EL AGUA Y LAS SALES MINERALES

“El agua es el elemento y principio de las cosas.”

Tales de Mileto

1. EL AGUA DE LA MATERIA VIVA

• El agua es la molécula más abundante de la materia viva

• La cantidad de agua en los seres vivos es variable – Según el tipo de tejido: más agua cuanto más

actividad metabólica – Estado de desarrollo: más agua cuanto más joven.

• La obtención del agua por los seres vivos puede ser. – Exógena (del medio ambiente) – Endógena: a partir de otras moléculas orgánicas

mediante reacciones metabólicas

1.1 Características de la molécula de agua

• Formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, unidos por enlaces covalentes que forman un ángulo (104,5º)

• Eléctricamente neutra, aunque con diferente densidad de carga, lo que hace que adquiera carácter polar.

• Debido al carácter polar las moléculas de agua establecen entre si puentes de hidrógeno

Enlaces covalentes en la molécula de agua

Geometría molécula de agua

Geometría de la molécula de agua

2. PROPIEDADES DEL AGUA

• Elevada cohesión molecular • Elevada tensión superficial • Elevada fuerza de adhesión • Elevado calor latente y específico • Densidad, mas densa en estado líquido que en

estado sólido • Elevada constante dieléctrica • Bajo grado de ionización

Capilaridad

Las moléculas de agua tienen gran capacidad de adherirse a las paredes de conductos de diámetros pequeños ascendiendo en contra de la acción de la gravedad

La savia bruta asciende por los vasos conductores de la planta gracias a la capilaridad

Elevado calor de vaporización

Para pasar de estado líquido a gaseoso el agua necesita absorber mucho calor para romper todos los enlaces de hidrógeno

Selectividad • 36.- La hoja de una planta al sol tiene

generalmente menos temperatura que las rocas de su entorno. ¿A qué propiedad fisicoquímica del agua se debe este hecho? Razone la respuesta [1]. (2007)

• Se debe a la propiedad de alto calor de evaporización del agua: se deberá exponer la relación de esta propiedad del agua y la termorregulación …..................................1 punto

La densidad del agua es máxima a 4ºC y en estado sólido es mucho menor, lo que permite que el hielo flote sobre el agua líquida y permita la vida en zonas polares

Densidad del agua

La elevada constante dieléctrica (por la electricidad de la molécula) del agua tiende a disminuir las fuerzas de atracción entre los iones de las sales facilitando su disociación

Producto iónico del agua:Kw producto de las

concentraciones de sus iones

• Agua pura: [H3O+]=[OH-]= 1*10-7 • Disoluciones acuosas: varia o Neutras o Ácidas: H30+>[] o Básicas: HEO+<[]

El pH

• Más ácido: más concentración de H30+

• Más básico o alcalino: más concentración de OH-

• pH Ácido: de 0 a 6 • pH Básico: de 8 a

14 • pH Neutro: 7

Escala de pH

• Indica la [H3O+] en disolución • pH=-log[H3O+] o Disolución neutra: pH=7 o Disolución ácida: pH<7 o Disolución básica: pH>7

3. FUNCIONES BIOLÓGICAS DEL AGUA

1. Principal disolvente biológico, debido a su elevada constante dieléctrica. Fenómeno de la solvatación iónica.

2. Función metabólica, el agua actúa como reactivo o producto de muchas reacciones metabólicas, como molécula o disociada en iones

3. Función estructural, debido a su elevada cohesión molecular

4. Función mecánica, debido a su elevada cohesión molecular

5. Función de transporte, debido a su elevada capacidad disolvente

6. Función termorreguladora, debido a su elevado calor específico y elevado calor de vaporización

7. Permite la vida acuática en climas fríos, debido a su máxima densidad en estado líquido

SELECTIVIDAD (JUNIO 2010)

• Describa [0,5] y dibuje [0,3] la estructura de la molécula de agua. Enumere cuatro propiedades fisicoquímicas del agua y relaciónelas con sus funciones biológicas [1,2].

4. LAS SALES MINERALES

• Son moléculas inorgánicas presentes en todos los seres vivos.

• Se pueden encontrar: – Disueltas – En estado sólido – Asociadas a moléculas

orgánicas

4.1 Sales minerales disueltas

Aniones • Cl- • PO4

3-

• HPO42-

• CO32-

• HCO3-

• NO3-

Cationes • Na+

• Ca2+

• Mg2+ • Fe2+

• Fe3+

• K+

Son las sales minerales solubles que se encuentran disociadas en iones

Forman parte de los medios internos intracelulares y extracelulares

Funciones de tipo general

1. Mantener el grado de salinidad. 2. Regular la actividad enzimática, actuando como

cofactores 3. Regular el equilibrio osmótico (mantener iguales las

concentraciones). 4. Controlar la contracción muscular. 5. Producir gradientes electroquímicos, generando

potenciales de membrana 6. Amortiguar cambios de pH, mediante el efecto

tampón.

Disoluciones amortiguadoras del pH

• Son disoluciones que mantienen el pH constante cuando se le añade un ácido o una base.

• Están formadas por el equilibrio entre

ÁCIDO DÉBIL + BASE CONJUGADA O

BASE DÉBIL + ÁCIDO CONJUGADO • Dos ejemplos de tampones:

– Sistema tampón bicarbonato (sangre) – Sistema tampón fosfato (medio intracelular)

H2PO4- + H2O ↔HPO4

2- + H3O+

TAMPÓN FOSFATO

TAMPÓN BICARBONATO

Selectividad. (Junio 2000, Comunidad Valenciana)

• 1. Concepto de sistema tampón. Cita algunos ejemplos biológicos de tampones inorgánicos.

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 OH- que contrarresten el efecto de las bases, o ácidos añadidos. Este efecto se denomina efecto tampón y estas disoluciones se las llama disoluciones amortiguadoras.

Existen disoluciones amortiguadoras en todos los fluidos biológicos. Los más

importantes son: el sistema tampón fosfato (H2PO4 / HPO42-)) en el medio

intracelular y el sistema tampón bicarbonato (HCO3- / H2CO3) en el medio

extracelular. Los sistemas tampón contienen dos especies iónicas en equilibrio. La alteración del pH

del medio se contrarresta debido al desplazamiento del equilibrio entre estas dos especies. En el sistema tampón fosfato las dos especies son el ion dihidrógeno fosfato (H2PO4

-) y el monohidrógeno fosfato (HPO42-). Su equilibrio viene

determinado por la ecuación: H2PO4

- + H2O ↔HPO42- + H3O+

Por ejemplo, cuando en el interior celular se produce un aumento de la concentración de iones H3O+, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda, y si, por el contrario, se produce una disminución, el equilibrio se desplaza en sentido contrario.

4.2 Sales minerales precipitadas

• Desempeñan una función estructural, de protección o sostén

• Se pueden asociar a macromoléculas de tipo proteico que regulan el crecimiento de los cristales.

• Las más abundantes en los organismos son: – Silicatos – Carbonatos – Fosfatos

CARBONATO CÁLCICO

Foraminífero. Globigerina

Conchas de moluscos

Esponjas calcáreas

Algas diatomeas

Radiolarios

Gramineas

SILICATOS

5. CARÁCTER COLOIDAL DE LA MATERIA VIVA

• Coloide: mezcla formadas por una – Fase dispersante (agua) – Fase dispersa (grandes moléculas)

• Las dispersiones coloidales pueden presentar dos estados físicos: – Sol: aspecto líquido espeso – Gel: aspecto semisólido

Medio de dispersión Fase dispersa Nombre Ejemplos

Gas Líquido Sólido

Aerosol líquido Aerosol sólido

Niebla, nubes, polvo, humo.

Líquido Gas

Líquido Sólido

Espuma Emulsión

Sol

Espumas (de jabón , cerveza, etc.), nata batida. Leche, mahonesa. Pinturas, tinta china, goma arábiga, jaleas

Sólido Gas

Líquido Sólido

Espuma sólida Emulsión sólida

Sol sólido

Piedra pómez. Mantequilla, queso. Algunas aleaciones, piedras preciosas coloreadas

Sol

Gel

Propiedades de las disoluciones

Ósmosis Membrana semipermeable

Molécula de disolvente

Molécula de soluto

Solución con alta concentración

Solución con baja concentración

Ambas soluciones igualan su concentración

Flujo de moléculas de disolvente

VER RESPUESTA CELULAR A DIFERENTES CONCENTRACIONES DEL MEDIO

VER SISTEMAS TAMPÓN

DIFUSIÓN • Cuando 2 disoluciones de distinta concentración

se ponen en contacto o están separadas por una membrana permeable, el agua y los solutos se desplazan hasta alcanzar una concentración intermedia.

• Este proceso se denomina Difusión. • El movimiento de las partículas es direccional:

se produce desde las regiones de mayor a las de menor concentración.

Difusión

ÓSMOSIS • Es un fenómeno físico relacionado con el movimiento de

un solvente a través de una membrana semipermeable. Tal comportamiento supone una difusión simple a través de la membrana, sin gasto de energía. La ósmosis del agua es un fenómeno biológico importante para el metabolismo celular de los seres vivos.

• Cuando 2 disoluciones de distinta concentración se mantienes separadas por una membrana semipermeable (sólo deja pasar agua), el agua pasará de la disolución más diluida a la más concentrada y las concentraciones se igualarán

• Este proceso se denomina Ósmosis.

Debido a que la membrana plasmática de las células se comporta como una membrana semipermeable, la célula puede verse afectada por procesos osmóticos. • Las células animales pierden agua y se deforman o pueden llegar a estallar.

• Las células vegetales soportan mejor los cambios porque tienen una pared resistente por fuera de la membrana.

Concentración relativa de medios acuosos separados por membranas semipermeables • Los medios acuosos pueden ser:

»HIPERTÓNICOS »HIPOTÓNICOS »ISOTÓNICOS

• Las moléculas se difunden desde los medios hipotónicos hacia los hipertónicos provocando un aumento de presión sobre la cara del compartimento hipotónico. A esta presión se denomina presión osmótica.

Ósmosis celular • Las membranas celulares se comportan como membranas semipermeables

MEDIO EXTRACELULAR HIPERTÓNICO

• Provoca:

•Salida de agua de la célula

•Disminución volumen celular

•Aumenta presión osmótica en el interior celular.

•Tiene como efectos:

•Plasmolisis (células vegetales)

•Crenación (células animales)

MEDIO EXTRACELULAR HIPOTÓNICO

Provoca:

•Entrada de agua al interior de la célula

•Aumento del volumen celular

•Disminución de la presión osmótica en el interior celular

•Tiene como efectos.

•Turgencia (células vegetales)

•Hemolisis (células animales)

Comparativa de célula animal y vegetal en medios hipo, hiper e isotónicos.

Lisis celular

Turgencia

Normal

Plasmolisis

Fenómeno de crenación

Normal

Medio externo: Hipotónico Isotónico Hipertónico

Osmorregulación • Los seres vivos están obligados a regular la

presión osmótica – Seres unicelulares: pared celular, vacuolas pulsátiles – Vegetales: en medios hipotónicos la entrada de agua

en las células provoca turgencia y facilita el crecimiento de las plantas. En medios hipertónicos se marchitan

– Animales pluricelulares: Consiguen regular la cantidad de agua y sales mediante mecanismos de excreción

Selectividad 27.- En la gráfica adjunta se representa la variación del volumen de una célula en función del tiempo. La célula fue colocada inicialmente en un medio con alta concentración de sales y a los 10 minutos fue transferida a un medio con agua destilada. Proponga una explicación razonada a los cambios de volumen que sufre la célula a lo largo del tiempo [1]. (2007)

El volumen de la célula disminuye en un medio con alta concentración de sales por pérdida de agua y aumenta en agua destilada por entrada de agua (procesos osmóticos) ........................................... 1 punto

29.- Un sistema de conservación de alimentos muy utilizado desde antiguo consiste en añadir una considerable cantidad de sal al alimento (salazón) para preservarlo del ataque de microorganismos que puedan alterarlo. Explique de forma razonada este hecho [1]. (2007)

La alta concentración de sal provoca la deshidratación de los microorganismos que intentan colonizar el alimento así protegido ................................................................................................................. 1 punto

75.- Se introducen células animales en tres tubos de ensayo: el tubo A tiene una solución hipertónica, el B una hipotónica y el C una isotónica. Exponga razonadamente lo que les ocurrirá a las células en cada uno de los tubos [1]. (2006)

Las del tubo A perderán agua (plasmólisis), a las del B les entrará (turgescencia), pudiendo llegar a lisarlas, y a las del C no les ocurrirá nada por ser isotónicas respecto al medio ............................................................... 1 punto

19.- En la figura 1 se representa un tubo en U cuyas ramas están separadas por una membrana semipermeable. La concentración salina es mayor en la rama B y menor en la A. Teniendo esto en cuenta, y una vez que haya transcurrido cierto tiempo, ¿cuál de las dos figuras, 2 ó 3, esperaría encontrar? [0,5]. Dibuje la figura resultante si la concentración salina fuese igual en ambas ramas [0,5]. Razone las respuestas. (2008)

Esperaría encontrar la figura 2, dado que mediante ósmosis tienden a igualarse las concentraciones salinas de ambas ramas pasando agua a través de la membrana semipermeable de la rama A (solución menos concentrada) a la B (solución más concentrada), aumentando el volumen de la rama B ....................... 0,5 puntos

Dibujo de la figura 1. Si las dos ramas tienen soluciones con la misma concentración salina no necesitan igualarse quedando ambas ramas con el volumen inicial .......................... 0,5 puntos

56.- En el Mar Muerto existe una elevada salinidad. Explique razonadamente por qué el número de especies en el Mar Muerto es menor que en otros mares [1]. (2006)

Deberá relacionarse la elevada salinidad con los procesos de plasmólisis (cualquier otra respuesta razonada se podrá dar como válida) .................................................................................................. 1 punto

60.- 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 [1]. (2006)

La presencia de sales minerales con efecto tampón en el plasma amortigua los cambios en el pH ........................................................................................ 1 punto

70.- El contenido salino interno de los glóbulos rojos presentes en la sangre es del 0,9%. ¿Qué le pasaría a un organismo, si se le inyectara en la sangre una solución salina que hiciera que la concentración final de sales en sangre fuese del 2,2%? [0,5]. ¿Y si la concentración final fuese del 0,01%? [0,5]. Razone las respuestas. (2006)

Un medio hipertónico provoca la plasmólisis de los glóbulos rojos ............0,5 puntos

Un medio hipotónico provoca la turgescencia y lisis de los glóbulos rojos. 0,5 puntos

88.- ¿Qué ocurre cuando células que carecen de pared celular se colocan en una solución muy concentrada de sales? [0,5]. ¿Sucedería lo mismo si se colocasen en agua destilada? [0,5]. Razone las respuestas. (2005)

En la solución de sales muy concentrada las células pierden agua del interior para compensar la concentración (plasmólisis) .............................. 0,5 puntos

En agua destilada entra agua en las células (turgescencia) y se lisan ... 0,5 puntos

RESUMEN

1. EL AGUA Características de la molécula

• Es la molécula más abundante en la materia viva

• Está formada por dos átomos de H u uno de O

• Adquiere carácter polar, aunque es eléctricamente neutra

• Interaccionan entre si estableciendo puentes de H

• Es un fluido en estado líquido a temperatura ambiente

PROPIEDADES IMPORTANCIA BIOLÓGICA

Elevada cohesión molecular

•Da volumen a las células y turgencia a las plantas •Permite deformaciones en el citoplasma celular •Actúa como esqueleto hidrostático en invertebrados •Función mecánica y amortiguadora en articulaciones de vertebrados

Elevada tensión superficial

Permite el desplazamiento de algunos organismos sobre la superficie de medios acuáticos

Elevado calor latente

Termorreguladora

Elevado calor específico

Elevado calor de vaporización

Máxima densidad en estado líquido

Permite la vida acuática en climas fríos

Elevada fuerza de adhesión

Permite la ascensión de la savia bruta a través de los vasos leñosos

Elevada constante dieléctrica

Bajo grado de ionización

HIDRURO "PESO" MOLECULAR PUNTO DE FUSIÓN PUNTO DE EBULLICIÓN

H2O 18 0° C 100° C

H2S 34 -82° C -61° C

H2Se 80 -64° C -42° C

H2Te 129 -51° C -4° C

Puntos de fusión y ebullición de hidruros similares al agua