1.2.4. Disoluciones acuosas de sales minerales.

 

 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 (se denominan cristaloides) como, por ejemplo, el cloruro sódico (PM = 58,5) y la glucosa (PM = 180); o pueden ser de elevado peso molecular del orden de varios miles (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.

Existen también dispersiones coloidales hidrófobas, en las que las partículas dispersas no son afines al agua; pero estas dispersiones no son estables, sino que las partículas dispersas tienden a reunirse y formar una fase separada del agua. Las dispersiones hidrófobas pueden estabilizarse formando las llamadas emulsiones cuando actúan sustancias que impiden la unión entre partículas dispersas. Así están presentes las grasas en la leche, y son algunas proteínas las que estabilizan la emulsión.

En las disoluciones, las sales minerales  solubles en agua, se encuentran disociadas en sus iones  y forman parte  de los medios internos intracelulares y extracelulares.

-  Los iones con carga negativa o aniones más frecuentes en la materia viva son: los cloruros (Cl-), los fosfatos (PO43-), los fosfatos monoácidos (HPO42-), los carbonatos (CO3 2- ), los bicarbonatos (HCO3-) y los nitratos (NO3-).

-  Los iones con carga positiva o cationes más abundantes en la materia viva son: el sodio (Na+), el calcio (Ca2+), el magnesio (Mg2+), el hierro (Fe2+ y Fe3+) y el potasio (K+). 

Las sales minerales hidrosolubles, a través de sus iones, cumplen diversas funciones de tipo general, colaborando en el mantenimiento de la homeostasis o equilibrio del medio interno, o de tipo específico, que dependen del sistema biológico en el que se encuentran. Además pueden asociarse con otras moléculas orgánicas, como lípidos, proteínas o glúcidos.

 

 

Algunas funciones  de las sales solubles son:

 

·              Regulación del equilibrio ácido-base.

 

 El agua pura posee la capacidad de disociarse en iones, lo que hace que en realidad sea una mezcla de tres especies: agua molecular (H2O), protones hidratados (H3O+) e iones hidroxilo (OH-).

 

2 H2O    «    H3O+ + OH-

 

Esta disociación es muy débil en el agua pura, y el producto iónico a 25° C es:

 

Kw = [H+] [OH-] = 1,0 x 10-14

 

Este producto iónico es constante, lo cual significa que un incremento en la concentración de uno de los iones supondría una disminución en la concentración del otro, para mantener constante el producto mencionado.

Como en el agua pura la concentración de hidrogeniones y de hidroxilos es la misma, eso significa que la concentración de hidrogeniones es de 1,0 x 10-7.

Cuando el agua contiene cualquier sustancia disuelta, puede alterarse la concentración de hidrogeniones, y entonces se utilizan los términos de acidez y alcalinidad. Una disolución acuosa es ácida cuando la concentración de hidrogeniones es mayor de 1,0 x 10-7; es alcalina cuando la concentración de hidrogeniones es menor de 1,0 x 10-7, y es neutra cuando la concentración de hidrogeniones es 1,0 x 10-7.

Para simplificar los cálculos y las notaciones, Sorënsen ideó expresar dichas concentraciones utilizando logaritmos, y así definió el pH 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

 

Escala del pH de algunos fluidos biológicos y algunas sustancias no biológicas.

 

En general, hay que decir que la vida se desarrolla a valores de pH próximos a la neutralidad.

En los organismos es conveniente que el pH de sus fluidos no cambie bruscamente, pues eso podría ocasionar el cambio de estructura de muchas biomoléculas o la alteración de muchas reacciones químicas. Para ello, en las soluciones acuosas de los seres vivos están presentes los llamados sistemas tampón o amortiguadores de pH.

Dichos sistemas se basan en las propiedades de los ácidos débiles, o sea, ácidos que no se disocian totalmente, de manera que a un intervalo de pH determinado actúan como dadores o aceptores de hidrogeniones sin que cambie apenas el pH del medio.

Entre los tampones más comunes en los seres vivos, podemos citar el tampón bicarbonato y el tampón fosfato.

El tampón bicarbonato es común en los líquidos intercelulares. Mantienen 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:

HCO3- + H+     «    H2CO3     «   CO2 + H2O

Si aumenta la concentración de hidrogeniones en el medio por cualquier proceso químico, el equilibrio se desplaza a la derecha, y se elimina al exterior del organismo el exceso de dióxido de carbono producido. Si por el contrario disminuye la concentración de hidrogeniones del medio, el equilibrio se desplaza a la izquierda, para lo cual se toma dióxido de carbono del medio exterior.

El tampón fosfato se encuentra en los líquidos intracelulares, y mantiene el pH en torno a 6,86 debido al equilibrio entre los fosfatos monobásico y dibásico:

 

HPO42- +  H+     «      H2PO4-

 

En la figura se aprecia como varía el pH de una disolución de un ácido débil cuando se le añade una base (OH-). Se observa que existe una zona donde el pH del sistema  varía poco cuando se le añaden cantidades  de OH- y H+. En ello se basa el funcionamiento de los amortiguadores del pH o tampones

 

·        Regulación de fenómenos osmóticos.

 

            Las sales minerales en disolución son las principales causantes de uno de los fenómenos fisicoquímicos de mayor importancia biológica: la aparición de presiones osmóticas. Entendemos por ósmosis el paso de un disolvente a través de una membrana semipermeable que separa dos disoluciones de distinta concentración, lo que tiende a igualar ambas disoluciones.

 

 

           Las membranas celulares pueden considerarse semipermeables. Si comparamos dos disoluciones, éstas pueden ser entre sí isotónicas si poseen la misma concentración o anisotónicas si las concentraciones son diferentes, una es hipotónica y otra hipertónica.

El agua pasará de los medios hipotónicos a los hipertónicos, ejerciendo una presión sobre la membrana llamada presión osmótica.

El fenómeno de la ósmosis puede provocar intercambios de agua entre el interior y el exterior de la célula. Si el medio externo es hipertónico la célula pierde agua, se contrae, pero el resultado es distinto según se trate de células animales o vegetales. Las células animales se contraen; en la vegetales, al contraerse, se despega la membrana plasmática de la pared, lo que provoca la rotura de la célula o plasmolisis.

Si, por el contrario, el medio externo es hipotónico, el agua entra en la célula, ésta se hincha, y el resultado varía también con el tipo de célula. Las células animales estallan, sufren plasmolisis; mientras que las vegetales y bacterianas no se rompen al estar rodeadas por una pared rígida, sino que presentan turgencia. De este modo, las sales disueltas son responsables de los intercambios hídricos de las células con el medio extracelular.

 

 

Todos los seres vivos, sean acuáticos o terrestres, están obligados a la osmorregulación o regulación de la presión osmótica. Muchos de ellos han conseguido sobrevivir en medios hipotónicos o hipertónicos mediante mecanismos físicos o químicos que evitan los cambios de presión osmótica en su medio interno.

 

·        Difusión.

 

Es la repartición homogénea de las partículas de un fluido (gas o líquido) en el seno de otro, al ponerlo en contacto. Este proceso se debe al constante movimiento en que se encuentran las partículas de líquidos y gases. La absorción o disolución del oxígeno en el agua es un ejemplo de difusión.

 

Esquema del mecanismo de difusión en las células

 

·        Mantener el grado de salinidad en los organismos.

Las concentraciones iónicas de sales minerales se mantienen constantes, dentro de unos ciertos límites, en los distintos organismos. En un mismo organismo las concentraciones pueden variar de unos compartimentos a otros; por ejemplo, en el interior celular la concentración salina varía considerablemente con respecto al plasma sanguíneo. Asimismo, existen diferencias importantes en las concentraciones de unos organismos a otros.

·        Regular la actividad enzimática.

La presencia de determinados iones activa o inhibe reacciones bioquímicas, asociándose a la sustancia reaccionante o a las enzimas.

·        Generar potenciales eléctricos.

Los iones que se encuentran en el interior de las células no son los mismos que los del medio externo; por esto, a ambos lados de la membrana existe una diferencia de cargas eléctricas. Esta irregular distribución de iones provoca la existencia de un potencial de membrana que ejerce una fuerza sobre cualquier molécula con carga eléctrica.

 

Además de las sales disueltas en los seres vivos, existen sales minerales insolubles que se encuentran en estado sólido,  son las llamadas sales minerales  precipitadas que forman  los huesos del esqueleto, los caparazones de CaCO3  en moluscos, de sílice en algas diatomeas, protozoos y en tallos vegetales; también constituyen productos de excreción como el oxalato de calcio en vegetales y los cálculos renales en animales.

 

Cuando las partículas dispersas o solutos tienen un elevado peso molecular su tamaño está comprendido entre 10-5 cm. y 10-7 cm. se habla de dispersiones coloidales, formadas principalmente por sustancias orgánicas, como las proteínas, los ácidos nucleicos, lípidos  y los polisacáridos .Las dispersiones coloidales concentradas reciben el nombre de geles, y las diluidas se llaman soles.

 

 

La mayoría de los líquidos de los seres vivos son dispersiones coloidales de ahí que sea importante ver algunas de sus propiedades:

 

·        Efecto Tyndall

Aunque las dispersiones coloidales son transparentes, cuando se iluminan lateralmente sobre un fondo oscuro se observa cierta turbidez, ya que las partículas coloidales, debido a su tamaño, difunden la luz.

 

·        Movimiento browniano

El estado líquido de la fase dispersante implica el continuo movimiento de sus componentes moleculares. Este movimiento, arbitrario y desordenado, es característico de las partículas coloidales, al ser desplazadas por las moléculas de la fase dispersante. El movimiento browniano ayuda a que las partículas coloidales se mantengan suspendidas en el medio sin sedimentar. Gracias al efecto Tyndall, este movimiento es observable con el microscopio.

 

·        Sedimentación

Las partículas coloidales se mantienen en suspensión, pero es posible su sedimentación (floculación) cuando se someten a un fuerte campo gravitatorio. La ultracentrifugación de una dispersión coloidal permite el depósito de las partículas, cuya masa molecular puede averiguarse valorando el tiempo que tardan en sedimentar y el número de revoluciones alcanzado por la ultracentrífuga.

 

·        Elevada viscosidad

La viscosidad es la resistencia de un fluido al movimiento de las moléculas que lo integran. Las dispersiones coloidales son muy viscosas, al contener moléculas de gran tamaño, y su viscosidad se incrementa a medida que aumenta la masa molecular o el número de partículas coloidales. Los coloides en estado de gel son más viscosos que los que presentan estado de sol.

 

·        Elevada adsorción

La adsorción es la capacidad de atracción que ejerce la superficie de un sólido sobre las moléculas de un líquido o un gas. Las partículas coloidales tienen un gran poder adsorbente sobre otras moléculas presentes en las dispersiones, lo que facilita la verificación de reacciones químicas.

 

 

·        Diálisis

Es el proceso de separación de las moléculas que integran una dispersión coloidal en función de su tamaño a través de una membrana semipermeable. Esta membrana permite el paso de moléculas de pequeño tamaño (sales minerales, iones) y de agua e impide el de las macromoléculas o partículas coloidales. La membrana celular actúa como una membrana de diálisis que permite el intercambio de sustancias entre el interior y el exterior celular e impide la salida de las macromoléculas que quedan en el interior.

 

 

La hemodiálisis es el tratamiento empleado para depurar la sangre en casos de insuficiencia renal crónica mediante el uso de un filtro o hemodializador y un líquido de diálisis generado por un riñón artificial. Las membranas utilizadas permiten el paso de moléculas de pequeño tamaño presentes en la sangre al líquido de diálisis. De este modo se reducen los niveles de agua, sales minerales o urea sanguínea, que no pueden ser excretados por el riñón enfermo en cantidad suficiente.

 

·        Electroforesis

Es el transporte de las partículas coloidales gracias a la acción de un campo eléctrico a través de un gel. Generalmente se utiliza para separar las distintas proteínas que se extraen juntas en un tejido. La velocidad es mayor cuanto más alta sea su carga eléctrica global y cuanto menor sea su tamaño (peso molecular). Se suelen utilizar geles de almidón o de poliacrilamida.

 

         En resumen, las dispersiones coloidales se diferencian de las disoluciones verdaderas en que las partículas de estas últimas no forman geles, su viscosidad es en general baja, no son adsorbentes, son ópticamente vacías, no sedimentan por ultracentrifugación y no se pueden separar los solutos por electroforesis.