El agua y las sales minerales

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1 El agua y las sales minerales

2 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.

3 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.

4 EL AGUA Seres Vivos % Agua Tejidos Desarrollo humano 70 Riñones 63
Feto 95 Caracol 75 Pulmón 80 Bebé 73 Medusa Saliva Adolescente 67 Maíz 85 Hueso 22 Adulto 62 Alga Cerebro Anciano 55 4

5 Contenido en agua de algunos organismos y algunos tejidos humanos
Tejido Algas Caracol Crustáceos Espárragos Espinacas Estrella mar Persona adulta Hongos Lechuga Lombriz Maíz Medusa Pino Semilla 98 80 77 93 76 62 95 83 86 47 10 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 99 91-93 60-65 85 75 70 75-80 72 70-75 60 20-25 10-20 3

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

7 Se encuentra de tres formas
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 Se desplaza en los organismos transportando sustancias (sangre, savia,…) Agua circulante Se encuentra de tres formas Agua intersticial Se encuentra entre las células Agua intracelular Está en el citoplasma y los orgánulos

8 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.

9 La desigual distribución de carga hace del agua una molécula polar
El carácter electronegativo del oxígeno hace que los electrones compartidos con el hidrógeno se desplacen hacia el oxígeno + - e- e- 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.

10 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 H2O 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.

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

12 Propiedades del agua Propiedades físicas: Propiedades químicas:
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: Elevada constante dieléctrica: buen disolvente (solvatación) y dispersante Bajo grado de ionización (pH)

13 Propiedades del agua (I)
Elevada cohesión molecular Da volumen a las células. Turgencia en las plantas. Esqueleto hidrostático. Deformaciones citoplasmáticas. Amortiguación en articulaciones. Fuerzas de adhesión Vidrio Capilar de vidrio Elevada tensión superficial Desplazamiento de algunos organismos sobre el agua. Moléculas de agua Elevada fuerza de adhesión Ascensión de la savia bruta por capilaridad. 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. Densidad máxima a 4 °C Permite la vida bajo el hielo.

14 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)

15 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.

16 Propiedades del agua (III)
Elevada capacidad disolvente Compuestos orgánicos ionizables: -COOH, -NH3 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.

17 Propiedades del agua (III)
Bajo grado de ionización Las disoluciones acuosas pueden tener distintos grados de pH.

18 DISOCIACIÓN DEL AGUA: El pH
El agua pura es, en realidad, una mezcla de tres especies en equilibrio químico: 2H2O H3O+ + OH- Agua sin disociar Protones hidratados Iones hidroxilo Por comodidad, suele expresarse así: H2O H+ + OH- Agua sin disociar Protones o hidrogeniones Iones hidroxilo Esta disociación es muy débil. El producto iónico Kw a 25ºC es: Kw = [H+] [OH-] = 1, 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.

19 H2O + H2O H3O+ + OH- + - + + + - Ión hidroxilo Ión hidronio

20 DISOCIACIÓN DEL AGUA: El pH
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+] > moles/litro Disolución acuosa alcalina [H+] < moles/litro Disolución acuosa neutra [H+] = moles/litro Para simplificar los cálculos se ideó expresar las concentraciones utilizando logaritmos: El pH se define como el logaritmo, cambiado de signo, de la concentración de hidrogeniones Según esto: Disolución neutra pH = 7 Disolución ácida pH < 7 Disolución alcalina o básica pH > 7

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

22 DISOCIACIÓN DEL AGUA: El pH
Acidez y basicidad o alcalinidad Aquí podemos ver el pH 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.

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

24 FUNCIONES BIOLÓGICAS DEL AGUA
Aporta H+ y OH- en reacciones bioquímicas, El agua pura es capaz de disociarse en iones Capacidad de disociación iónica Mares y ríos se hielan sólo en su superficie Los puentes de hidrógeno “congelados” mantienen las moléculas más separadas Más densa líquida que sólida Mantiene forma y volumen de las células; permite cambios y deformaciones del citoplasma y el ascenso de la savia bruta Los puentes de hidrógeno mantienen juntas las moléculas de agua Alta cohesión y adhesión Transporte de sustancias y de que en su seno se den todas las reacciones metabólicas La mayoría de las sustancias polares se disuelven en ella al formar puentes de hidrógeno. Es un excelente disolvente Causa de deformaciones celulares y de los movimientos citoplasmáticos Las moléculas superficiales están fuertemente unidas a las del interior, pero no a las externas de aire. Elevada tensión superficial Para elevar su Tª ha de absorber mucho calor, para romper los puentes de H. Alto calor específico Función termorreguladora: ayuda a mantener constante la temperatura corporal de los animales homeotermos. La energía calorífica debe ser tan alta que rompa los puentes de hidrógeno. Alto calor de vaporización Medio de transporte en el organismo y medio lubricante Los puentes de hidrógeno mantienen a las moléculas unidas Líquida a Tª ambiente FUNCIÓN BIOLÓGICA DEBIDA A PROPIEDAD 24

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26 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 (PO43-), carbonatos (CO32-), bicarbonatos (HC03-) y nitratos (N03-). ● Los cationes más abundantes son: sodio (Na+), calcio (Ca2+), magnesio (Mg2+), hierro (Fe2+ y Fe3+) y potasio (K+).

27 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 pH.

28 Regulación del pH El mantenimiento de la vida requiere que el pH 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 pH, 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 pH en un cierto intervalo. Ello se debe a que el ácido neutraliza los iones OH- y la base los H+.

29 Los tampones más frecuentes en los ss.vv. son:
TAMPÓN BICARBONATO: Es común en los líquidos intercelulares. Mantiene el pH 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 H H2CO CO2 + H2O 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 CO2 del medio. TAMPÓN FOSFATO: Se encuentra en los líquidos intracelulares, manteniendo el pH en torno a 6,86 debido al equilibrio: HPO H H2PO4 -

30 Supongamos que el organismo se ve sometido a un exceso de ácido clorhídrico que, en consecuencia liberará protones que harán disminuir el pH. En este momento entra en funcionamiento el sistema amortiguador y ocurre lo siguiente: 1.- La sal (bicarbonato sódico) reacciona con el ácido clorhídrico: CO3HNa + ClH  NaCl + H2CO3 La sal que se forma (NaCl) es neutra y, aunque se disocie, no libera protones y, además, es habitualmente expulsada por la orina.

31 2.- El ácido carbónico que se ha formado podría incrementar la acidez, pero rápidamente se descompone en CO2, que se libera con la respiración, y agua que es neutra: CO3H2  CO2 + H2O En resumen, todos los hidrogeniones que podrían provocar un estado de acidez desaparecen manteniéndose el estado de neutralidad.

32 Acidosis y alcalosis metabólicas
• Acidemia (pH 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 pH<7, depresión del SNC que conduce al coma y a la muerte. • Alcalemia (pH 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.

33 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.

34 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).

35 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:

36 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.

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

38 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.

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

41 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 y ). 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

42 Tipos: Tamaño de las partículas muy pequeño (< 10 -7 cm)
Son transparentes Disoluciones verdaderas Tamaño más grande (entre y 10 -7 cm) de las partículas (proteínas, polisacáridos…) No son transparentes Tipos: Dispersiones coloidales ( = coloides) Las concentradas reciben el nombre de Geles Según la concentración de partículas dispersas Según la afinidad de las partículas por el agua Las diluidas reciben el nombre de 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

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

44 ESTADOS COLOIDALES ESTADO SOL: Predomina ESTADO GEL: Predomina la fase dispersante. Es muy fluida la fase dispersa. Es viscosa 44