
  • Variaciones de presión.
  • Variaciones de concentración.

 

LA ÓSMOSIS

 

Bueno, ¿qué es las ósmosis, no? La imagen es bonita, incluso aclaratoria, pero nunca sin saber el concepto. 

Primero decir que es un fenómeno, donde lo que únicamente se produce es el paso del disolvente (en este caso el agua en la imagen), a través de una membrana semipermeable (si fuera permeable pasarían las bolitas negras, jeje, bueno la solución), desde una solución mas diluida (hipotónica) a otra mas concentrada (hipertónica).

Ya podéis imaginaros que dentro de vuestro organismo, a nivel celular, esa membrana semipermeable, es la membrana de vuestras células.

Hemos hablado de medio hipotónicos y medios hipertónicos, y de puntillas hemos dado a entender que siempre el disolvente (agua) va a pasar del medio hipotónico al hipertónico, pues bien, es siempre así, a la inversa, es decir, del medio hipertónico al hipotónico nunca, carece de sentido y agrava mas el desequilibrio entre ambos medios.

Claro, en medio hay una membrana, que soporta una presión que el medio hipotónico le ejerce para que "cuele" el agua y se adentre en el otro medio (hipertónico), esta presión es la que ya habréis escuchado alguna vez como presión osmótica.

¿Que es la Osmoregulación?

Todos los seres vivos, tanto acuáticos como terrestres, están obligados a la osmorregulación (regulación de la presión osmótica). Muchos de ellos han conseguido sobrevivir en medios hipotónicos o hipertónicos mediante mecanismos físicos o químicos, que evitan los cambios de presión en su medio interno. Por todo esto entendemos el hecho de que es una obligación.

Seres vivos unicelulares


Son los más primitivos (los procariotas), presentan una pared celular (la única que tienen) que los protege y evitan que estallen cuando el medio exterior es hipotónico.

Los que viven en aguas dulces (esta agua dulce es un medio hipotónico con respecto a los unicelulares), ingresan en su medio hipertónico grandes cantidades de agua, pero claro, algo debe de haber dentro que diga cual es el tope de agua que debe entrar y a la vez ese exceso de agua que ya está entrando (y que hará que estalle la célula) lo vierta hacia el exterior, y esto lo hace ni más ni menos que las vacuolas pulsátiles, asi que la célula le debe la vida en parte a ellas.

Vegetales


Los vegetales también viven, habitualmente, en medios hipotónicos con respecto al interior de sus propias células, por ellos absorben agua a través de sus raíces. Esto provoca un grado de turgencia que facilita el crecimiento de las plantas.

En cambio, cuando viven en medios hipertónicos, expulsan agua con la finalidad de equilibrar los entornos, y es cuando se marchitan y secan. La solución para no llegar a estos extremos sería que las plantas tuvieran una gran cantidad de sales minerales en su interior, y esto en concreto lo hacen las plantas halófitas, así se equilibra el medio externo e interno.

Animales pluricelulares


El medio externo de éstos es casi que una prolongación del medio externo, y en función de la especie tendrán unos mecanismos determinados para mantener en su interior la cantidad de agua suficiente y necesaria para vivir.

Podríamos pararnos a comparar algunas especies entre sí, pero creo que es más práctico que hablemos de los mamíferos. Los mecanismos fisiológicos son los siguientes:

  • Riñones. El agua lo absorbe los glomérulos renales, filtrando así la sangre, pero claro, ese exceso hay que reabsorberlo, y eso es a través de los tubos contorneados y del asa de Henle, pero no solo se reabsorbe el agua, sino también parte de sales. Que se elimine por la orina más o menos cantidad de agua y sales depende de las cantidades que se ingiera.
  • Intestino grueso. En la formación de heces, para su formación, se necesita agua y sales, que las obtiene a través de la mucosa intestinal (hace de membrana).
  • Piel. A través de la piel se eliminan cantidades variables de agua y sales en forma de sudor. En zonas desérticas, el sudor es menos concentrado que en las zonas templadas, y como el volumen excretado para regular la temperatura es muy elevado, es imprescindible ya no solo de forma exógena ingerir agua, sino también sales.

 

Fuente: Biología 2, edit. SM.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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