El agua y las sales minerales Biomolculas inorgnicas

El agua y las sales minerales

Biomoléculas inorgánicas: Los bioelementos se combinan entre sí para formar las moléculas que componen la materia viva. Estas moléculas reciben el nombre de Biomoléculas o Principios Inmediatos. Las moléculas inorgánicas son sustancias que pueden encontrarse también fuera de los seres vivos, son el agua y las sales minerales, por regla general estas sales no contienen carbono, salvo en los carbonatos y bicarbonatos, sales minerales típicas a pesar de la presencia de este elemento.

BIOMOLECULAS INORGÁNICAS • agua : es la molécula más abundante en los seres vivos (70%) en ella se llevan a cabo la mayoría de las reacciones químicas del organismo. • Las sales minerales: tienen un gran número de funciones e intervienen en numerosas reacciones como catalizadores. Algunas tienen función estructural , formando parte de caparazones y huesos.

EL AGUA Seres Vivos % Agua Tejidos % Desarrollo Agua humano % Agua Humano 70 Riñones 63 Feto 95 Caracol 75 Pulmón 80 Bebé 73 Medusa 95 Saliva 95 Adolescente 67 Maíz 85 Hueso 22 Adulto 62 Alga 95 Cerebro 75 Anciano 55

Contenido en agua de algunos organismos y algunos tejidos humanos Organismo Algas Caracol Crustáceos Espárragos Espinacas Estrella mar Persona adulta Hongos Lechuga Lombriz Maíz Medusa Pino Semilla % agua 98 80 77 93 93 76 62 80 95 83 86 95 47 10 Tejido Líq. cefalorraquídeo Sangre (plasma) Sangre (Gl. rojos) Tej. nervioso (s. gris) Tej. nervioso (Médula) Tej. nervioso (s. blanca) Músculo Piel Hígado Tej. conjuntivo Hueso (sin medula) Tej. adiposo Dentina % agua 99 91 -93 60 -65 85 75 70 75 -80 72 70 -75 60 20 -25 10 -20 3

AGUA EN LOS SERES VIVOS Ganancias Bebidas Alimentos Agua metabólica Pérdidas Orina Sudor Aire espirado Heces

En los seres humanos, el agua circulante supone el 8 % de su peso, el agua intersticial el 15 %, y el agua intracelular el 40 % AGUA EN LOS SERES VIVOS Agua circulante Se encuentra de tres formas Agua intersticial Agua intracelular Se desplaza en los organismos transportando sustancias (sangre, savia, …) Se encuentra entre las células Está en el citoplasma y los orgánulos

Estructura de la molécula del agua 2 átomos de H unidos a un átomo de oxígeno mediante un enlace covalente. Al ser muy electronegativo, el oxígeno atrae hacia sí los electrones compartidos con el hidrógeno. Esto genera en el hidrógeno una densidad de carga positiva y en el oxígeno una densidad de carga negativa. Esta estructura de polos se denomina dipolo permanente. Por ello decimos que el agua es una sustancia polar.

e- e- + + El carácter electronegativo del oxígeno hace que los electrones compartidos con el hidrógeno se desplacen hacia el oxígeno Enlace covalente La desigual distribución de carga hace del agua una molécula polar + - + Esta polaridad provoca la atracción electrostática entre las moléculas de agua mediante enlaces o puentes de hidrógeno.

Entre los dipolos del agua se establecen fuerzas de atracción llamadas puentes de hidrógeno, formándose grupos de 3, 4 y hasta poco más de 9 moléculas. Con ello se alcanzan pesos moleculares elevados y el H 2 O se comporta como un líquido. Aunque son uniones débiles (30 veces más débiles que los enlaces covalentes), el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan otras 4 moléculas unidas por puentes de H (dos puentes con el oxígeno y uno con cada uno de los hidrógenos) permite que se forme en el agua (líquida o sólida) una estructura reticular, responsable de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de sus propiedades fisicoquímicas.

- + Enlace de hidrógeno + Molécula polar Formación de puentes de hidrógeno se ba de PROPIEDADES DEL AGUA de las que se derivan la IMPORTANCIA BIOLÓGICA DEL AGUA

Propiedades del agua • Propiedades físicas: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. • Elevada cohesión molecular. Elevada tensión superficial. Elevada fuerza de adhesión. Coeficiente de dilatación negativo. Elevado calor específico. Elevado calor de vaporización. Densidad mayor líquida que sólida. Alta conductividad. Transparencia. Propiedades químicas: 1. Elevada constante dieléctrica: (solvatación) y dispersante 2. Bajo grado de ionización (p. H) buen disolvente

Propiedades del agua (I) • Elevada cohesión molecular ¨ Da volumen a las células. ¨ Turgencia en las plantas. ¨ Esqueleto hidrostático. ¨ Deformaciones citoplasmáticas. ¨ Amortiguación en articulaciones. Vidrio Fuerzas de adhesión Capilar de vidrio • Elevada tensión superficial ¨Desplazamiento de algunos organismos sobre el agua. • Elevada fuerza de adhesión ¨Ascensión de la savia bruta por capilaridad. • Densidad máxima a 4 °C ¨ Permite la vida bajo el hielo. Moléculas de agua Las fuerzas de adhesión entre las moléculas de agua y el vidrio, son mayores que las de las moléculas de agua entre sí. Por esto el líquido asciende por las paredes del capilar.

• Agua líquida más densa que el hielo: En el agua la densidad también aumenta al disminuir la Tª, pero solo hasta alcanzar los 4º C. Entonces cesa la contracción, las moléculas se mueven más lentamente y forman 4 E. H con las vecinas, apartándose más las moléculas unas de otras, dejando más espacio y su estructura se dilata hasta transformarse en hielo (el hielo ocupa mayor volumen que en estado líquido)

Propiedades del agua (II) • Elevado calor específico ¨ El agua puede absorber grandes cantidades de "calor" que utiliza para romper los puentes de hidrógeno. • Elevado calor de vaporización ¨ Al evaporarse, absorbe calor del organismo. ¨ Función termorreguladora.

Propiedades del agua (III) • Elevada capacidad disolvente • Compuestos orgánicos ionizables: -COOH, -NH 3 • Compuestos orgánicos polares: -OH, -SH, -C=O El agua es capaz de dispersar (no disolver) sustancias anfipáticas (anfipático = sustancias con grupos polares y apolares claramente diferenciados) formando agregados llamados micelas y liposomas. Esta propiedad disolverte determina ciertas funciones biológicas: • Principal disolvente biológico. • Transporte de sustancias. • Medio de una gran cantidad de reacciones químicas. Interviene activamente en los procesos de hidrólisis.

Propiedades del agua (III) • Bajo grado de ionización • Las disoluciones acuosas pueden tener distintos grados de p. H.

DISOCIACIÓN DEL AGUA: El p. H El agua pura es, en realidad, una mezcla de tres especies en equilibrio químico: 2 H 2 O Agua sin disociar H 3 O+ + OHProtones hidratados Iones hidroxilo Por comodidad, suele expresarse así: H 2 O Agua sin disociar H+ + OHProtones o Iones hidrogeniones hidroxilo Esta disociación es muy débil. El producto iónico Kw a 25ºC es: Kw = [H+] [OH-] = 1, 0. 10 -14 Por tanto [H+] = [OH-] = 10 -7 Este producto iónico es constante, lo cual significa que un aumento en la concentración de uno de los iones supondría una disminución en la concentración del otro, para mantener constante el producto mencionado.

H 2 O + H 3 O+ + OH- + + Ión hidronio - + - Ión hidroxilo

DISOCIACIÓN DEL AGUA: El p. H Acidez y basicidad o alcalinidad Determinadas sustancias, al disolverse en agua, pueden alterar la concentración de hidrogeniones, utilizándose entonces los términos de acidez y alcalinidad. Disolución acuosa ácida [H+] > 10 -7 moles/litro Disolución acuosa alcalina [H+] < 10 -7 moles/litro Disolución acuosa neutra [H+] = 10 -7 moles/litro Para simplificar los cálculos se ideó expresar las concentraciones utilizando logaritmos: El p. H se define como el logaritmo, cambiado de signo, de la concentración de hidrogeniones Según esto: Disolución neutra p. H = 7 Disolución ácida p. H < 7 Disolución alcalina o básica p. H > 7

DISOCIACIÓN DEL AGUA: El p. H Acidez y basicidad o alcalinidad Disolución neutra p. H = 7 Disolución ácida p. H < 7 Disolución alcalina o básica p. H > 7 Al ser el p. H una escala logarítmica, resulta que, por ejemplo: p. H = 3 significa que [H+] = 0, 001 mol / litro p. H = 4 significa que [H+] = 0, 0001 mol / litro p. H = 5 significa que [H+] = 0, 00001 mol / litro Por tanto, una disolución a p. H = 3 contiene 10 veces más H+ que una a p. H = 4, y ésta 10 veces más que a p. H = 5 6 7 8 Acido Base H+ OH-

DISOCIACIÓN DEL AGUA: El p. H Acidez y basicidad o alcalinidad Aquí podemos ver el p. H de algunas disoluciones presentes en los ss. vv. y de otras de uso corriente. Los procesos bioquímicos y, por tanto, la vida, se desarrollan, en general, a valores próximos a la neutralidad.

FUNCIONES DEL AGUA EN LOS SERES VIVOS Disolvente Bioquímica Transporte Disuelve la mayor parte de biomoléculas, lo que permite el desarrollo de las reacciones metabólicas en su seno Participa en reacciones, como la hidrólisis (ruptura de enlaces introduciéndose agua) El agua transporta las sustancias entre el exterior y el interior de la célula Estructural Termorreguladora La presión del agua mantiene el volumen y la forma de células sin membrana rígida Su elevado calor específico y calor de vaporización evita los cambios bruscos de temperatura en los organismos

FUNCIONES BIOLÓGICAS DEL AGUA PROPIEDAD DEBIDA A FUNCIÓN BIOLÓGICA Líquida a Tª ambiente Los puentes de hidrógeno mantienen a las moléculas unidas Medio de transporte en el organismo y medio lubricante Alto calor de vaporización La energía calorífica debe ser tan alta que rompa los puentes de hidrógeno. Función termorreguladora: ayuda a mantener constante la temperatura corporal de los animales homeotermos. Alto calor específico Para elevar su Tª ha de absorber mucho calor, para romper los puentes de H. Elevada tensión superficial Las moléculas superficiales están fuertemente unidas a las del interior, pero no a las externas de aire. Causa de deformaciones celulares y de los movimientos citoplasmáticos Es un excelente disolvente La mayoría de las sustancias polares se disuelven en ella al formar puentes de hidrógeno. Transporte de sustancias y de que en su seno se den todas las reacciones metabólicas Alta cohesión y adhesión Los puentes de hidrógeno mantienen juntas las moléculas de agua Mantiene forma y volumen de las células; permite cambios y deformaciones del citoplasma y el ascenso de la savia bruta Más densa líquida que sólida Los puentes de hidrógeno “congelados” mantienen las moléculas más separadas Mares y ríos se hielan sólo en su superficie Capacidad de disociación iónica El agua pura es capaz de disociarse en iones Aporta H+ y OH- en reacciones bioquímicas,

SALES MINERALES DISUELTAS Son las sales minerales solubles en agua; se encuentran disociadas en sus iones. ● Los aniones más frecuentes son: los cloruros (Cl-), fosfatos (PO 43 -), carbonatos (CO 32 -), bicarbonatos (HC 03 -) y nitratos (N 03 -). ● Los cationes más abundantes son: sodio (Na+), calcio (Ca 2+), magnesio (Mg 2+), hierro (Fe 2+ y Fe 3+) y potasio (K+).

FUNCIONES DE LAS SALES EN DISOLUCIÓN ● Mantener el grado de salinidad en los organismos. ● Regular la actividad enzimática. ● Regular la presión osmótica y el volumen celular. - hipertónicos - hipotónicos ● Generar potenciales eléctricos. ● Regulación del p. H.

Regulación del p. H El mantenimiento de la vida requiere que el p. H se mantenga dentro de ciertos límites, ya que de lo contrario cambia la estructura de muchas moléculas y se alteran muchas reacciones bioquímicas. Para ello, en las soluciones acuosas de los ss. vv. están presentes los denominados sistemas tampón o amortiguadores de p. H, formados por disoluciones de ácidos débiles y de su correspondiente base conjugada. La adición de pequeñas cantidades de H+ o de OH- a uno de estos sistemas no produce cambios de p. H en un cierto intervalo. Ello se debe a que el ácido neutraliza los iones OH- y la base los H+.

Los tampones más frecuentes en los ss. vv. son: TAMPÓN BICARBONATO: Es común en los líquidos intercelulares. Mantiene el p. H en valores próximos a 7, 4 gracias al equilibrio entre el ión bicarbonato y el ácido carbónico, que a su vez se disocia en dióxido de carbono y agua: HCO 3 - + H+ H 2 CO 3 CO 2 + H 2 O Si aumenta la concentración de H+ en el medio por cualquier proceso químico, el equilibrio se desplaza hacia la derecha. Si por el contrario disminuye la concentración de H+ del medio, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda, para lo cual se toma CO 2 del medio. TAMPÓN FOSFATO: Se encuentra en los líquidos intracelulares, manteniendo el p. H en torno a 6, 86 debido al equilibrio: HPO 4 2 - + H+ H 2 PO 4 -

Supongamos que el organismo se ve sometido a un exceso de ácido clorhídrico que, en consecuencia liberará protones que harán disminuir el p. H. En este momento entra en funcionamiento el sistema amortiguador y ocurre lo siguiente: 1. - La sal (bicarbonato sódico) reacciona con el ácido clorhídrico: CO 3 HNa + Cl. H Na. Cl + H 2 CO 3 La sal que se forma (Na. Cl) es neutra y, aunque se disocie, no libera protones y, además, es habitualmente expulsada por la orina.

2. - El ácido carbónico que se ha formado podría incrementar la acidez, pero rápidamente se descompone en CO 2, que se libera con la respiración, y agua que es neutra: CO 3 H 2 CO 2 + H 2 O En resumen, todos los hidrogeniones que podrían provocar un estado de acidez desaparecen manteniéndose el estado de neutralidad.

Acidosis y alcalosis metabólicas • Acidemia (p. H sangre < 7. 35). Causas: - producción excesiva de ácidos en los tejidos - pérdida de bases de los líquidos corporales - fallo de los riñones para excretar ácidos. En la diabetes mellitus y en situaciones de inanición el p. H<7, depresión del SNC que conduce al coma y a la muerte. • Alcalemia (p. H sangre>7. 45) - vómitos prolongados - ingestión de fármacos alcalinos en exceso. Se sobreexcita el SNC y los músculos entran en estado de espasmo. Si no se corrige, se producen convulsiones y parada respiratoria.

Funciones de las sales minerales: ósmosis Mantenimiento de concentraciones osmóticas adecuadas en los líquidos biológicos Todos los medios líquidos biológicos (sangre, plasma intersticial, líquido cefalorraquídeo, etc. ) constituyen disoluciones de sales en agua de cuyo grado de concentración depende la estabilidad celular y la realización de algunas funciones fundamentales. • • Cuando dos disoluciones de diferente concentración se enfrentan por una membrana semipermeable (que no deja pasar el soluto pero sí el disolvente), se produce el paso del disolvente (agua en los medios celulares) desde la disolución más diluida (hipotónica) hacia la más concentrada (hipertónica) a través de la membrana. Este proceso se denomina ÓSMOSIS. • El proceso continúa hasta que ambas disoluciones igualan su concentración, es decir, se hacen isotónicas.

La presión osmótica de una disolución equivale a la presión mecánica necesaria para evitar la entrada de agua cuando está separada del disolvente por una membrana semipermeable (Figura derecha de la tabla).

Ósmosis y ss. vv. En estos dibujos se resume muy bien lo que ocurre si el medio en el que vive una célula es hiper, iso e hipotónico: Las células, si no están en un medio isotónico, sufrirán: -PLASMÓLISIS -TURGESCENCIA:

Algunos ejemplos: Los protozoos de agua dulce como el Paramecium bombean continuamente agua al exterior, ya que entra mucha por ósmosis. La planta carnívora Dionaea o “Venus atrapamoscas” se cierra muy rápido al perder turgescencia las células que la mantienen abierta. Las raíces absorben agua cuando las disoluciones del suelo son hipotónicas respecto del citoplasma de las células de la planta. En caso contrario, el agua sale de la planta y ésta acaba secándose.

Osmoregulación Todos los seres vivos están obligados a regular la presión osmótica. Los distintos grupos han desarrollado estrategias diferentes. SERES VIVOS UNICELULARES Procariotas Pared celular Dulceacuícolas Vacuolas pulsátiles VEGETALES Pared celular Estomas ANIMALES PLURICELULARES Peces marinos Peces de agua dulce Entrada de agua Pérdida de agua Bebe agua salada Riñones Intestino grueso No bebe Excreta el exceso de sal Orina isotónica escasa Mamíferos Piel Abundante orina hipotónica

SALES MINERALES PRECIPITADAS • Las sales minerales insolubles en la materia viva se encuentran en estado sólido • Los cristales más abundantes en los organismos son de silicatos, carbonatos y fosfatos, estos últimos de calcio y magnesio.

- Huesos y dientes de vertebrados. - Sostén en gramíneas - Esqueleto externo de invertebrados. - Caparazones de microorganismos

DISOLUCIONES Y DISPERSIONES 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. Los solutos pueden ser de bajo peso molecular como, por ejemplo, el cloruro sódico (PM = 58, 5) y la glucosa (PM = 180), o pueden ser de elevado peso molecular (se denominan coloides), como, por ejemplo, las proteínas de tipo albúmina (PM entre 30 000 y 100 000). Las dispersiones de solutos de bajo peso molecular se denominan disoluciones verdaderas o simplemente disoluciones, y las de elevado peso molecular se denominan dispersiones coloidales

• Tamaño de las partículas muy pequeño (< 10 -7 cm) • Son transparentes Disoluciones verdaderas Tipos: Dispersiones coloidales ( = coloides) • Tamaño más grande (entre 10 -5 y 10 -7 cm) de las partículas (proteínas, polisacáridos…) • No son transparentes Las concentradas reciben el nombre de Según la afinidad de las partículas por el agua Según la concentración de partículas dispersas Las diluidas reciben el nombre de Geles Soles Hidrófilas Con partículas dispersas afines al agua Hidrófobas Con partículas dispersas sin afinidad por el agua Pueden estabilizarse formando emulsiones p. ej. Grasas de la leche

Carácter coloidal de la materia viva Disolvente o fase dispersante DISOLUCIÓN VERDADERA < 10 -7 cm Soluto o fase dispersa DISPERSIÓN COLOIDAL 10 -7< <2 • 10 -5 cm Las dispersiones coloidales pueden presentar dos estados físicos: Moléculas de soluto Fase dispersante líquida ESTADO DE SOL ESTADO DE GEL Moléculas de disolvente entre las de soluto Las moléculas de soluto actúan como fase dispersante

ESTADOS COLOIDALES ESTADO SOL: Predomina ESTADO GEL: Predomina la fase dispersante. Es muy fluida la fase dispersa. Es viscosa