Agua - Biología Celular y Tisular

Buenas tardes. Mi nombre es Dolores Piñero. Soy docente bioquímica de la Facultad de Medicina y participo en el curso de Biología Celular y Tisular. El ciclo futuro para las escuelas de Tecnología Médica y Partera. Hoy vamos a hablar de agua y soluciones.

¿Cuál es su objetivo? Estudiar el agua, conocer sus características moleculares que le dan propiedades excepcionales que le hacen imprescindible para la vida y conocer sus propiedades. El agua es una molécula natural que hace de la Tierra un planeta habitable y que le permitió la aparición de la vida.

Esta clase va a estar diagramada de la siguiente manera. Primero, vamos a hablar de la estructura de la molécula de agua. Esta estructura molecular del agua, más que sencilla, le determina sus propiedades especiales. Dentro de esas propiedades especiales es formar el enlace o puente de hidrógeno, que vamos a ver qué es. Esa capacidad de formar puentes de hidrógeno le confiere unas propiedades físicas y químicas diferentes al resto de las moléculas, a moléculas con el mismo o similar peso molecular. Tiene propiedades diferentes.

Vamos a ver cómo esas propiedades de la molécula hacen que sea un solvente universal y vamos a ver cómo los elementos y las moléculas se disuelven en agua. La solubilidad de los elementos y vamos a ver que hay sustancias que se pueden disolver en agua y sustancias que no. Dentro de esto, vamos a hablar de las soluciones, que es cuando nosotros ponemos un soluto en un solvente, por ejemplo, el agua. Y vamos a ver cómo se puede expresar la concentración de estas soluciones y cómo se calcula.

Además, vamos a hablar de la popularidad de la expresión osmótica, viendo su definición y su importancia. El agua tiene funciones primordiales gracias a esas propiedades físico-químicas diferentes a otras moléculas. Por ejemplo, todos saben que el agua es el solvente universal y constituye la matriz biológica de los seres vivos. El cuerpo humano, dos tercios de las partes del cuerpo, es agua. También provee resistencia a las células y los tejidos. Y este término tiene ciertas propiedades que le permiten la termorregulación corporal, donde el agua es capaz de amortiguar y regular los cambios térmicos, manteniendo la temperatura corporal constante.

También funciona como un amortiguador mecánico gracias a su gran cohesión intramolecular. Esto, dentro, por ejemplo, del líquido sinovial y cefalorraquídeo. Y si pensamos más, vemos que el hombre tiene una necesidad imprescindible del agua, no solo para sus necesidades corporales, sino para su vida cotidiana, para realizar funciones vitales, para cocinar, preparar alimentos, higiene, usos domésticos, para regar campos, para la industria y para centrales de energía.

Por ejemplo, las características excepcionales de las moléculas de agua están en su composición, estructura de la molécula, que le confieren características físicas y químicas de gran trascendencia biológica y que le hacen responsable de la esencialidad en la homeostasis, estructura y función de las células y los tejidos. Esa gran trascendencia biológica está relacionada con su capacidad de solvente, de transporte, estructural y termorreguladora.

Bueno, entonces, en esta primera parte, una introducción. Ahora vamos a hablar, vamos a ver cómo la estructura de la molécula de agua y cómo determina sus propiedades esenciales. Después, vamos a ver a definir y andar lo que es el enlace o puente de hidrógeno y cómo todas estas cosas le dan las propiedades especiales a la molécula de agua y vamos a hablar de ellas.

Bueno, la molécula de agua es una molécula que está formada por un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno que comparten un par de electrones. O sea, el oxígeno comparte un par de electrones con dos átomos. Y esta unión está dada por un enlace covalente simple. ¿Cómo se dispone esta molécula en el espacio? Se dispone como un tetraedro, donde el oxígeno queda en un vértice y los dos átomos de hidrógeno quedan abiertos. Como el oxígeno compartió un par de electrones, los átomos de hidrógeno le quedan dos pares de electrones libres. Y al disponerse en el espacio en forma tetraédrica, eso hace que el oxígeno, que es un átomo electronegativo, atraiga hacia sí los electrones del enlace, de los átomos de hidrógeno, y él adquiera carga parcial negativa, que se denota como delta menos. Y los átomos de hidrógeno adquieren carga parcial positiva. El oxígeno, como tiene dos pares de electrones, va a tener dos cargas negativas parciales, mientras que cada átomo de hidrógeno va a tener una carga parcial positiva.

Si nosotros miramos la molécula en su globalidad, esta molécula tendrá carga... globalmente no tiene carga. Tiene dos cargas parciales negativas y dos cargas parciales positivas. O sea, en su carga neta es cero. Así, esas moléculas tienen cargas parciales en su molécula, pero carga global cero. Se le llama dipolos. ¿De qué depende que esta molécula presente cargas parciales positivas y negativas? Dijimos de su estructura tetraédrica, que hace que tenga un momento dipolar, lo cual genera esas cargas parciales, tanto en el oxígeno con las parciales negativas como en los átomos de hidrógeno, carga parcial positiva.

Y tenemos la molécula de agua, la estructura tetraédrica, sí, y sus cargas parciales positivas y negativas. Y, por ejemplo, vemos una molécula que es el CO2, de carbono con dos átomos unidos por dos enlaces dobles a moléculas de oxígeno. Y esta molécula no tiene momento dipolar. Estos átomos de oxígeno son electronegativos y por el tipo de... el momento dipolar es este, tiene que ver con la dirección, la fuerza, digamos. Por lo tanto, esta molécula no tiene momento dipolar, no es un dipolo. En el agua, esa disposición tetraédrica hace que las fuerzas de atracción generen ese momento dipolar, por lo cual el oxígeno y los átomos de hidrógeno van a poseer cargas parciales positivas y negativas.

Esta existencia de un momento dipolar neto en la molécula de agua va a decir que las moléculas de agua van a tener cargas parciales negativas y cargas parciales positivas. Eso... esa estructura, en origen, una interacción electrostática muy importante, que es el enlace de hidrógeno. ¿Cómo se forma un enlace de hidrógeno? El enlace o puente de hidrógeno es una fuerza, una interacción electrostática, es una atracción de cargas opuestas entre un átomo electronegativo y un átomo de hidrógeno unido a un átomo electronegativo. Es un enlace débil. Este enlace es un enlace débil. Y porque se forma... bueno, porque el átomo electronegativo forma parte de la molécula de agua, tiene carga parcial negativa, y el átomo de hidrógeno unido covalentemente a un átomo electronegativo posee una carga parcial positiva. Entonces, de esa manera se forma el enlace de hidrógeno.

¿Cuáles son los átomos electronegativos? Bueno, son el oxígeno, el nitrógeno, el flúor, y el azufre, que es una excepción. Las moléculas de agua, por poder formar puente de hidrógeno con otras moléculas... Entonces, acá tenemos una molécula de agua que tiene dos cargas parciales negativas en el átomo de oxígeno electronegativo y dos cargas parciales positivas en cada átomo de hidrógeno unido al átomo electronegativo. Entonces, el oxígeno va a poder formar dos puentes de hidrógeno con los átomos de hidrógeno de dos moléculas de agua, y cada átomo de hidrógeno va a poder formar un enlace de hidrógeno con un oxígeno de otra molécula de agua.

Entonces, si nosotros miramos así, ¿cuántos enlaces de hidrógeno puede formar una molécula de agua? Vamos a ver... uno, dos, tres, cuatro. Que son cuatro puentes de hidrógeno que pueden formar cada molécula de agua. Y así sucesivamente para poder amar con otro. Entonces, como vemos, vamos a ver que la red de enlaces de hidrógeno le da gran conexión interna a la molécula. Este enlace de hidrógeno es un enlace de atracción de cargas opuestas, como dijimos, entre un átomo electronegativo y un átomo de hidrógeno unido a un átomo electronegativo. La vida media es de 15 segundos o 10 a la menos 12 segundos. Y como dijimos, es un enlace débil. Es un 10% de la fuerza de este enlace, y sus 10% de la que tiene el enlace covalente. Pero el gran número de enlaces de hidrógeno que se pueden formar en el agua le confieren una gran cohesión interna y hace que se necesite mucha energía para romperlos.

Una molécula de agua, como dijimos, puede formar hasta cuatro puentes de hidrógeno. Y esto se ve en el hielo, cuando el agua adquiere una estructura... una estructura muy ordenada, forma el hielo. Y en la solución, en estado líquido, se calcula que en promedio hay 3.4 puentes de hidrógeno por molécula de agua. Además, el hielo, como cada molécula de agua puede formar cuatro enlaces de hidrógeno con las vecinas...

Vamos a dejar algunas preguntas para reflexionar: ¿Qué es lo que hace que el agua sea una sustancia tan especial y diferente de otras?

Ahora vamos a hablar de las propiedades físico-químicas del agua. Que la molécula de agua sea un dipolo y que tenga capacidad de formar enlaces de hidrógeno, hace que el agua tenga gran cohesión interna. Si tiene muchos enlaces débiles, pero que en conjunto, si yo le tengo que agregar energía, tengo que agregar mucha energía. Entonces, posee alto punto de ebullición, un alto punto de fusión y un alto calor específico. El punto de fusión, ahora lo vemos, es la temperatura a la que pasa de estado sólido a estado líquido. El punto de ebullición es la temperatura a la que pasa de estado líquido a estado gaseoso. Y el calor de evaporación es la energía necesaria que pasa de estado líquido a estado gaseoso. Y la tensión superficial es la energía necesaria para aumentar las cargas.

Entonces, acá tenemos una tablita que nos muestra el agua y moléculas con peso molecular similares, como el metano, el amoníaco, el ácido sulfhídrico, el metano y el etano. Entonces, vemos que si comparamos el punto de fusión, de ebullición... este es la temperatura que pasa, por ejemplo, en función del estado sólido a estado líquido. Vemos que el agua, el punto de fusión es 0, mientras que el metano, tiene un peso molecular similar, tiene menos 182. Y el amoníaco tiene menos 78. Y así. Y veamos el punto de ebullición. Vemos que el agua tiene un punto de ebullición de 100. Es decir, que recién a 100 grados pasa del estado líquido al estado gaseoso. Cuando comparamos su punto de ebullición con el punto de ebullición de moléculas de peso molecular similares, metano o amoníaco, vemos que tienen un punto de ebullición mucho menor.

Cuando comparamos con el metanol, vemos que el metanol tiene un punto de ebullición mayor. Y también el etano. Pero que tiene más es el... cuando vemos el calor de evaporación, también vemos que tiene este un calor de evaporación, o sea, la energía que nosotros tenemos que agregar para que se pase de estado líquido a gaseoso, mayor a todas las otras moléculas que vemos en la tabla. Y también tiene una superficial... superficial mayor. ¿Por qué el agua tiene estas propiedades con valores dos mayores que las moléculas de peso molecular similar? Por su capacidad de formar puentes... tiene esa capacidad de formar puentes de hidrógeno. Eso hace que necesite agregarle más energía para pasar del estado líquido al estado líquido, al estado líquido del estado gaseoso.

Podemos resumir eso. Si nosotros miramos acá, el punto de fusión es cuando pasa del estado sólido al estado líquido, y el punto de ebullición al estado gaseoso. Vemos que de 0 a 100 grados, la molécula de agua va a estar en estado... eso tiene consecuencias para la vida, que es líquida en un amplio margen de temperatura, de cero a cien. A su vez, tiene una densidad máxima a cuatro grados. Esto significa que el hielo flota en el agua, y eso es esencial para la vida. Por ejemplo, en el mar, en las zonas muy frías, el hielo flota en el agua líquida, y en el agua líquida existe vida.

Ya vimos que es un dipolo con una constante dieléctrica elevada, que posee un alto calor específico y de vaporización, y una elevada tensión superficial. Y a su vez, el agua se disocia con un electrolito débil, o sea, queda en una pequeña proporción de las moléculas de agua que se disocian, que vamos a ver en la clase que viene, que es el concepto que voy a tener una cierta cantidad de hidrógeno, es el agua que nos da el concepto de pH.

Entonces, dejamos esta pregunta para reflexionar y esperamos que puedan contestar con este teórico: ¿Por qué el agua tiene propiedades tan diferentes a las moléculas con peso molecular similar?

Viendo esto, ahora vamos a hablar de la solubilidad de los elementos. Y vamos a ver que hay sustancias polares y apolares. Esto viene dado por todo esto que vimos, por la estructura molecular del agua. Esta estructura, como es un dipolo, esta molécula le permite establecer puentes de hidrógeno. Y vamos a ver que estos puentes de hidrógeno se pueden hacer entre moléculas de agua o con otras moléculas que posean grupos que puedan formar enlaces con el agua, que vamos a ver cuáles son.

Bueno, pues vamos a hablar de las soluciones, que es cuando nosotros disolvemos una sustancia en, por ejemplo, agua. Y cómo la caracterizamos. La solubilidad de los elementos en el agua dependen de la capacidad de la molécula de interaccionar con el agua. Entonces, los compuestos que están cargados, que tienen carga polar, para poder interaccionar con el agua, van a tener alta solubilidad. Por lo cual se les llama hidrofílicos, les gusta el agua. Aquellos compuestos que son apolares tienen baja solubilidad en el agua y se llaman hidrofóbicos, no les gusta el agua. Y hay moléculas que pueden tener grupos hidrofílicos e hidrofóbicos en la misma molécula, y estas se llaman moléculas antipáticas.

¿Cómo sabemos los tipos de soluto que hay? Bueno, hay sustancias polares y sustancias apolares. A las sustancias polares, presentan en la molécula un dipolo, una carga parcial positiva o negativa, o pueden tener cargas positivas. Aquellas moléculas que presentan un dipolo son sustancias polares. Y las que presentan carga se llaman moléculas cargadas. Y también, por diferencia de electronegatividad en la molécula, podemos tener una molécula que tenga cargas parciales.

Vamos viendo en un grupo amino, el nitrógeno es un átomo electronegativo, tiene una carga parcial negativa y tiene átomos de hidrógeno unidos a ese átomo electronegativo. Y eso hace que sea un dipolo. Después tenemos sustancias apolares, que no presentan dipolos, no tienen cargas. Por ejemplo, el carbono unido al hidrógeno, y hidrógenos unidos al carbono, no tienen carga, ¿por qué? Porque el carbono no es electronegativo, los átomos de hidrógeno y los átomos de carbono no tienen acción. El carbono no atrae, por lo tanto, no presentan carga. O sea, que las cadenas hidrocarbonadas no van a ser apolares, o moléculas que tengan átomos electronegativos, pero que tengan momentos dipolares nulos, como el CO2.

Entonces, ¿cómo voy a saber este cómo se puede si se pueden formar puentes de hidrógeno entre una sustancia y otra? Bueno, tiene que esa sustancia tener que ser una molécula cargada, tener carga o tener cargas parciales en su molécula, sí, tener dipolos. Entonces, una molécula de agua con el átomo de hidrógeno unido al átomo electronegativo con una carga parcial, y vemos esta cadena del grupo carbonilo, que sí tiene una carga parcial negativa. Entonces, en este caso, forma atracción de cargas opuestas entre la molécula de agua y este átomo electronegativo del grupo carbonilo. Lo mismo para un grupo que tenga un grupo amino, que tenga nitrógeno, también es un átomo electronegativo. Sí, entonces, el átomo electronegativo se le llama aceptor de hidrógeno, y al átomo de hidrógeno unido a un átomo electronegativo se le llama dador de hidrógeno.

Entonces, en este caso, estamos viendo este enlace de hidrógeno entre una molécula de agua y un grupo amino. Este grupo nitrógeno, este nitrógeno es un átomo electronegativo y va a tener una carga parcial negativa para poder formar una atracción de cargas opuestas con un átomo de hidrógeno unido a un átomo electronegativo. En este caso, una molécula. En este caso, este grupo va a poder interaccionar con el agua, se va a disolver. ¿Quién es el dador y quién es el aceptor? Bueno, en este caso, el átomo de hidrógeno y el grupo nitrógeno en el amino, el nitrógeno es el aceptor.

Bueno, acá tenemos otros grupos que pueden formar los puentes de hidrógeno con el agua, por ejemplo, como vimos con un grupo carbonilo, sí, aldehídos. Si este grupo, este oxígeno va a tener dos pares de electrones o más variados y va a poder formar enlaces de hidrógeno con el agua. Después, en este caso, los grupos que tengan nitrógeno también van a poder formar enlaces de hidrógeno con el agua. O sea, que lo que tengo que buscar en las moléculas son los electronegativos o átomos de hidrógeno unidos a átomos electronegativos.

Estamos viendo, por ejemplo, el enlace de puente de hidrógeno entre los aminoácidos, entre el grupo carbonilo y el átomo de hidrógeno unido al nitrógeno de otro aminoácido. También esto, por ejemplo, se ve estos puentes de hidrógeno en otras moléculas, por ejemplo, entre las bases nitrogenadas del ADN. Adenina se forman dos puentes de hidrógeno entre el grupo amino de un grupo nitrógeno electronegativo y un átomo de hidrógeno unido a un átomo.

Acá vemos grupos funcionales que son solubles en agua y grupos que son insolubles. Aquí son moléculas que tengan grupos OH, el óxido, o el grupo carbonilo, el carbonilo también va a poder formar enlace de hidrógeno. El grupo amino, el imino, y el grupo sulfhídrico. Todas las moléculas que tengan estos grupos funcionales van a poder interaccionar con el agua. Aquellas moléculas que contengan solo carbono e hidrógeno no van a poder interaccionar con el agua, como dijimos, el carbono no es electronegativo, con lo cual los átomos de hidrógeno unidos al carbono no van a poseer cargas negativas parciales más positivas, y el carbono. Por lo tanto, todas aquellas moléculas que tengan carbono-hidrógeno, moléculas no van a poder interaccionar con el agua y son insolubles.

Bueno, la causa de formar enlace de hidrógeno no es exclusiva de las moléculas de agua. También se pueden formar entre moléculas entre sí que tengan cargas parciales en su molécula. Y acá tenemos los compuestos éter metílico y el peróxido. Si nosotros miramos, este oxígeno tiene que tiene carga parcial negativa. Si yo pongo dos moléculas de éter metílico, no tengo ningún átomo de hidrógeno unido a un átomo electronegativo, porque los hidrógenos que tengo están unidos al carbono con estos grupos metílicos. Por lo cual, si yo pongo dos moléculas de éter metílico, no van a poder formar puentes de hidrógeno entre sí. ¿Por qué? Porque para dar un puente de hidrógeno con el agua, necesito un átomo electronegativo y átomos de hidrógeno unidos a un átomo electronegativo.

En el peróxido, y no está... si yo pongo dos moléculas de éter, eso se refleja en sus propiedades. Si yo miro el punto de fusión, veo que son muy bajos. Punto de fusión es menos 142 grados centígrados y el punto de ebullición en menos 24. El peróxido de hidrógeno, peróxido de hidrógeno, tiene los átomos electronegativos, oxígeno, y dos átomos de hidrógeno unidos a átomos electronegativos. Si yo mirara, voy a adaptar que este oxígeno va a poder formar dos enlaces de hidrógeno, este oxígeno otros dos enlaces de hidrógeno, y cada átomo de hidrógeno unido al oxígeno va a poder formar otros dos enlaces. Quiere decir que si yo pongo varias moléculas de agua de peróxido de hidrógeno, perdón, entre ellas van a poder formar hasta seis puentes de hidrógeno. Por lo cual, el punto de fusión, transición, veo que efectivamente eso, tengo que agregarle bastante más energía para asegurar las moléculas de peróxido. Tienen un punto de fusión de cero y el punto de ebullición de 150 grados centígrados.

Hay otros tipos de interacciones no covalentes, algunas a lo mismo. Esta interacción dipolo-dipolo, que es la atracción entre los polos opuestos entre dipolos. Las interacciones iónicas, que es la atracción entre grupos con cargas opuestas. La interacción ion-dipolo, entre un ion cargado y el polo opuesto del dipolo. La interacción dipolo-dipolo, hablamos de las fuerzas de Van der Waals, que son la atracción entre dipolos temporarios inducidos por la fluctuación de los electrones. Y las interacciones hidrofóbicas, que es la tendencia de los grupos no polares de unirse en soluciones.

Bueno, ahora vamos a hablar de las interacciones. Hasta ahora, lo que vimos fueron moléculas que están formadas con enlaces covalentes, donde se comparten los electrones, y enlaces no covalentes o débiles, como la atracción de cargas opuestas entre cargas opuestas. Si, por ejemplo, puedo... hay otro tipo de enlace que son los enlaces iónicos, donde un elemento, un átomo, le transfiere electrones al otro. Él queda con una carga positiva, falta un electrón, y el cloruro gana un electrón, tienen carga neta. Si estas interacciones iónicas se da una interacción de cargas opuestas de sodio con el cloruro. También puede ser entre moléculas cargadas, como el cloruro y un grupo amino.

En este caso, cuando yo tengo el cloruro de sodio, es una sal, y la sal de mesa está en estado sólido, porque los iones sodio y cloruro se van atrayendo, generando una red cristalina que precipita. Ahora, si yo la saco con el agua, ¿qué pasa? Esos iones se hidratan, separándose esa estructura cristalina y disolviéndose en ella. El sodio, que tiene carga positiva, va a quedar rodeado por moléculas de agua, formando una interacción ion-dipolo con átomos de oxígeno, negativamente cargados, con carga parcial negativa de la molécula de agua. Y el cloruro va a quedar rodeado de moléculas de agua a través de una interacción ion... cargado negativamente con átomos de hidrógeno unidos al átomo electronegativo, átomos de hidrógeno del agua con carga parcial positiva.

Entonces, lo que vemos esto que yo le decía, esta interacción ion-dipolo. Sal de mesa, cuando yo la pongo, cuando la tengo en forma de sal, tengo una red de iones, porque se atraen las cargas opuestas que forman la estructura cristalina, que, como decíamos, precipita sólida. Y cuando yo la pongo en agua, es iones se hidratan, sí, separándose esa estructura cristalina y disolviéndose en ella. El sodio, que tiene carga positiva, va a quedar rodeado por moléculas de agua, formando una interacción ion-dipolo con átomos de oxígeno, negativamente cargados, con carga parcial negativa de la molécula de agua. Y el cloruro va a quedar rodeado de moléculas de agua a través de una interacción ion... cargado negativamente con átomos de hidrógeno unidos al átomo electronegativo, átomos de hidrógeno del agua con carga parcial positiva.

Bueno, también tenemos otro tipo de interacciones que son muy importantes desde el punto de vista biológico, son las interacciones hidrofóbicas. Las interacciones hidrofóbicas son interacciones entre hidrógenos y dos átomos electronegativos con el carbono, que no pueden formar enlace de... y moléculas hidrofóbicas formadas por carbono. ¿Qué pasa con estas moléculas cuando yo las pongo en agua? Acá estamos viendo, por ejemplo, una molécula, un ácido graso. Un ácido graso va a estar formado por una cabeza polar hidrofílica, un grupo carboxilo, y una cadena hidrocarbonada larga, de carbono-hidrógeno. Y si yo la pongo en agua, las moléculas de agua van a formar una cavidad, una jaula altamente unida de moléculas de agua alrededor de esta cadena hidrofóbica.

Este tipo de interacción es muy importante porque si en vez de poner una molécula, yo pongo varias moléculas de este ácido graso, que tiene una molécula anfipática, que tiene una cabeza polar y una cola no polar, si yo pongo varios de eso, lo que va a pasar es que las colas hidrofóbicas van a interaccionar entre sí, escondiéndose del agua. Y si yo tengo estas moléculas anfipáticas en suficiente cantidad, con estos ácidos grasos, una sola cadena se va... con esto de este tipo, por ejemplo, de micela, donde va a tener una gotita donde las cabezas polares quedan hacia afuera, interaccionando con el agua, y las colas hidrofóbicas quedan hacia adentro, escondiéndose. Y esto es un ejemplo. Si yo pongo agua y aceite juntos, se forman las gotitas de aceite, escondiéndose del agua.

Bueno, acá vemos algunos ejemplos de moléculas polares, no polares y anfipáticas. ¿Cómo podemos saber si una molécula es polar o no polar? Bueno, primero, si es polar, tiene que tener... puede tener grupos OH, o grupos carboxilo, carbonilo, grupos amino, átomos de hidrógeno unidos a átomos electronegativos. Tengo que buscar todo eso. Si yo miro acá, por ejemplo, una glucosa tiene varios grupos OH, al final, apartados. Si la aminoacetona tiene un poco. Y después vemos, por ejemplo, esta molécula. Y si nosotros miramos, es una molécula polar que tiene cadenas hidrocarbonadas. Y si miramos acá, moléculas anfipáticas tienen una parte polar y una parte no polar. Estamos viendo, por ejemplo, la fenilalanina, es un aminoácido. O esta molécula que es un lípido, fosfolípido, que está tiene dos cadenas polares y una cabeza polar. Como vemos, tiene átomos electronegativos y grupos sales.

Preguntas para reflexionar: ¿Por qué se disuelve la sal en el agua? ¿Por qué algunas sustancias se disuelven en agua y otras no?

Ahora vamos a hablar de soluciones. Las soluciones son sistemas homogéneos formados por dos componentes: un solvente y un soluto. En general, el soluto se encuentra en menor proporción. Entonces, para definir una solución, lo que yo tengo que definir primero es la naturaleza química de esa solución, decir qué es. Por ejemplo, en sodio y cloruro, tengo una solución de cloruro de sodio. Eso no me dice nada, porque yo tengo que saber la concentración. O sea, para definir una solución, tengo que saber la naturaleza química de la solución, qué es, y en qué concentración está.

La concentración es la relación que existe entre la cantidad de soluto y las cantidades de solución o de solvente. Esta relación se puede expresar en muchas formas distintas. Bueno, puedo hacer unidades físicas o unidades químicas. Las unidades físicas son, por ejemplo, porcentaje de masa/volumen, la base en gramos de soluto cada 100 ml de solución, o por ejemplo, el porcentaje volumen/volumen, volumen de soluto sobre volumen de solución. Y porcentaje masa/masa, se llama masa en gramos de soluto cada 100 gramos en solución. Y gramos por litro es la masa en gramos de soluto sobre volumen en litros de solución. Las unidades químicas son la polaridad, la normalidad y la molaridad. La polaridad es el número de moles de soluto sobre el volumen en litros de solución. La normalidad es el número de equivalentes de soluto sobre una solución. Y la osmolaridad es el número de moles de partículas disueltas por volumen de solución.

Bueno, ahora vamos a hablar de polaridad y presión osmótica, definición e importancia. Toda la forma, todo lo que sea el cálculo de concentración de soluciones y todo, lo van a ver en las discusiones grupales. La osmolaridad es un concepto que surge de tener dos compartimentos separados por una membrana semipermeable. Si, cuando yo tengo una membrana semipermeable, que es una membrana que deja pasar algunas cosas y otras no, por ejemplo, la membrana plasmática es así, y tengo dos soluciones de concentración diferente a ambos lados de la membrana, la ósmosis, que es el movimiento de agua a través de esa membrana, está determinada por una diferencia de concentración a ambos lados de la membrana, lo que lleva a que se iguale la concentración a ambos lados de la membrana.

Las membranas semipermeables son permeables al agua e impermeables a la mayoría de los iones y las moléculas. Por lo cual, si yo tengo dos soluciones separadas por una membrana de este tipo, para igualar la concentración a ambos lados de la membrana, lo que va a pasar es que el agua se va a mover de donde está más concentrada, a donde está más diluida. La osmolaridad es la cantidad de solutos en una solución que tengo, y se relaciona directamente con el número de partículas en las que se disocia el soluto en dicha solución. O sea, la osmolaridad me junta de cuenta el número de partículas que tengo, porque si yo tengo más partículas, por ejemplo, acá tengo más cantidad de partículas que esta. Si esos dos espacios están separados por una membrana semipermeable, el agua va a haber un movimiento de agua de donde el agua está más concentrada, que sería este, a donde está menos. Ese movimiento de agua se llama ósmosis.

Cuando el agua pasa a través de una membrana, para igualar la concentración a ambos lados de la membrana, en este caso, cuando yo tengo dos soluciones, tienen la misma osmolaridad, se llaman isotónicas. Y las que tienen menor osmolaridad o mayor osmolaridad se llaman hipotónicas e hipertónicas, respectivamente. Las soluciones isotónicas, hipertónicas, hipotónicas se relacionan con la osmolaridad en plasma.

¿Cómo hacemos para calcular la osmolaridad? Es la unidad de concentración, es posible del efecto de las partículas en solución, y la podemos calcular relacionando la osmolaridad con la molaridad, donde la osmolaridad es igual a M por i, donde i es el número de partículas en solución y M la concentración molar, o sea, molaridad. Y de apoyo, es el número de partículas en solución. ¿Cómo voy a saber cuántas partículas hay? Bueno, dependiendo del tipo de solución que tenga.

Soluciones no iónicas, donde la cantidad de partículas en solución coincide con el número de moles. Por ejemplo, una molécula como la glucosa, que está formada por carbono, hidrógeno y oxígeno unidos todos por enlaces covalentes. Esa molécula se puede disolver en agua porque tiene grupos OH que forman puentes de hidrógeno, por ejemplo, pero no se puede disociar, porque todos los átomos que la forman forman esas moléculas también por un enlace covalente. O sea, que se puede disolver en agua, pero no es una molécula de glucosa, voy a tener una partícula.

Tenemos las soluciones iónicas, que son sales, ácidos fuertes, bases fuertes, donde cada molécula que yo pongo en el agua origina dos o más iones, partículas en solución. Entonces, por ejemplo, el cloruro de calcio es una sal. Yo la pongo en solución, estos iones se hidratan, acá va el calcio, el sodio, tengo calcio, una carga positiva, y cloruro. Entonces, esos se hidratan en el agua, y yo puse una molécula, generé tres partículas. Después tenemos el ácido clorhídrico, que también es un ácido fuerte. Su solución, si yo pongo como una partícula, me genera dos partículas, porque se disocia totalmente el hidrógeno y el cloro. Y tengo una base fuerte también, que en general...

La osmolaridad del plasma es 0.310 molar o 310 milimolar. Se llama isoosmolar o isotónica.

¿Qué pasa? ¿Qué es la presión osmótica? Porque la osmolaridad me genera la presión osmótica. Porque si yo tengo dos soluciones separadas por una membrana semipermeable, una que tiene mucho menos concentración de solutos que la otra, ¿qué es lo que va a pasar? Va a haber un movimiento de agua de donde está más concentrada el agua, hacia donde está más diluida, de tal manera que se igualen las concentraciones. Si yo tuviera un émbolo en el agua, pusiera nada, la solución con solutos concentrados y agua, lo que va a pasar es el desplazamiento del agua en el émbolo, hasta alcanzar la misma concentración de solutos a ambos lados de la membrana.

¿Cuál es la presión osmótica? La presión osmótica es la esta fuerza que yo tengo que hacer para evitar, contrarrestar el movimiento de agua. En general, la osmolaridad de todos los fluidos del organismo es resultado de la suma de electrolitos y no electrolitos presentes en un compartimento. Y en general, un organismo fisiológicamente estable mantiene una presión osmótica casi constante y uniforme en todos sus compartimentos.

Bueno, ¿por qué es importante esto de la osmolaridad y la presión osmótica en biología y en medicina? Bueno, porque si yo coloco células en soluciones que tienen la misma osmolaridad del plasma, mayor osmolaridad del plasma o menor osmolaridad del plasma, eso tiene una consecuencia sobre esas células. Si yo, a los glóbulos rojos, los pongo en medio isotónico, donde tiene la misma osmolaridad que el plasma, no va a haber ningún efecto, porque no hay movimiento de agua de ambos lados hacia adentro o hacia afuera. Ahora, si yo pongo ese glóbulo rojo en un medio hipertónico, donde tiene mayor concentración de solutos que la célula, va a haber un movimiento de agua desde la célula hacia el exterior, y el soluto... por lo tanto, los glóbulos rojos se van a deshidratar, se van a arrugar. Todo el proceso que se llama crenación.

Si pongo los glóbulos rojos en una solución hipotónica, donde tienen menor osmolaridad que el plasma, yo, el glóbulo rojo tiene menor número de partículas, por lo tanto, el agua está más concentrada. El agua va a entrar hacia la célula para compensar esa diferencia de concentración de solutos a través de esa membrana semipermeable, hasta que el glóbulo rojo... bueno, como decíamos, la osmolaridad de todos los fluidos del organismo es el resultado de la suma de electrolitos y no electrolitos presentes en cada compartimento. Y hay una diferencia entre la composición entre el líquido extracelular y el líquido intracelular. Esta diferencia está debida a la barrera de permeabilidad y mecanismos de transporte que existen en las membranas celulares.

Dentro de los factores que determinan el movimiento entre los diferentes compartimentos, los compartimentos, la ósmosis es el principal factor que determina la distribución de los líquidos en el organismo. Entonces, si nosotros miramos la composición extracelular, vemos que con respecto a los cationes, tiene gran abundancia de sodio y en menor medida potasio. Y los aniones, en gran abundancia de cloruro y bicarbonato, y en menor proporción fosfato y mucho menos. Y si vemos la composición del líquido intracelular, vemos que como cationes tiene mayormente el potasio y mucha menor cantidad de sodio. Y que como aniones tiene sobre todo fosfatos inorgánicos y en menor medida cloruro y bicarbonato.

Como dijimos, un organismo fisiológicamente estable va a mantener una presión casi constante y uniforme en todos sus compartimentos. Cuando se producen cambios en la concentración de solutos confinados principalmente a un compartimento, se trata de restablecer el equilibrio osmótico mediante la redistribución del solvente, o sea, el agua. Un cambio en un compartimento, por ejemplo, el vascular, va a tener repercusiones en el compartimento intracelular. La salida de plasma, dijimos que está entre 280 y 310 mil osmolar, es un rango bastante... y si la osmolaridad crece en las células que se encuentran en ese cambio de osmolaridad, producen efectos. Por ejemplo, la célula trata de... para que haya más agua y disminuya...

Bueno, para finalizar, vamos a poner en perspectiva toda la clase que vivimos. Vimos la estructura de la molécula de agua, que vimos que tiene... está formada por hidrógeno y dos átomos de oxígeno, perdón, y dos átomos de hidrógeno unidos de forma covalente, que tiene una disposición tetraédrica en el espacio, lo que genera cargas parciales en su molécula, siendo un dipolo. El oxígeno es un átomo electronegativo y va a tener dos cargas parciales negativas, y el átomo de hidrógeno tiene cada uno tiene una carga parcial positiva. Esta disposición, composición, estructura del espacio determina sus propiedades especiales. Una de sus propiedades es la formación de enlaces de hidrógeno. El enlace de hidrógeno es una interacción no covalente por la atracción de cargas opuestas entre un átomo electronegativo y un átomo de hidrógeno unido de forma covalente a un átomo electronegativo.

Esa capacidad del agua de formar enlaces de hidrógeno genera las propiedades excepcionales que tiene, ya que tiene un punto de fusión, de ebullición, calor de vaporización mucho más alto que moléculas con peso molecular similar. Eso le da gran cohesión interna, hace que la molécula de agua sea líquida en un amplio margen de temperaturas y que sea solvente universal, donde se da la vida, digamos, todas las reacciones que transcurren en medio acuoso.

Y cómo esa molécula de agua forma puentes de hidrógeno entre moléculas de agua, también lo puede hacer con otros compuestos que contengan moléculas cargadas, grupos cargados o dipolos, como vimos, los amino, oxígeno, y los átomos de hidrógeno unidos a átomos electronegativos. También hay moléculas que tienen son apolares, están formadas por carbono-hidrógeno o carbono solo, y esas moléculas no pueden disolverse en agua. Eso genera interacciones hidrofóbicas, que son muy importantes, ya que por un lado, ese tipo de atracción genera, por ejemplo, la bicapa lipídica, que es la membrana celular de las células. Y también genera, por ejemplo, en las proteínas, que adoptan una estructura tridimensional, genera la fuerza para que esas proteínas se plieguen en el espacio.

Después vimos las soluciones, que son solutos que yo pongo en un solvente, en general el agua, y esas soluciones vamos a caracterizar las desde el punto de vista químico en su concentración. Después vimos la osmolaridad y la presión osmótica. La osmolaridad es un concepto muy importante porque viene dado por dos compartimentos separados por una membrana semipermeable, que es el caso de la célula con el entorno, la membrana plasmática es una membrana semipermeable. Por lo tanto, voy a tener una cantidad de solutos y eso me puede generar una presión osmótica, y es importante porque si yo pongo células en un entorno, una solución que tenga menor o mayor cantidad de solutos a la que ella, a la que está, eso puede dar consecuencias gravísimas para la célula.

Preguntas para reflexionar: ¿Por qué el concepto de osmolaridad es muy importante en biología y medicina?

Bueno, con esto terminamos. Muchas gracias.