1. Características y propiedades de los seres vivos
No resulta fácil la definición de vida. Aristóteles denominaba psyque a un principio vital que diferenciaba a los seres vivos de los inertes. Si acudimos a la definición que da la Real Academia de la Lengua Española, ésta nos dice que vida es una fuerza o actividad esencial mediante la que obra el ser que la posee. Vincula el atributo de vida a un ser, por eso tenemos que pensar que la vida es una cualidad exclusiva de los seres vivos, por esa razón se dice que “no hay vida sino seres vivos”, ya que la vida en este planeta no se manifiesta si no es a través de un ser vivo con entidad como tal. Esta apreciación es claramente de naturaleza filosófica y no científica.
Comparar una porción de materia viva con la materia inanimada, con lo minerales por ejemplo, nos permite distinguir claramente las características diferenciales de los seres vivos:
a) Complejidad molecular; aunque los seres vivos están compuestos por átomos y moléculas, como la materia inerte, las principales sustancias responsables del desarrollo y funcionamiento de un organismo son macromoléculas, como los ácidos nucleicos y las proteínas, que no existen en la naturaleza no viva.
Molécula inorgánica con tres átomos (agua)
Molécula orgánica con miles de átomos (proteína)
b) Homeostasis; es la capacidad para mantener constante el medio interno . Un ejemplo de ello es como regulan su temperatura los animales homeotermos, animales que mantienen una temperatura constante independiente de la temperatura exterior.
Ejemplo de regulación de la temperatura en el cuerpo humano
c) Automantenimiento y nutrición; los seres vivos intercambian materia y energía con el medio que les rodea. Se denomina metabolismo al conjunto de procesos químicos mediante los que el organismo utiliza la materia y la energía incorporadas para construir sus propios componentes y realizar sus procesos vitales. Los desechos producidos en el metabolismo son expulsados al exterior.
Ejemplo de los dos tipos principales de nutrición
d) Reproducción; los seres vivos no surgen de forma espontánea; solo pueden proceder de otros seres vivos mediante la reproducción. La materia viva tiene la capacidad de reproducirse, de originar copias de sí misma, y esta capacidad se pone de manifiesto en todos los niveles de organización: las células se dividen para dar nuevas células y los organismos se reproducen, sexual o asexualmente, para dar lugar a nuevos organismos. El proceso reproductor suele implicar un aumento de número y lleva asociados dos fenómenos aparentemente contradictorios: la herencia, que mantiene las características de una generación a la siguiente, y la variación o aparición de diferencias en los descendientes (variabilidad genética). La interacción entre estos dos fenómenos es la base de la evolución biológica.
e) Ciclo vital, crecimiento y desarrollo; los seres vivos atraviesan diferentes etapas a lo largo de su vida. En los organismos de reproducción sexual, a la formación del cigoto o célula huevo, siguen diferentes fases larvarias o embrionarias que conducen al estado adulto. Incluso los organismos unicelulares más simples experimentan durante su desarrollo un aumento de tamaño y replican sus estructuras antes de dividirse de nuevo.
f) Sensibilidad; todos los organismos son capaces de detectar y reaccionar ante los cambios que se producen en su entorno, es decir, elaboran respuestas ante los estímulos ambientales. En los organismos unicelulares la respuesta a estos estímulos es muy simple: por ejemplo, moverse hacia sustancias que les sirven de alimento. En los animales, la respuesta puede llegar a ser muy compleja, como las migraciones de algunas aves y mamíferos o el cuidado de las crías. Esta posibilidad de respuesta proporciona a los organismos la capacidad de autorregulación.
g) Transformación del medio que les rodea; la actividad vital conlleva necesariamente una transformación de los parámetros físicos del medio donde viven. Las características anteriores permiten distinguir claramente la materia viva de la materia inanimada: un ser vivo es capaz de mantener y perpetuar su composición, a pesar de los cambios ambientales, y es capaz de reproducirse. Hoy sabemos que las funciones de cualquier ser vivo están controladas, al menos en parte, por programas genéticos. La información acumulada en estos programas es el resultado de los 3 800 millones de años de evolución transcurridos desde el origen de la vida hasta nuestros días.
Presa hecha por un castor
1.1. Propiedades de los seres vivos
Podemos concretar tres propiedades generales que deben tener los seres vivos:
a) Uniformidad en su composición química; los seres vivos están formados por unos determinados elementos en unas proporciones diferentes a las de la materia inerte. Estos elementos se denominan bioelementos y son los que conforman las biomoléculas (comunes a todos los seres vivos).
b) Organización en niveles de complejidad creciente; la materia viva se estructura jerárquicamente en niveles de menor a mayor complejidad. Cada nivel está integrado por todos los elementos correspondientes al nivel inferior, sin embargo, las propiedades de cada uno no son simplemente la suma de las propiedades de sus componentes, sino que surgen nuevas propiedades de la interacción entre esos componentes. Esta característica recibe el nombre de emergencia, y las nuevas propiedades, propiedades emergentes.
c) Capacidad de realizar las funciones vitales; los seres vivos deben ser capaces de realizar las funciones de nutrición, relación y reproducción.
1.2 Niveles de organización
1.2.1. Niveles de organización abióticos o químicos
1. Nivel partículas fundamentales; lo componen los fermiones (quarks, leptones, ….) y los bosones (fotones, …). Son campo de estudio de la física más avanzado y hoy en día se siguen descubriendo nuevas partículas en instalaciones de altísima tecnología como el CERN en Suiza.
2. Nivel subatómico; hasta el descubrimiento de las partículas fundamentales este nivel era el más simple de todo y está formado por electrones, protones y neutrones, que son las tres partículas que configuran el átomo.
3. Nivel átomo: es el siguiente nivel de organización. Es el resultado de la agrupación de protones, electrones y neutrones. Se ordenan atendiendo a su número de protones (número atómico, Z) en la tabla periódica de los elementos.
4. Nivel molecular; las moléculas consisten en la unión de diversos átomos diferentes para formar, por ejemplo, oxígeno en estado gaseoso (O2), dióxido de carbono, o simplemente carbohidratos, proteínas, lípidos… Las moléculas pueden ser orgánicas (glucosa, lípidos, aminoácidos) o inorgánicas (agua, sales minerales, gases, óxidos…).
Molécula de agua
5. Nivel subcelular u organular; Este nivel de organización a veces se considera una extensión del nivel molecular. Sin embargo puede considerarse como un paso más, ya que supone la unión de varias moléculas para formar estructuras más grandes como los orgánulos de las células: membranas plasmáticas, aparato de Golgi… También podríamos meter aquí (o en el nivel molecular) a los virus que son una asociación entre proteínas y ácidos nucleicos con propiedades infecciosas.
Mitocondria de una célula eucariota
Coronavirus
1.2.2. Niveles de organización bióticos
1. (6.) Nivel celular; las células son las unidades anatómicas, todos los seres vivos están formados por una o más células, y funcionales, cumplen las tres funciones vitales, de los seres vivos. Están formadas por la agrupación de los orgánulos y las moléculas de los niveles anteriores.
3. (8.) Nivel órgano; la agrupación de varios tejidos para realizar una función compleja (que no puede llevar a cabo un solo tejido) forma los órganos. Por ejemplo la raíz, el corazón, ...
4. (9.) Nivel sistémico o de aparatos; la agrupación funcional de varios órganos conforma los sistemas o aparatos. Aunque en muchas ocasiones se usan de forma indistinta lo correcto es hablar de sistemas cuando hay una gran preponderancia de un tipo de tejido (por ejemplo, el sistema muscular) y de aparatos cuando no lo hay (por ejemplo, el aparato digestivo). Esta agrupación se produce para llevar a cabo funciones más amplias entroncadas con las tres funciones vitales.
5. (10.) Nivel organismo/individuo/ser vivo pluricelular; es un nivel de organización superior en el que todos los niveles anteriores conforman un ser vivo independiente capaz de llevar a cabo de forma autónoma las tres funciones vitales. Su unidad biótica mínima es la célula; los tejidos, órganos y aparatos o sistemas aparecen en aquellos de mayor complejidad. Por ejemplo, el ser humano, un roble, ...
6. (11.) Nivel población; es el conjunto de individuos de la misma especie que viven en un determinado momento y lugar. Por ejemplo, la población de gatos de Isla Cristina o la población de pinos que hay entre Isla Cristina e Islantilla.
7. (12.) Nivel comunidad o biocenosis; es el conjunto de todos los seres vivos (o sea de todas las poblaciones) que viven en un determinado lugar. Por ejemplo todos los seres vivos que viven en Isla Cristina, desde las bacterias de la piel a las personas.
8. (13.) Nivel ecosistema; es un sistema dinámico creado por la interacción entre la biocenosis o comunidad de un lugar y el medio físico (biotopo) que habita (suelo, aire, agua, …). El concepto no solo abarca a los seres vivos y el medio físico si no también a todas las relaciones y flujos de materia y energía existentes entre los mismos. Por ejemplo, las marismas del río Odiel.
9. (14.) Nivel bioma; son conjuntos de ecosistemas asociados a unas determinadas características ambientales como la humedad, la temperatura, la radiación, … Ejemplos serían el bosque mediterráneo, la taiga, ….
10. (15.) Nivel biosfera; es todo el conjunto de seres vivos y componentes inertes que comprenden el planeta Tierra. Comprende la capa de la atmósfera en la que existe vida y que se sustenta sobre la litosfera, la parte habitable de la hidrosfera y la parte más externa de la corteza.
Vídeo de repaso sobre los niveles de organización
2. Componentes químicos de los seres vivos
De los aproximadamente 90 elementos químicos que encontramos en la naturaleza hay 30 que son esenciales para los seres vivos; por esto se les denomina bioelementos o elementos biogénicos. Estos bioelementos, las moléculas que forman y todas las reacciones químicas asociadas a ellos los estudia la bioquímica.
Los más abundantes e importantes de ellos se denominan bioelementos primarios y son el carbono (C), el hidrógeno (H), el oxígeno (O), el nitrógeno (N), el azufre (S) y el fósforo (P). Pueden recordarse en orden por el sonido que se hace al leer sus iniciales (CHONSP) y comprenden casi el 99% de la materia viva.
Todos ellos comparten una serie de propiedades que explican su mayor abundancia:
a) Los seis elementos tienen capas electrónicas externas incompletas. De este modo pueden formar fácilmente enlaces covalentes y dan lugar a las biomoléculas que constituirán las estructuras biológicas y llevarán a cabo las funciones vitales.
b) Poseen un número atómico bajo, por lo que los electrones compartidos en la formación de los enlaces se hallan próximos al núcleo y las moléculas originadas son estables.
c) Dado que el oxígeno y el nitrógeno son elementos electronegativos, muchas biomoléculas son polares y, por ello, solubles en agua, requisito imprescindible para que tengan lugar las reacciones biológicas fundamentales de la actividad vital.
d) Por último, los bioelementos mayoritarios pueden incorporarse fácilmente a los seres vivos desde el medio externo, ya que se encuentran en moléculas (CO2, H2O, nitratos) que pueden ser captadas de manera sencilla. Este hecho asegura el intercambio constante de materia entre los organismos vivos y su medio ambiente.
2.2 El carbono
El carbono es el bioelemento principal pues al encontrase en la columna IV A (14) de la tabla periódica tiene cuatro orbitales con electrones desapareados que se disponen en una estructura tetraédrica (valencia cuatro).
Esta estructura hace posible la formación de enlaces covalentes con otros átomos de carbono pudiendo formar cadenas y redes estables que permiten obtener moléculas de gran complejidad.
Todo ello va a permitir la aparición de diferentes grupos funcionales que darán propiedades concretas a las moléculas que los presenten. Los principales grupos funcionales que tenemos que conocer son:
Los bioelementos secundarios aparecen en menor cantidad, alrededor del 1%, pero también son imprescindibles para los seres vivos. Son el sodio (Na+), el potasio (K+), el magnesio (Mg2+) y el cloro (Cl-). Aparecen normalmente en forma ionizada.
2.4 Oligoelementos
Un tercer grupo lo conforman los oligoelementos; estos, como dice su nombre, aparecen en cantidades muy pequeñas (menos del 0,1%) y pueden ser indispensables (si son necesarios en todos los seres vivos) como el manganeso (Mn), el iodo (I), el niquel (Ni), el hierro (Fe) y el cobre (Cu); o variables (si son necesarios solo en algunos seres vivos) como el boro (B), el aluminio (Al) o el vanadio (V).
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El audio es un poco regular pero es un buen vídeo para repasar los bioelementos y ampliar un poco lo visto.
La unión de los bioelementos va a formar las moléculas que constituyen la materia viva (biomoléculas o principios inmediatos). Dentro de las biomoléculas podemos distinguir entre biomoléculas inorgánicas (no están formadas por cadenas de carbono, son de pequeño tamaño y aparecen tanto en el medioambiente como en los seres vivos) y biomoléculas orgánicas (formadas por cadenas de carbono, de gran tamaño y aparecen solo en la materia orgánica).
3. Biomoléculas o principios inmediatos inorgánicos
Las biomoléculas se expresan mediante distintos tipos de fórmulas que nos aportan más o menos información y de distinto tipo. Dependiendo de la situación y de lo que queramos mostrar usaremos unas u otras. Las principales son:
Las biomoléculas están compuestas por bioelementos que tienden a unirse de forma espontánea mediante enlaces químicos. Además, unas moléculas se pueden unir a otras mediante enlaces intermoleculares formando complejos supramoleculares (ej.: ADN e histonas).
Hay dos tipos básicos de enlaces intramoleculares, el covalente y el iónico:
El enlace covalente se produce entre átomos que comparten uno o más pares de electrones, cuya electronegatividad es igual o parecida. En el primer caso se originan moléculas apolares (como el N2 o el O2). Cuando unos átomos atraen más que otros los electrones, se originan moléculas polares, con un polo positivo y otro negativo, formando dipolos moleculares, como el H2O o el NH3.
El enlace iónico se produce por la atracción electrostática de átomos con cargas opuestas, resulta de la pérdida de electrones por parte de un átomo y la ganancia por parte de otro. El átomo que capta los electrones se transforma en un ion negativo o anión, y el que los pierde, en un ion positivo o catión. En solución los iones están libres, mientras que en estado sólido unos iones se rodean de otros de carga opuesta, formando un entramado ordenado que origina una estructura cristalina. Como veremos más adelante, las sales minerales presentes en los seres vivos se encuentran en ambas formas, sólida o solubilizadas.
Los enlaces intermoleculares se establecen entre átomos de moléculas distintas. Entre los enlaces intermoleculares destacan:
El puente o enlace de hidrógeno se origina entre un átomo de H y uno de O o N de diferentes moléculas, debida a la atracción de sus cargas parciales, habiendo una carga parcial positiva sobre el H δ+ y una carga parcial negativa en el O δ- o en el N δ-. Esto se debe a que si un átomo de H está unido covalentemente a un elemento muy electronegativo (O, N); éste atrae hacia él a los electrones compartidos en el enlace covalente. Como resultado, el hidrógeno queda parcialmente desprovisto de los electrones y adquiere una carga parcial positiva, y es atraído por otros elementos químicos cargados con distinto signo. Este es un enlace débil, pero muy numeroso, que asegura la cohesión entre las moléculas de agua y contribuye a la conformación espacial de moléculas como las proteínas y los ácidos nucleicos.
Las interacciones iónicas se producen entre moléculas con grupos funcionales con cargas eléctricas opuestas. Por ej., contribuyen a la estructura 3ª de las proteínas.
Las fuerzas de Van der Waals son interacciones hidrofóbicas que se establecen entre grupos o moléculas apolares, que tienden a agruparse juntas en un medio acuoso aislándose lo más posible del agua. Actúan a distancias muy cortas y son importantes en la formación de las membranas celulares.
3.2 Los gases
Existen muy pocos casos en los que las moléculas aparezcan en estado gaseoso en los seres vivos. Prácticamente solo es posible encontrarlos como tales en algunos órganos de flotación.
El O2 se va a transportar unido a proteínas dada su baja solubilidad en agua, el CO2 se transporta en gran medida disuelto en forma de bicarbonato (por eso su acumulación afecta al pH) y el amoniaco suele ser eliminado disuelto en agua (en los organismos acuáticos) o es necesario incorporarlo a sustancias como la urea y el ácido úrico.
3.3 El agua (H2O)
Es el componente mayoritario en los seres vivos. Su proporción, siempre muy elevada varía en función de:
a) Especie; los organismos acuáticos contienen un porcentaje especialmente elevado de agua (por motivos obvios) mientras que los que viven en zonas desérticas lo tienen más bajo (por los mismos motivos).
b) Edad; en general los tejidos de los individuos jóvenes tienen una mayor proporción de agua porque presentan una mayor actividad metabólica (que ocurre en el agua) y un mayor crecimiento.
c) Tipo de tejido; los tejidos con una gran actividad metabólica (p. ej. nervioso) tienen una mayor cantidad de agua que los tejidos con muy poca actividad metabólica (p. ej. tejidos de sostén/esqueléticos).
Hemos de recordar que el principal factor que permite la vida fuera del medio acuático es la capacidad de determinados seres vivos de conservar el agua de su medio interno evitando la deshidratación. Dentro de los seres vivos el agua suele localizarse de tres maneras:
3.3.1 Estructura química del agua (H2O)
Sus propiedades derivan de su estructura molecular: los dos átomos de hidrógeno están unidos al oxígeno por enlaces covalentes en un ángulo de 104,5º.
Esto es fundamental pues la gran electronegatividad del oxígeno hace que los electrones compartidos con el hidrógeno se sitúen en su zona creando una molécula que, aunque sea de carga neutra, se comporta de forma polar. Esto provoca un carácter dipolar que permite el establecimiento de puentes de hidrógeno (atracciones electroestáticas +/-). Son atracciones leves y efímeras pero cuando se suman todas ellas conllevan una serie de propiedades que hacen que el agua sea fundamental para la vida.
a) Elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas; debido a la existencia de enlaces de hidrógeno que mantienen fuertemente unidas a unas moléculas con otras. Ello explica que sea un líquido prácticamente incompresible, idóneo para dar volumen a las células, para la turgencia de las plantas o para servir como esqueleto hidrostático de ciertos animales invertebrados como anélidos o celentéreos.
También explica su elevada tensión superficial, que se traduce en que su superficie opone gran resistencia a romperse comportándose como una membrana elástica tensa, esto permite que muchos organismos vivan asociados a esa película superficial. Esto se explica porque el agua que está en la superficie solo establece puentes de hidrógeno con las moléculas de agua situadas debajo (encima está el aire).
Como veremos en anatomía esta propiedad hace que sea ideal para absorber impactos y lubricar aquellas estructuras con un mayor estrés físico (como las articulaciones o las zonas de contacto con los huesos).
Vemos como el agua sirve de esqueleto en las plantas con la turgencia celular y en muchos animales invertebrados.
b) Elevada fuerza de adhesión; Las moléculas de agua se adhieren fuertemente a las paredes del recipiente en el que se encuentran. Si dicho recipiente es un tubo fino se produce un ascenso del agua por él hasta una cierta altura. Este hecho conocido como fenómeno de capilaridad, permite ascender al agua por distintos conductos, lo que está relacionado con la cohesión entre sus moléculas y con la adhesión de estas a las paredes de los conductos por los que asciende. Estos fenómenos influyen en el movimiento de ascenso de la savia bruta por los vasos conductores de los vegetales y podemos observarlo introduciendo un extremo de cualquier producto de origen vegetal (tela, papel) en agua y veremos como acaba subiendo y mojando todo.
c) Elevado calor específico (Ce); el calor específico, Ce, se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a un gramo de una sustancia para que aumente su temperatura un grado centígrado.
En el agua el Ce es muy alto (1 caloría / g · °C), lo que implica que el agua se va a comportar como un buen amortiguador de cambios bruscos de la temperatura, ya que antes de enfriarse o de calentarse tiene que perder o ganar mucho calor respectivamente. En el caso de algunos seres vivos va a colaborar decisivamente al mantenimiento de una temperatura corporal constante gracias a los líquidos circulatorios como la sangre. También es importante medioambientalmente pues los climas en lugares cercanos a grandes masas de agua son mucho más suaves.
d) Elevado calor de vaporización; que es el calor necesario para que una sustancia pase del estado líquido al estado gaseoso. En el caso del agua, para pasar del estado líquido al gaseoso hay que romper todos los enlaces de hidrógeno. Supone que el agua es un buen regulador de la temperatura, lo que hace que colabore en la refrigeración de los organismos ya que para que se evapore el sudor o para la transpiración de los vegetales es necesario tomar mucho calor, con lo que el organismo se enfría.
f) Más densidad en estado líquido que en estado sólido; se debe a que presenta un coeficiente de dilatación negativo. El agua presenta mínimo volumen y mayor densidad a 4 °C, por lo que el agua fría como es menos densa no desciende. Cuando solidifica aumenta de volumen y tiene la mínima densidad, lo que explica que el hielo forme una capa superficial termoaislante que permite la vida en mares, ríos y lagos, incluso en épocas frías, cuando la superficie está congelada. Este comportamiento tan inusual se debe a la estructura cristalina que forma por los puentes de hidrógeno (como vimos antes y vuelvo a poner aquí).
g) Elevada constante dieléctrica (fuerza con que las moléculas de un disolvente mantienen separados a los iones de carga opuesta); al ser sus moléculas bipolares, el agua es un gran disolvente de compuestos iónicos, como las sales minerales, y de compuestos covalentes polares, como los glúcidos. El proceso de disolución se debe a que las moléculas de agua se disponen alrededor de los grupos polares del soluto llegando, en el caso de compuestos iónicos, a desdoblarlos en aniones y cationes, que quedan así rodeados por moléculas de agua, fenómeno de solvatación.
Además el agua puede formar enlaces de hidrógeno con otras moléculas no iónicas, pero que tienen grupos polares (como es el caso de muchas biomoléculas), causando su disolución. Algunas biomoléculas (lípidos y algunas proteínas) son insolubles en agua (lo que es necesario para poder desarrollar ciertas funciones).
Esto explica que sirva de vehículo de transporte (captación de sales minerales por las plantas o líquidos circulatorios como la sangre y la savia), y que sea el medio en el que se realicen las reacciones químicas del organismo (citosol). Además el agua, aunque no disuelve si dispersa sustancias anfipáticas, caso de los compuestos de carácter lipídico, que forman las denominadas micelas (se verá en el tema de lípidos).
Por todo esto muchas veces se conoce al agua como el disolvente universal.
h) Bajo grado de ionización; sólo una de cada 551·106 moléculas de agua se encuentra ionizada . Es decir la molécula de agua es muy estable, por lo que se toma como patrón con el que comparar. Esto se aprecia sobre todo en la medida de la acidez o la alcalinidad de un medio.
Lo que explica que la [H3O+] sea igual a la de [OH─], y que ambas sean muy bajas, de 10-7 moles/litro. En estas condiciones, si al agua se añade un ácido o una base, aunque sea en muy poca cantidad, esas concentraciones varían bruscamente. Esta es la única propiedad del agua que no es adecuada para los seres vivos porque provoca que el agua no pueda controlar las variaciones de pH. Como veremos más adelante se requerirán unos tampones (de sales minerales y proteínas) que puedan llevar a cabo este control del pH en los seres vivos.
3.3.3. Funciones del agua
Es posible que me pregunten por las funciones del agua en los seres vivos. Estas se relacionan íntimamente con las propiedades anteriormente vistas (y ya hemos hablado de ellas en las propiedades) pero os pongo un pequeño resumen para tenerlo a mano:
a) Soporte o medio donde ocurren las reacciones metabólicas.
b) Amortiguador térmico.
c) Transporte de sustancias.
d) Lubricante, amortiguadora del roce entre órganos.
e) Favorece la turgencia.
f) Da flexibilidad y elasticidad a los tejidos.
g) Puede intervenir como reactivo en reacciones del metabolismo, aportando hidrogeniones o hidroxilos al medio.
3.3.4. Disoluciones y dispersiones
Los fluidos en los seres vivos constan de una fase dispersante o disolvente, que es el agua, y de una fase dispersa o soluto. En una disolución denominamos disolvente a la sustancia de la mezcla que se encuentra en mayor proporción y soluto a la sustancia o sustancias que se encuentran en menor proporción. El soluto está formado por partículas que pueden presentar distintos tamaños; según este tamaño los fluidos se pueden clasificar en disoluciones verdaderas o dispersiones coloidales.
A) Disolución verdadera: son aquellas disoluciones en las que las partículas de soluto tienen un tamaño muy pequeño. Por ejemplo las sales minerales o pequeñas moléculas orgánicas como glucosa, aminoácidos…
El aspecto de la disolución es igual que el del disolvente puro. Las disoluciones verdaderas poseen unas propiedades coligativas (aumento de temperatura de ebullición y de la presión osmótica, entre otras) que dependen de la concentración de soluto.
Cuando son sales minerales se llaman disoluciones iónicas y cuando son pequeñas moléculas sin carga se llaman disoluciones moleculares. Estas disoluciones son mezclas homogéneas, es decir, mezclas uniformes ya que su composición, estructura o propiedades se mantienen constantes en cualquier punto de su masa.
B) Disolución coloidal o dispersión coloidal; son las disoluciones que contienen partículas de soluto de tamaño grande. Por ejemplo polisacáridos, proteínas… Estas partículas de soluto se llaman coloides. Estas mezclas son heterogéneas, es decir, no son uniformes, ya que su composición, estructura o propiedades difieren de unas partes a otras de su masa, y a pesar del gran tamaño de las partículas, éstas no sedimentan porque poseen grupos polares, haciendo puentes de H con las moléculas de agua que las rodean.
En conclusión: los fluidos de los seres vivos, sangre, linfa, líquido intracelular…, como contienen partículas de todos los tamaños, se parecen más a una dispersión coloidal que a una disolución verdadera. Un tipo especial de disolución coloidal es la emulsión donde hay un agente que consigue que dos sustancias que no podrían mezclase (como el agua y el aceite) lo hagan. Un ejemplo típico sería la mahonesa (o la yema de huevo con la que se hace). Esto ocurre gracias a una proteína, la lecitina, que tiene un lado polar y otro apolar.
Las dispersiones coloidales presentan dos estados físicos, estado de sol y estado de gel.
En estado de sol presentan aspecto líquido, ya que las moléculas de soluto se encuentran en menor cantidad que las del disolvente, mientras que, en estado de gel presentan un aspecto semisólido o gelatinoso pues las moléculas de disolvente están “atrapadas” entre las de soluto, que son más abundantes y se entrelazan formando una red continua. Es una dispersión coloidal más concentrada que la de estado sol.
En la célula los estados de sol y gel se pueden alternar según las variaciones de concentración de las partículas coloidales, por ejemplo por deshidratación se pierde agua aumentando la concentración de coloides. También cambian los estados de sol y gel con las variaciones en el pH, la temperatura y presión. En ocasiones el cambio es irreversible y no es posible la transformación a la inversa aunque normalmente siempre están oscilando entre un extremo y otro. Esto puede observarse de forma típica en el citoplasma de las células y es fundamental para permitir variaciones metabólicas, movimientos celulares, cambios de forma, etc.
Las dispersiones coloidales tienen características diferentes de las disoluciones verdaderas, como:
a) Elevada viscosidad debido al elevado tamaño de las moléculas que constituyen un coloide, por eso presentan cierta resistencia al movimiento.
b) Efecto Tyndall, las dispersiones coloidales son transparentes y claras pero, si se iluminan lateralmente y se sitúan sobre un fondo oscuro, se puede observar que se pierde la transparencia. Esto es debido a que las moléculas que las constituyen provocan la reflexión de los rayos de luz.
c) Adsorción. La adsorción es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas son atrapados o retenidos en la superficie de un material.
Para separar las partículas coloidales del resto pueden hacerse sedimentar mediante ultracentrifugación (gracias a las gravedades obtenidas con el giro a gran velocidad) o separarlas mediante diálisis (gracias a membranas semipermeables que solo permitan el paso de partículas según su tamaño).
3.4 Las sales minerales
Las sales minerales son biomoléculas o principios inmediatos inorgánicos que aparecen el los seres de dos formas: precipitadas y disueltas.
3.4.1. Sales minerales precipitadas
Las sales en estado sólido son insolubles en agua, se encuentran precipitadas (normalmente asociadas a proteínas) y cumplen una función estructural, de protección y sostén como por ejemplo, huesos y caparazones. Las más comunes son el carbonato cálcico (CaCO3), el fosfato cálcico (Ca3(PO4)2) y la sílice o dióxido de silicio (SiO2).
El carbonato cálcico (CaCO3) constituye el esqueleto de corales, forman las conchas de gasterópodos y bivalvos, endurecen huesos y dientes de vertebrados, constituyen los otolitos en el oído interno de vertebrados que permiten mantener el equilibrio, forma parte de protozoos marinos, etc.
El fosfato cálcico (Ca3(PO4)2) forma parte de los esqueletos de vertebrados (huesos y dientes).
La sílice (SiO2) forma parte de los caparazones que presentan algunos microorganismos como las algas unicelulares llamadas diatomeas, confiere rigidez a la estructura de algunas esponjas (esponjas con espículas silíceas) y endurece estructuras de sostén en algunos vegetales como las gramíneas (plantas como el césped y cereales).
3.4.2. Sales minerales disueltas
Es la forma en que se encuentran la mayoría de los compuestos minerales de los seres vivos. Al encontrarse en un medio acuoso, están disociadas en iones. Entre ellos debemos citar:
a) Aniones; iones con carga eléctrica negativa como Cl─, CO32-, CO3H─, PO43─, PO4H2─ y NO3─.
b) Cationes; iones con carga eléctrica positiva como Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Fe2+, etc.
Funciones de las sales minerales disueltas
A) Regulación de los procesos osmóticos
Para comprender la fisiología celular es fundamental conocer las propiedades de las disoluciones. Si se añaden partículas de un fluido (gas o líquido) al seno de otro fluido, se suelen repartir de forma homogénea (uniforme) al ponerlos en contacto. Este proceso se llama difusión, por ej., la absorción del O2 de los pulmones a la sangre. La difusión se detiene cuando se igualan las concentraciones de dichas partículas en ambos fluidos.
Observa en las figuras dos ejemplos de difusión, en el primero al añadir una sustancia en una zona de un vaso, al cabo del tiempo se ha distribuido uniformemente por todo el líquido del vaso. En el otro ejemplo hay una membrana celular y con el tiempo, la sustancia se ha repartido de manera homogénea, presentando la misma concentración dentro y fuera de la célula. En cambio, si la membrana es impermeable, la sustancia no podrá pasar y no habrá difusión.
Los iones de las sales minerales están implicados en la entrada y salida de agua en la célula, relacionado con los fenómenos de ósmosis. La ósmosis es un fenómeno que se comprueba experimentalmente cuando se enfrentan dos disoluciones con diferente concentración separadas por una membrana semipermeable (como son las membranas celulares). Los iones, como tienen carga eléctrica, no pueden pasar a través de las membranas así que el disolvente pasa de la disolución con menos concentración de soluto a una con más concentración del soluto, hasta que se igualan las concentraciones.
Por lo tanto las sales minerales van a controlar el movimiento del agua en los seres vivos. Una célula tiene que tener la misma concentración (relación entre el soluto y los iones) que la disolución del medio que la rodea. Si no es así, entrará agua o saldrá agua de la célula para igualar concentraciones.
Los medios acuosos pueden tener diferentes concentraciones de sales y se denominan:
a) Medio hipotónico es un medio acuoso con una baja concentración de solutos con respecto a otros en los que la concentración es mayor.
b) Medio hipertónico, es un medio acuoso con una alta concentración de solutos con respecto a otros en los que la concentración es menor.
c) Medio isotónico: es un medio acuoso que tienen la misma concentración de solutos que otros con los que se compara.
En la Fig. 2.16, si suponemos que la parte oscura es el interior celular y la clara el medio externo acuoso, se observa como en la solución hipotónica el interior celular se ve más concentrado en solutos, en la solución hipertónica se ve el interior celular menos concentrado que la solución y en la isotónica las concentraciones son iguales.
Todo es relativo, es decir que el interior celular podemos decir que es hipertónico respecto a la solución hipotónica, pero a su vez, el interior celular es hipotónico si lo comparamos con la solución hipertónica. Sin embargo, en todos los casos se ha puesto la misma concentración en el interior celular. Por lo tanto si se dice que algo es hipertónico o hipertónico hay que decir siempre respecto a qué.
Las membranas celulares actúan como una membrana semipermeable que permite el paso del agua pero no de los solutos. El agua tiende a pasar de los medios hipotónicos a los hipertónicos, al llenarse de agua la célula ejerce una presión sobre la membrana, llamada presión osmótica, que será más intensa cuanto mayor sea la diferencia de concentración entre ambos medios. La presencia de sales minerales es determinante para que se produzca la entrada o salida de agua de la célula, ya que el equilibrio osmótico depende de la concentración de sustancias de distinta naturaleza. En realidad no influyen sólo las sales, por ejemplo, la concentración de glucosa o de proteínas a ambos lados de la membrana celular también influye en el movimiento del agua.
En las células se pueden dar tres situaciones según que el medio extracelular sea hipertónico, hipotónico o isotónico. En la célula vegetal:
a) Medio hipertónico: el agua tiende a salir de la célula. La célula se arruga, y la membrana se despega de la pared celular, fenómeno que recibe el nombre de plasmólisis.
b) Medio isotónico: la cantidad de agua que sale de la célula es la misma que la que entra; por tanto, no se producen fenómenos osmóticos, y la célula no sufre alteraciones.
c) Medio hipotónico: Entra agua a la célula para equilibrar las concentraciones. La célula se hincha (turgencia), aunque no llega a estallar debido a la presencia de la pared celular.
Mientras que en la célula animal:
a) Medio hipertónico: se produce la salida de agua desde el citoplasma al medio extracelular. La célula se arruga, proceso conocido como retracción o plasmolisis, deja de realizar sus funciones y puede llegar a producirse la muerte celular.
b) Medio isotónico: el glóbulo rojo se encuentra en un medio isotónico, por lo que está en equilibrio osmótico.
c) Medio hipotónico: se produce la entrada de agua. Si la diferencia de concentración es muy grande, la célula llega a estallar (lisis celular, hemolisis si se trata de eritrocitos).
B) Control del pH
Ya vimos en las propiedades del agua que es incapaz de mantener constante su pH. La regulación del mismo depende en gran parte de los sistemas tampón de las sales minerales.
Vídeo de repaso del concepto de pH en el agua. Recordad que el agua pura es neutra (pH=7)
Es un hecho conocido que el agua pura no es totalmente aislante, conduce débilmente la electricidad. Es un electrolito muy débil ya que se encuentra ligeramente disociada en sus iones, OH- hidroxilo e H3O+ hidronio. Por convenio se suele utilizar el símbolo H+ en lugar de H3O+, pero en realidad en el agua no existen protones desnudos, sino hidratados en forma de H3O+. Ya vimos en las propiedades del agua que su constante de disociación (Kw) es bajísima (10-14), o sea que solo hay una forma ionizada por cada 555 millones de moléculas de agua.
La concentración de iones se mide por medio del pH. Se define pH como pH= -log [H+], para evitar trabajar con potencias de 10 negativas, de forma que en equilibrio, el pH del agua = 7. Si una disolución tiene pH=7 quiere decir que tiene 10-7 moles de H+ y 10-7 moles de OH- por litro de disolución.
Sin embargo, al añadirse sustancias ácidas, que bajan el pH al aumentar la concentración de H+, o básicas, que suben el pH al aumentar la concentración de OH-, cambia el pH.
El pH ácido tiene valores menores de 7 y el básico o alcalino mayores de 7. Teniendo en cuenta la ecuación anterior, una disolución de pH=8 tiene 10-8 moles de H+ y 10-6 moles de OH- por litro de disolución y así sucesivamente.
Los organismos vivos no soportan variaciones de pH importantes, porque afectan a la estabilidad de las macromoléculas, provocan la desnaturalización de las proteínas, del ADN… y por esta razón han desarrollado los sistemas tampón.
Las disoluciones tampón también llamadas sistemas amortiguadores o buffer consisten en un par conjugado ácido-básico de sustancias que ayudan a mantener el pH constante dentro de ciertos límites, aunque se añadan a la disolución ciertas cantidades de iones (H+ u OH-) procedentes de ácidos o bases (respectivamente).
Si se añade 1 ml de HCl 10 N a un litro de agua pura, que está a pH 7, el pH descenderá aproximadamente hasta un valor de 2; en cambio sí se añade la misma cantidad de HCl a un litro de plasma sanguíneo, que tiene su propio sistema tampón, el pH sólo descenderá desde 7,4 hasta aproximadamente 7,2.
Las sales minerales forman sistemas tampón, el bicarbonato actúa en los medios extracelulares como la sangre y el sistema tampón fosfato en los medios intracelulares. También existen otros sistemas tampón en el cuerpo que no son sales minerales, como los aminoácidos y las proteínas (ver Tema 4).
1) Sistema tampón bicarbonato: en el plasma sanguíneo, el CO2 procedente del metabolismo celular se combina de forma reversible con H2O, dando H2CO3. El ácido carbónico es un ácido débil que puede disociarse en los iones H+ y HCO3- (bicarbonato).
Cuando se produce un aumento de la concentración de iones H+ (al haber sustancias ácidas) el equilibrio se desplaza hacia la derecha (elimina los H+ neutralizando la acidez) y se elimina hacia el exterior el exceso de CO2 producido. Si por el contrario disminuye la concentración de H+ (al aumentar la concentración de OH- debido a la presencia de sustancias básicas) el equilibrio se desplaza hacia la izquierda tomando CO2 de la sangre (aumenta los H+ neutralizando la basicidad).
A pH 7,4 (el pH de la sangre) la relación bicarbonato/ácido carbónico es 20:1, por lo que es un excelente amortiguador de ácidos (muchos HCO3- libres para coger H+) en el medio extracelular. Este sistema ofrece además la ventaja de ser abierto, al poder eliminar el exceso de CO2 por ventilación pulmonar y el exceso de bicarbonato por los riñones.
2) Sistema tampón fosfato: actúa dentro de la célula, los iones son: H2PO4-, H+ y HPO42-, y su equilibrio viene dado por la siguiente reacción reversible:
Cuando se produce un aumento de la concentración de H+ (ácido), el equilibrio se desplaza hacia la izquierda (elimina exceso de H+); si por el contrario se produce una disminución de H+ (básico), el equilibrio se desplaza hacia la derecha (se forma H+ para neutralizar el exceso de OH- al unirse ambos formando H2O).
La concentración de fosfato en sangre es baja, por lo que su capacidad amortiguadora en la sangre es escasa si la comparamos con el tampón bicarbonato. Sin embargo, es un eficaz amortiguador de pH en el medio intracelular, teniendo en cuenta las elevadas cantidades de fosfato que existen en el interior celular donde la relación HPO42-/ H2PO4- es 4:1.
C) Actividad eléctrica
Las sales minerales, al estar en forma iónica, van a ser las responsables de toda la actividad eléctrica en los seres vivos. Son fundamentales en el mantenimiento del potencial eléctrico en las membranas, en la transmisión del impulso nervioso, en la contracción muscular, etc etc
D) Funciones fisiológicas y bioquímicas; muchos procesos biológicos solo se pueden realizar con la intervención de determinados iones debido a que van a funcionar como activadores y cofactores de muchas enzimas (como estudiaremos más adelante).
Y con esto hemos terminado el tema 1^^.
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