EJERCICIOS TEMA 2

El agua y las sales minerales

ACTIVIDADES PAU RESUELTAS

2.1. Explica las razones por las que consideramos el agua como disolvente universal. ¿Por qué es tan importante esta función en los seres vivos?

Actividad resuelta en el libro del alumno.

2.2. Respecto a las sales minerales solubles, indica si son verdaderas o no las siguientes afirmaciones.

a) Aportan energía a las células.

b) En solución están disociadas en iones.

c) Realizan una función catalítica.

d) Solo se encuentran en células con función de sostén.

Actividad resuelta en el libro del alumno.

2.3. Entre el líquido intracelular y el líquido extracelular de una célula animal se observan las siguientes concentraciones de los productos A, B y C.

a) Nombra qué procesos han utilizado los compuestos A y B para moverse de un lado a otro de la membrana.

b) Señala la diferencia fundamental entre un proceso y otro.

c) ¿Por qué no han cambiado las concentraciones de C?

Actividad resuelta en el libro del alumno.

ACTIVIDADES

2.4. Relaciona la densidad del agua con su importancia para el mantenimiento de la vida.

La densidad del agua es máxima a 4 °C, por lo que en estado liquido es más densa que en estado sólido.

Esta propiedad permite la vida acuática en climas fríos, ya que al descender la temperatura, se forma una capa de hielo en la superficie; esta capa flota y protege de los efectos térmicos del exterior al agua lí­quida que queda bajo ella, permitiendo la supervivencia de muchas especies.

2.5. Comenta brevemente la importancia del agua para los seres vivos. ¿Qué propiedades del agua le confieren dicha importancia? Razona la respuesta.

El agua es la molécula más abundante de la materia viva. Los organismos pueden obtenerla directamente del medio ambiente o generarla a partir de otras moléculas mediante diferentes reacciones químicas.

Presenta una serie de propiedades inherentes a su estructura molecular, que permiten la realización de funciones biológicas imprescindibles para el mantenimiento de la vida.

• Elevada cohesión molecular. El hecho de ser un fluido dentro de un amplio margen de temperatura permite al agua dar volumen a las células, turgencia a las plantas e incluso actuar como un esqueleto hidrostático en algunos animales invertebrados. También explica las deformaciones que experimentan algunas estructuras celulares como el citoplasma, y la función mecánica amortiguadora que ejerce en las articulaciones de los animales vertebrados, constituyendo el líquido sinovial que evita el contacto entre los huesos.

• Elevada tensión superficial. Las moléculas de la superficie del agua experimentan fuerzas de atracción netas hacia el interior del líquido. Esto favorece que dicha superficie oponga una gran resistencia a ser traspasada, y origina una "película superficial" que permite, por ejemplo, el desplazamiento sobre ella de algunos organismos.

• Elevada fuerza de adhesión. Las moléculas de agua tienen gran capacidad de adherirse a las paredes de conductos de diámetros pequeños, ascendiendo en contra de la acción de la gravedad. Este fenómeno se conoce con el nombre de capilaridad, y contribuye, por ejemplo, a la ascensión de la savia bruta a través de los vasos leñosos.

• Elevado calor específico. Las moléculas de agua pueden absorber gran cantidad de calor, sin elevar por ello su temperatura, ya que parte de la energía es empleada en romper los enlaces de hidrógeno. Esta propiedad explica su función termorreguladora, al mantener la temperatura interna de los seres.

• Densidad. Es máxima a 4 °C, por lo que en estado líquido es más densa que en estado sólido. Esta propiedad permite la vida acuática en climas fríos, ya que al descender la temperatura se forma una capa de hielo en la superficie; esta capa flota y protege de los efectos térmicos del exterior al agua líquida que queda bajo ella, permitiendo la supervivencia de muchas especies.

• Elevado calor de vaporización. Cuando el agua pasa de estado líquido a estado gaseoso, necesita absorber mucho calor para romper todos los enlaces de hidrógeno. Cuando el agua se evapora en la superficie de un ser vivo, absorbe el calor del organismo, actuando como regulador térmico. Gracias a esta propiedad se puede eliminar gran cantidad de calor con poca pérdida de agua.

• Elevada constante dieléctrica. Las moléculas de agua, debido a su carácter polar, tienden a disminuir las atracciones entre los iones de las sales y otros compuestos iónicos, facilitando su disociación en forma de cationes y aniones, y rodeándolos por dipolos de agua que impiden su unión. Este fenómeno se conoce como solvatación iónica. Esta tendencia del agua a oponerse a las atracciones electrostáticas entre iones positivos y negativos viene determinada por su elevada constante dieléctrica. Este factor, superior al de otros disolventes líquidos, favorece la disolución de las redes cristalinas en agua. El agua puede también manifestar su acción como disolvente mediante el establecimiento de enlaces de hidrógeno con otras moléculas que contienen grupos funcionales polares, como alcoholes, aldehidos o cetonas, provocando su dispersión o disolución. El agua es el principal disolvente biológico; permite el transporte de sustancias en el interior de los seres vivos y su intercambio con el medio externo, facilitando el aporte de sustancias nutritivas y la eliminación de productos de desecho. Otra importante función biológica derivada de esta propiedad es constituir el medio en el que se verifican la mayoría de las reacciones bioquímicas, y, en ocasiones, además, intervenir de forma activa en la reacción, como en el caso de las hidrólisis.

• Bajo grado de ionización. En el agua líquida existe una pequeñísima cantidad de moléculas ionizadas (disociadas en sus iones). La tendencia a ionizarse permite al agua actuar como ácido débil o como base débil. Esta es la razón de las interacciones del agua con las macromoléculas celulares. De estas interacciones derivan muchas de las propiedades biológicas importantes de dichas macromoléculas.

• Elevado calor latente. Las moléculas de agua han de absorber o ceder gran cantidad de calor para cambiar de estado físico. Este calor no produce alteración de la temperatura del agua.

2.6. Explica, ayudándote de un dibujo, una de las propiedades más importantes del agua: la fuerte co­hesión entre sus moléculas.

La molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, unidos por enlaces covalentes.

Es eléctricamente neutra, aunque sus átomos tienen diferentes valores de electronegatividad o capacidad de atraer a los electrones, lo que da lugar a un exceso de carga negativa sobre el átomo de oxígeno y un exceso de carga positiva sobre los átomos de hidrógeno.

La distribución espacial de cargas eléctricas se definió como momento dipolar y da lugar a una molécula caracterizada por la ausencia de carga neta en la que se establece un dipolo y que adquiere carácter polar.

Debido a su carácter polar, las moléculas de agua pueden interaccionar entre sí, mediante atracciones electrostáticas, estableciendo enlaces de hidrógeno. Cada átomo de oxígeno cargado negativamente ejerce atracción sobre cada una de las cargas parciales positivas de dos átomos de hidrógeno; así, cada molécula de agua puede formar hasta cuatro enlaces de hidrógeno: dos con cada uno de los átomos de hidrógeno y otros dos con cada átomo de oxígeno, igualmente las molé­culas de agua pueden formar enlaces de hidrógeno con otras moléculas polares o iones.

A pesar de la relativa debilidad de los enlaces de hidrógeno, su presencia confiere una estructura interna al agua que permite explicar algunas de sus características más importantes.

El hecho de encontrarse en estado líquido dentro de un amplio margen de temperatura permite al agua dar volumen a las células, turgencia a las plantas e incluso actúa como esqueleto hidrostático en al­gunos animales invertebrados. También explica las deformaciones que experimentan algunas estructuras celulares como el citoplasma y la función mecánica amortiguadora que ejerce en las articulaciones de los animales vertebrados, constituyendo el líquido sinovial que evita el contacto entre los huesos.

2.7. Describe la estructura de la molécula de agua, y explica el proceso de disolución de una sustancia soluble en ella, como, por ejemplo, el cloruro sódico o sal común.

La molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, unidos por enlaces co-valentes simples que forman un ángulo de 104,5°.

Es eléctricamente neutra, aunque sus átomos tienen diferentes valores de electronegatividad o capa­cidad de atraer a los electrones. El átomo de oxígeno es más electronegativo que el de hidrógeno; por ello, los electrones de los enlaces entre estos dos átomos están desplazados hacia el oxígeno. Este desplazamiento da lugar a un exceso de carga negativa sobre el átomo de oxígeno, y un exceso de carga positiva sobre los dos átomos de hidrógeno. La distribución espacial de cargas eléctricas se define como momento dipolar, y da lugar a una molécula caracterizada por la ausencia de carga neta en la que se es­tablece un dipolo y que adquiere carácter polar.

Debido a su carácter polar, las moléculas de agua pueden interaccionar entre sí mediante atracciones electrostáticas, estableciendo enlaces de hidrógeno. Cada átomo de oxígeno con densidad de carga negativa ejerce atracción sobre cada una de las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otras moléculas; así, cada molécula de agua puede formar hasta cuatro enlaces de hidrógeno: dos por medio de cada uno de sus átomos de hidrógeno, y otros dos con cada átomo de oxígeno. Igualmente, las moléculas de agua pueden formar enlaces de hidrógeno con otras moléculas polares o iones.

Las moléculas de agua presentan una elevada constante dieléctrica, es decir, tienden a oponerse a las atracciones electrostáticas entre iones positivos y negativos. Este factor, superior al de otros disolventes líquidos, favorece la disolución de redes cristalinas. Las moléculas de agua, debido a su carácter polar, tienden a disminuir las atracciones entre los iones de cloruro sódico, facilitando su disociación en forma de cationes (Na⁺) y aniones (CI"), y rodeándolos por dipolos de agua que impiden su unión.

> El agua tiene dos propiedades como son su alto calor específico y su alto calor de vaporización. Indica en qué consiste cada una de ellas, y las ventajas que suponen para los seres vivos.

Gracias al elevado calor específico, las moléculas de agua pueden absorber gran cantidad de calor sin elevar notablemente, por ello, su temperatura, ya que parte de la energía es empleada en romper los enlaces de hidrógeno. Esta propiedad explica su función termorreguladora, manteniendo constante la temperatura interna de los seres vivos.

El elevado calor de vaporización permite eliminar gran cantidad de calor con poca pérdida de agua. Cuando el agua pasa de estado líquido a estado gaseoso, necesita absorber mucho calor para romper todos los enlaces de hidrógeno.

2.8.En relación con la imagen adjunta, responde a las siguientes cuestiones.

a) Identifica la sustancia representada, y explica los criterios utilizados para identificarla.

b) ¿Qué tipo de enlace se establece entre ambas moléculas?

c) Explica una consecuencia biológica de la existencia de estos enlaces.

d) Indica cinco funciones que realiza esta sustancia en los seres vivos.

a) La imagen representa dos moléculas de agua. En ella se observan átomos con carga parcial positiva de hidrógeno, unidos a átomos con carga parcial negativa de oxígeno que forman un ángulo característico de 105 grados.

b) Entre ambas moléculas se establecen enlaces de hidrógeno.

c) Los enlaces de hidrógeno explican algunas de las propiedades del agua de gran importancia biológica:

• La íntima unión entre las moléculas, a través de los enlaces de hidrógeno, permite al agua ser un fluido dentro de un amplio margen de temperatura. Gracias a esta propiedad, el agua puede dar volumen a las células, turgencia a las plantas e incluso actuar como esqueleto hidrostático en algunos animales invertebrados. Explica las deformaciones de algunas estructuras celulares como el cito­plasma, y la función mecánica amortiguadora que ejerce en las articulaciones de los animales vertebrados, constituyendo el líquido sinovial que evita el contacto entre los huesos.

• El agua en estado líquido es más densa que en estado sólido. En estado sólido, el agua presenta todos sus posibles enlaces de hidrógeno, cuatro por cada molécula, formando un retículo que ocupa mayor volumen, por lo que es menos denso. Esta propiedad permite la vida acuática en climas fríos, ya que al descender la temperatura, se forma una capa de hielo en la superficie que flota y protege de los efectos térmicos del exterior al agua líquida que queda bajo ella, lo que permite la supervivencia de muchas especies.

d) El agua presenta, entre otras, las siguientes funciones:

• Principal disolvente biológico. El agua, además de disociar compuestos iónicos, puede manifestar también su acción como disolvente mediante el establecimiento de enlaces de hidrógeno con otras moléculas que contienen grupos funcionales polares como alcoholes, aldehidos o cetonas, provocan­do su dispersión o disolución.

• Función metabólica. El agua constituye el medio en el que se realizan la mayoría de las reacciones bioquímicas, y en ocasiones, además, interviene de forma activa en la reacción, como en el caso de las hidrólisis. En el proceso de fotosíntesis aporta electrones y H⁺, imprescindibles para la síntesis de moléculas orgánicas; es, además, responsable de la producción de Ü2 atmosférico.

• Función mecánica amortiguadora. El ser un líquido incomprensible le permite ejercer esta función en las articulaciones de los animales vertebrados, constituyendo el liquido sinovial que evita el contac­to entre los huesos.

• Función de transporte. La elevada capacidad disolvente del agua permite el transporte de sustan­cias en el interior de los seres vivos y su intercambio con el medio externo, facilitando el aporte de sustancias nutritivas y la eliminación de productos de desecho. La capilaridad contribuye a la ascen­sión de la savia bruta a través de los vasos leñosos.

• Función termorreguladora. El elevado calor específico del agua permite mantener constante la tem­peratura interna de los seres vivos. El elevado calor de vaporización explica la disminución de temperatura que experimenta un organismo cuando el agua se evapora en su superficie.

2.10. Señala lo incorrecto en relación con las funciones biológicas del agua: es disolvente, termo­rreguladora, tiene función esquelética en estado sólido, actúa como medio de transporte y aporta hidrógeno y oxígeno.

Son incorrectas las siguientes funciones:

• Tiene función esquelética en estado sólido. El agua es líquida en un amplio rango de temperaturas; condición indispensable para que pueda desempeñar su función en el organismo, a pesar de las variaciones de la temperatura. En este estado, el agua da volumen a las células, actúa como termorregulador amortiguando los cambios bruscos de temperatura, y sirve como medio en el que se llevan a cabo todas las reacciones del metabolismo.

Su elevado calor específico le sirve para mantener el organismo a una temperatura constante, lo que implica la presencia de agua en estado líquido.

En el organismo, el agua en estado sólido no es compatible con las temperaturas a las que se desarrolla la actividad del mismo.

• Aporta hidrógeno y oxígeno. No es cierto, porque, de hecho, no existen protones desnudos en el agua ionizada ni átomos de oxígeno, sino que son los electrones y los protones los que se desplazan de unas células a otras. La forma normal de ionización son el ion hidronio HsO⁺ y el hidroxilo OH"; aunque, de hecho, se generan formas más hidratadas posteriormente.

2.11. Una de las propiedades del agua es que permanece líquida a temperaturas compatibles con la vida. Si la comparamos con otros hidruros semejantes químicamente, su temperatura de ebullición debería ser -80°C. ¿A qué debe el agua esta propiedad? ¿Qué consecuencia tendría para los seres vivos el que no fuese semejante a otros hidruros?

El elevado calor específico permite que las moléculas de agua puedan absorber gran cantidad de calor sin elevar notablemente, por ello, su temperatura, ya que parte de la energía es empleada en romper los en­laces de hidrógeno. Hace falta 1 Kcal para elevar 1 °C la temperatura de 1 litro de agua, lo que supone que incrementos o descensos importantes en la temperatura externa produzcan únicamente pequeñas variaciones en el medio acuoso. Esta propiedad explica su función termorreguladora, manteniendo cons­tante la temperatura interna de los seres vivos; algo imposible, si fuera semejante a otros hidruros.

2.12. La hoja de una planta al sol tiene, generalmente, menos temperatura que las rocas de su entorno. ¿A qué propiedad fisicoquímica del agua se debe este hecho?

Al elevado calor específico, que permite que las moléculas de agua presentes en la hoja de la planta puedan absorber gran cantidad de calor sin elevar notablemente, por ello, su temperatura, ya que parte de la energía es empleada en romper los enlaces de hidrógeno. Hace falta 1 Kcal para elevar 1 °C la tem­peratura de 1 litro de agua, lo que supone que incrementos o descensos importantes en la temperatura externa produzcan únicamente pequeñas variaciones en el medio acuoso.

2.13. Las sales minerales son esenciales para el mantenimiento de la vida.

a) Respecto al citoplasma celular, define medio hipertónico y medio hipotónico.

b) Explica razonadamente qué le ocurriría a una planta si la regamos con agua salada.

c) Pon un ejemplo, mencionando composición y función, de sales minerales en estado sólido (sales insoluoles) presentes en los seres vivos.

a) La materia viva contiene gran cantidad de agua que actúa como disolvente o fase dispersante de una serie de moléculas de soluto que constituyen la fase dispersa. Las moléculas de menor tamaño dispersas en el disolvente son las sales minerales, cuya presencia es valorada en relación con el volumen de agua y cuantificada en unidades de concentración salina. El citoplasmai celular puede tener diferente concentración salina con respecto al medio externo, siendo hipertónico si presenta rñayor proporción de sales minerales, e hipotónico cuando está más diluido.

El medio interno celular y el medio externo están separados por la membrana plasmática, de carácter semipermeable, que permite la difusión de agua, e impide la de moléculas de soluto. Las moléculas de agua difunden desde los medios hipotónicos hasta los medios hipertónicos, hasta alcanzar el equi­librio igualando las concentraciones. Cuando el medio interno celular es hipertónico respecto al medio externo, se produce una entrada de agua hacia el interior de la célula que ocasiona un aumento de volumen. Cuando el contenido celular es hipotónico respecto al medio externo, se produce una salida de agua que ocasiona la disminución del volumen celular.

b) El agua salada incrementaría la proporción salina del medio externo, que de este modo sería hipertónico respecto al medio interno de la planta. La diferencia de concentración entre ambos medios acuosos provocaría la difusión de agua desde el medio hipotónico hacia el medio hipertónico, ocasionando la deshidratación de la planta.

c) Las sales minerales en estado sólido presentan funciones variadas en los seres vivos, siendo frecuente la constitución de_estructuras de protección o sostén. Existen sales de carbonato calcico (caparazones de protozoos marinos, esqueleto externo de algunos artrópodos y corales, conchas de moluscos, huesos y dientes de vertebrados) o de sílice (elementos de sostén en algunos vegetales, caparazones de microorganismos, espículas de esponjas).

2.14. Explica si la proposición que sigue es verdadera o falsa.

"Todas las células viven en un medio acuoso, excepto las de los reptiles, que prefieren el ambiente seco."

La proposición es falsa. El agua es la molécula más abundante de la materia viva. Los organismos pueden obtener el agua directamente del medio ambiente (agua exógena), o generarla a partir de otras moléculas orgánicas mediante diferentes reacciones bioquímicas (agua endógena o metabólica).

Es el principal disolvente biológico; permite el transporte de sustancias en el interior de los seres vivos y su intercambio con el medio externo, facilitando el aporte de sustancias nutritivas y la eliminación de sus­tancias de productos de desecho. En todas las células, incluidas las de los reptiles, el agua constituye el medio en el que se realizan la mayoría de las reacciones bioquímicas; en ocasiones, además, interviene de forma activa en la reacción, como en el caso de la hidrólisis

2.15. Las sales minerales en la célula: estructura y componentes. Importancia y funciones biológicas que desempeñan.

Algunas funciones generales de las sales solubles son:

• 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 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.

• Regular la presión osmótica y el volumen celular. La presencia de sales en el medio interno celular es determinante para que se verifique la entrada o salida de agua a través de la membrana. Los medios con alta concentración salina son hipertónicos con respecto a los que tienen una concentración salina menor, e hipotónicos en el caso contrario. Si el medio interno celular es hipertónico con respecto al exterior, se producirá entrada de agua, que ocasionará aumento del volumen celular; si la concentración iónica en el interior es menor, se producirá el efecto contrario.

• 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.

• Regulación del pH. La actividad biológica en el medio interno celular se produce a un determinado valor de pH. Las reacciones químicas que se verifican en los organismos producen variaciones del pH, y algunas sales minerales disueltas contribuyen a disminuir estas variaciones, manteniendo el pH constante. Las disoluciones de sales minerales que tienen esta función se denominan lampones o disoluciones amortiguadoras. Existen soluciones amortiguadoras en todos los fluidos biológicos; por ejemplo, el tampón fosfato (H2POVHPO"²4) en el medio intracelular, y el tampón bicarbonato (HCO~₃ /H₂CO3J en un medio extracelular como es la sangre.

• Estabilizar las dispersiones coloidales. Las sales minerales mantienen el grado de hidratación, y su disociación en iones contribuye a mantener en suspensión las partículas coloidales.

• Las sales minerales precipitadas que se encuentran en estado sólido son insolubles en agua. Presentan funciones variadas en los seres vivos, siendo frecuente la constitución de estructuras de protección o sostén. Tienen gran importancia biológica las siguientes sales precipitadas:

Carbonato calcico.

- Forma parte de los caparazones de protozoos marinos como los foraminíferos.

Constituye el esqueleto externo de los corales, forma las conchas de los moluscos gasterópodos y bivalvos, e impregna el exoesqueleto de algunos artrópodos. Confiere rigidez a la estructura de algunas esponjas, y forma estructuras como las espinas de los erizos de mar.

c) Pon un ejemplo de una sal mineral disuelta y otra precipitada, e indica la función de cada una de ellas

a) Cuando el medio externo celular es hipotónico respecto al medio interno, se produce entrada de agua al interior de la célula; esto ocasiona aumento de volumen celular y disminución de la presión osmótica en el interior celular. En el caso de las células animales, puede producirse estallido celular. En las vegetales, debido a la existencia de pared celular rígida, se produce turgencia o también se dice que las células están turgentes.

b) Cuando el medio externo celular es hipertónico respecto al medio interno, sale agua de la célula por osmosis; entonces, disminuye el volumen celular y aumenta la presión osmótica en el interior celular. En el caso de las células vegetales, este hecho provoca la rotura de la célula o plasmólisis al desprenderse la membrana plasmática de la pared celular.

c) Las sales minerales precipitadas constituyen estructuras sólidas e insolubles. Desarrollan una función esquelética, dando soporte y protección a los seres vivos. Por ejemplo, el carbonato calcico en las conchas de los moluscos, el fosfato calcico (Ca₃ (PO₄)²) que, junto al carbonato calcico, se deposita sobre las fibras de colágeno, transformándose en una matriz dura que conducirá a la formación de los huesos.

Las sales minerales disueltas se presentan en la materia viva disociadas en sus iones correspondientes. Aparecen en concentraciones relativas similares en todos los seres vivos, y resultan imprescindibles para estos porque mantienen el pH del citoplasma celular, aseguran la estabilidad de los coloides, intervienen en la regulación osmótica de los organismos, y desarrollan diferentes acciones específicas. Los aniones más importantes en los seres vivos son: CI", H₂PO⁴", HPC-4²", SC>4²~ En cuanto a los cationes, conviene destacar los siguientes: Na*, K⁺, NH₄⁺, Mg^2t y Ca²*.

2.17. Indica si son verdaderas o falsas las afirmaciones que aparecen a continuación.

a) Las sales minerales son moléculas inorgánicas que se ionizan en el medio acuoso.

b) Las moléculas de agua se unen por enlaces de hidrógeno.

c) El agua alcanza su máxima densidad al convertirse en hielo.

a) Verdadera. El carácter polar del agua disminuye las atracciones entre los iones de las sales, facilitando su disociación en forma de cationes y aniones.

b) Verdadera. Son atracciones electrostáticas generadas entre cada una de las cargas negativas de los átomos de oxígeno y la carga parcial positiva de cada átomo de hidrógeno. Cada molécula de agua puede formar cuatro enlaces de hidrógeno: dos por cada átomo de oxígeno y dos correspondientes a los átomos de hidrógeno.

c) Falsa. El agua alcanza su máxima densidad a cuatro grados centígrados; por lo tanto, por encima y por debajo de esta temperatura, su densidad disminuye. Por debajo del punto de congelación, la densidad es menor que a cuatro grados centígrados, por lo que el hielo flota en el agua.

2.18. En el mar Muerto existe una elevada salinidad. Explica razonadamente por qué el número de especies en el mar Muerto es menor que en otros mares.

La elevada salinidad del mar Muerto constituye un medio hipertónico para los seres vivos que puedan vivir en él. En estas condiciones, las células tienden a expulsar agua por osmosis, disminuyendo el volumen celular y aumentando la presión osmótica en el interior celular. En el caso de las células vegetales, este hecho provoca la rotura de la célula o plasmólisis, al desprenderse la membrana plasmática de la pared celular.

2.19. Al añadir un ácido a una disolución de cloruro sódico se produce un gran descenso en el valor del pH. Sin embargo, si se añade la misma cantidad de ácido al plasma sanguíneo apenas cambia el pH. Propon una explicación para este hecho.

El plasma sanguíneo contiene disoluciones de naturaleza variada que mantienen el pH constante cuando se le añade un ácido o una base, denominadas sistemas lampón o buffer. Generalmente, contienen dos especies iónicas en equilibrio formadas por ácidos débiles y sus bases conjugadas, o bases débiles y sus ácidos conjugados. La alteración del pH del medio se contrarresta debido al desplazamiento del equilibrio entre estas dos especies. Los lampones fisiológicos pueden ser de naturaleza orgánica como las proteínas, los aminoácidos y el lampón hemoglobina, o de naluraleza inorgánica como el lampón bicarbonato y el tampón fosfato.

2.20. ¿Qué ventajas puede suponer para un ser vivo disponer de sistemas tampón en su medio interno? Razona la respuesta.

Los sistemas tampón o buffer son disoluciones de naluraleza variada que mantienen el pH constante cuando se le añade un ácido o una base. Generalmente, contienen dos especies iónicas en equilibrio formadas por ácidos débiles y sus bases conjugadas, o bases débiles y sus ácidos conjugados. La al­teración del pH del medio se conlrarresla debido al desplazamiento del equilibrio entre estas dos especies.

Existen disoluciones amortiguadoras en todos los fluidos biológicos. Son imprescindibles para mantener la vida, al permilir la realización de funciones bioquímicas y fisiológicas en las diferentes estructuras de los organismos. Los lampones fisiológicos pueden ser de naturaleza orgánica como las proteínas, los ami­noácidos y el lampón hemoglobina, o de naluraleza inorgánica como el lampón bicarbonato y el lampón fosfato.

2.21. Se sumergen dos células en soluciones de distinta concentración salina (A y B en el dibujo).

a) Deduce la concentración relativa de las soluciones A y B.

b) Nombra las estructuras señaladas en el dibujo.

c) Explica el proceso por el cual el agua entra en A y sale en B.

a) En la célula sumergida en la solución A se produce entrada de agua en la célula, lo que ocasiona un aumento del volumen celular y una disminución de la presión osmólica en el interior celular. La presen­cia de una pared celular en esta célula vegetal evita el estallido celular, produciéndose el fenómeno de turgencia. La solución A es hipotónica con respecto al medio interno celular.

En la célula sumergida en la solución B se produce salida de agua por osmosis, que ocasiona disminución del volumen celular y disminución de la presión osmólica en el exterior celular. Este hecho provoca la rotura de la célula vegetal o plasmólisis, al desprenderse la membrana plasmática de la pa­red celular. La solución B es hipertónica con respecto al medio interno celular.

b) 1. Citoplasma. 2. Membrana plasmática. 3. Núcleo. 4. Vacuola. 5. Pared celular.

c) La osmosis es un fenómeno por el que se produce el paso o difusión de un disolvente a través de una membrana semipermeable -permite el paso de disolventes, pero no de solutos- desde una disolución diluida a otra más concenlrada. El agua es capaz de alravesar las membranas celulares que son semipermeables para penelrar en el interior celular o salir de él. Esta capacidad depende de la dife­rencia de concentración entre los líquidos exlracelular e inlracelular, determinada por la presencia de sales minerales y moléculas orgánicas disueltas.

La presencia de sales en el medio interno celular es determinante para que se verifique la entrada o salida de agua a través de la membrana. Los medios con alta concentración salina son hipertónicos con respecto a los que tienen una concentración salina menor, e hipotónicos en el caso contrario. Si el medio interno celular es hipertónico con respecto al exterior, se producirá entrada de agua que oca­sionará aumento del volumen celular; si la concentración iónica en el interior es menor, se producirá el efecto conlrario.

Las moléculas de agua difunden desde los medios hipotónicos hacia los hipertónicos, provocando un aumento de presión sobre la cara de la membrana del compartimento hipotónico, denominada presión osmótica. Como consecuencia del proceso osmólico se puede alcanzar el equilibrio, igualándose las concenlraciones; entonces, los medios serán isotónicos.

2.22. La concentración de cloruro sódico en la sangre es de 0,9 g/100 mL. Explica razonadamente qué ocurriría si se colocaran hematíes humanos en:

a) Agua destilada.

b) Una solución salina (3 g/100 mL).

c) Una solución salina (9 g/100 mL).

d) Una solución salina (9 g/L).

a) Se produciría una hemólisis de los hematíes. El medio extracelular sería hipotónico respecto al medio intracelular, lo que implicaría una entrada de agua hacia el interior de los glóbulos rojos que provo­caría, dada la diferencia de concentración, el estallido celular.

b) Los hematíes disminuirían su volumen celular. La solución salina sería hipertónica con respecto al me­dio interno celular, lo que implicaría salida de agua del interior de las células.

c) La solución salina es hipertónica con respecto al medio intracelular, siendo mayor la diferencia de concentración entre ambos medios que en el caso anterior. La salida de agua desde el interior de las células provocaría una mayor disminución del volumen celular.

d) La solución salina presenta la misma concentración que el medio intracelular; son isotónicos, por lo que los hematíes no experimentarían ningún cambio de volumen.

2.23. Relaciona los términos turgencia y plasmólisis. ¿Cómo podrías comprobar en el laboratorio el pro­ceso de plasmólisis en la epidermis de cebolla?

Las células vegetales presentan una pared celular rígida adherida a la membrana plasmática que actúa como exoesqueleto, e interviene activamente en el mantenimiento de la presión osmótica intracelular. Como consecuencia de su variación, se producen dos fenómenos opuestos: plasmólisis y turgencia.

Cuando la célula está inmersa en un medio hipotónico se produce entrada de agua hacia el interior, dando lugar a un aumento del volumen celular y a una disminución de la presión osmótica. Gracias a la exis­tencia de la pared celular, que es rígida, la célula mantiene su forma, evitando el estallido de la misma, produciéndose el fenómeno de turgencia.

Si la célula vegetal se encuentra inmersa en un medio hipertónico, el agua de la célula sale hacia el exte­rior, dando lugar a una disminución del volumen celular y a un aumento de la presión osmótica en el interior. En este caso, debido a la rigidez de la pared celular, incapaz de deformarse, se produce el des­prendimiento de la membrana plasmática y, por tanto, la rotura de la célula; este fenómeno es conocido como plasmólisis.

El proceso de plasmólisis en la epidermis de cebolla podría observarse en el laboratorio a través del microscopio óptico, aplicando como medio extracelular una solución concentrada de sal o de azúcar (por ejemplo, al 30%).

La forma más sencilla de hacer esta observación es realizar el montaje de la preparación de la muestra sobre un portaobjetos que contenga unas gotas de la solución hipertónica. A continuación, se coloca el cubreobjetos y se observa directamente con el microscopio óptico. Puede realizarse otra preparación, sustituyendo la solución concentrada por agua; después, se comparan los resultados.

2.24. El tratamiento de glóbulos rojos en un medio hipotónico se puede utilizar como paso previo en el aislamiento de su membrana. ¿Podrías decir por qué?

Porque los glóbulos rojos en un medio hipotónico sufren hemolisis. Cuando el medio externo celular es hipotónico con respecto al medio interno se produce entrada de agua hacia el interior de la célula, ocasionando un aumento del volumen celular y una disminución de la presión osmótica intracelular, que puede producir el estallido de los glóbulos rojos, facilitando el aislamiento de sus membranas.

2.25. ¿Son diferentes el proceso de osmosis y el proceso de diálisis? Explica por qué.

La osmosis es un fenómeno físico que tiene lugar al poner en contacto dos disoluciones de distinta concentración, separadas por una membrana semipermeable que no deja pasar al soluto; el disolvente de la disolución menos concentrada pasa a la más concentrada, hasta que se igualan las concentraciones a ambos lados de la membrana, produciéndose el equilibrio.

La diálisis es una técnica basada en la osmosis. Es un 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.

2.26. ¿Qué ocurriría si introducimos un pez marino en agua dulce? ¿Y en el caso contrario? Razona las respuestas.

El medio externo de un pez marino es hipertónico respecto a su medio interno. Si introducimos el pez en agua dulce, el medio externo se convierte en hipotónico respecto al medio interno del pez, entrara agua a las células por el proceso de osmosis, y estas se hincharán; este fenómeno recibe el nombre de tur­gencia. Si la diferencia de concentraciones es muy alta entre los dos tipos de agua (marina y dulce), las células puede llegar a estallar, provocando la muerte del pez.

En el otro caso, si introducimos un pez de agua dulce en agua salada -el medio externo es ahora hiper­tónico respecto al medio interno-, las células tienden a perder agua por osmosis y se arrugan; este fenómeno es conocido como plasmólisis, pudiendo conducir a la muerte del animal.

2.27. Para observar el proceso de osmosis, tres muestras de sangre son sometidas a una prueba de laboratorio.

a) Si se añade agua destilada a una de las muestras, indica qué aspecto presentarán los glóbulos rojos y por qué.

b) Si se añade una solución saturada de sal a otra de las muestras, indica qué aspecto presentarán los glóbulos rojos al microscopio, cómo se denomina este fenómeno y explica cómo se produce.

c) Si a la tercera muestra se le añade una solución isotónica, explica si se alterarían la forma y función del glóbulo rojo.

a) Al introducir un glóbulo rojo en agua destilada, el medio extracelular es hipotónico respecto al medio interno.

En estas condiciones, el agua entra en el interior de la célula a través de la membrana plasmática, de carácter semipermeable, provocando un fenómeno de turgencia. El glóbulo rojo aumentará su volu­men hasta que se rompa la membrana celular y estalle.

b) En este caso, el glóbulo rojo se encontrará en un medio hipertónico respecto al medio intracelular, que provocará la salida de agua desde la célula hacia el exterior a través de la membrana semipermeable. El glóbulo rojo sufrirá el fenómeno de plasmólisis, y aparecerá arrugado.

c) La solución isotónica permite un equilibrio en el flujo de agua a través de la membrana, por lo que la célula no sufrirá deformación y podrá seguir desarrollando su función.

2.28. Si un tejido vegetal o animal se introduce en soluciones de diferentes concentraciones osmóticas:

a) ¿Qué ocurriría si la solución utilizada fuera hipotónica? Razona la respuesta.

b) ¿Y si fuera hipertónica?

c) Explica con qué propiedad de la membrana plasmática están relacionadas las respuestas an­teriores.

a) Cuando el medio externo celular es hipotónico con respecto al medio interno se produce entrada de agua hacia el interior de la célula, lo que ocasiona aumento del volumen celular y disminución de la presión osmótica en el interior celular.

En el caso de las células animales, puede producirse estallido celular o hemolisis. En células vege­tales, que presentan paredes rígidas, se produce turgencia celular.

b) Cuando el medio externo celular es hipertónico con respecto al medio interno, sale de la célula agua por osmosis, lo que provoca una disminución del volumen celular y un aumento la presión osmótica en el interior celular.

Las células animales aparecerán arrugadas. En el caso de las células vegetales, este hecho provoca la rotura de la célula o plasmólisis al desprenderse la membrana plasmática de la pared celular.

b) La membrana plasmática es de carácter semipermeable; impide el movimiento de las partículas de soluto, y permite el flujo de las moléculas de agua.

2.29. En la gráfica adjunta se representa la variación del volumen de una célula en función del tiempo. La célula fue colocada inicialmente en un medio con alta concentración de sales, y a los 10 minutos fue transferida a un medio con agua destilada. Propon una explicación razonada a los cambios de volumen que sufre la célula a lo largo del tiempo.

El medio con alta concentración de sales resulta hipertónico respecto al medio interno de la célula. En estas condiciones, la célula expulsa agua para equilibrar ambas concentraciones, y disminuye su volumen. A los diez minutos, la célula es trasferida a un medio con agua destilada, cuya ausencia de sales la con­vierte en un medio hipotónico respecto al medio interno celular. Inicialmente, la célula se encuentra en un medio hipertónico. En consecuencia, la célula absorbe agua para intentar alcanzar el equilibrio, aumen­tando su volumen.

2.30. El contenido salino interno de los glóbulos rojos presentes en la sangre es del 0,9%. ¿Qué le pasaría a un organismo si se le inyectara en la sangre una solución salina que hiciera que la con­centración final de sales en sangre fuese del 2,2%? ¿Y si la concentración final de sales en sangre á fuese del 0,01%? Razona las respuestas.

Un aumento de la concentración de sales en sangre provoca una alteración de medio externo, que será hipertónico respecto al medio interno de los glóbulos rojos. En estas condiciones, las células sufrirán plasmólisis al expulsar agua para intentar alcanzar el equilibrio.

Una disminución de la concentración de sales provoca el efecto contrario; el medio externo resultará ahora hipotónico respecto al medio interno celular. Los glóbulos rojos absorberán agua, aumentando su volumen; este fenómeno se conoce con el nombre de turgencia. Finalmente, se producirá hemolisis o estallido de los glóbulos rojos.

2.31. Se dispone de un tubo en "U" como el que aparece en la figura 1, en el que los dos brazos están separados por una membrana con las mismas propiedades de una membrana plasmática. En el brazo A se añaden 50 mL de una solución de 1 g por litro de glucosa, y, simultáneamente, en el bra­zo B se añaden 50 mL de una solución de 25 g por litro de glucosa.Indica qué ocurrirá en el tubo al cabo de un tiempo.

¿Se llegará a la situación indicada en la figura 2, a la situación indicada en la figura 3 o perma­necerá como en la figura 1? Razona la respuesta.

a) y b) La solución del brazo A resulta hipotónica respecto a la solución introducida en el brazo B. Como ambos brazos están comunicados a través de una membrana semipermeable, se producirá un flujo de agua desde A hacia B. En consecuencia, se llegará a la situación indicada en la figura 2.

UN PASO MAS

2.32. La hemodiálisis es una técnica que se aplica, principalmente a enfermos renales. La sangre del paciente, mediante un circuito extracorpóreo, pasa a un dializador que contiene un líquido de diálisis con el que entra en contacto a través de una membrana semipermeable. Esta membrana permite el paso de iones minerales y moléculas de bajo peso molecular como la urea, e impide el de los elementos formes de la sangre y las proteínas. El líquido de diálisis contiene valores fisio­lógicos de iones minerales.

b) La presencia de valores fisiológicos de iones minerales en el líquido de diálisis asegura que tras la difusión, a través de la membrana semipermeable, permanezcan en sangre las concentraciones necesarias para mantener la homeostasis.

c) La urea es un producto de excreción que es necesario eliminar debido a su carácter tóxico. En consecuencia, el líquido de diálisis no contendrá urea: a mayor diferencia de concentración de urea entre el líquido de diálisis y la sangre, mayor será la cantidad de urea eliminada.

2.33. En el tratamiento de aguas residuales, se aplica un proceso químico de coagulación-floculación para lograr la sedimentación de partículas en suspensión. El coagulante de naturaleza mineral desestabiliza las partículas neutralizando sus cargas eléctricas y facilitando la acción del floculante. La solución floculante aglutina las sustancias presentes en el agua permitiendo su decantación y posterior filtrado.

a) ¿Tienen naturaleza coloidal las aguas residuales?

b) ¿Por qué la neutralización de las cargas eléctricas permite la coagulación?

c) ¿Por qué se utilizan agentes coagulantes antes del proceso de floculación?

a) Sí, en el texto se alude a la necesidad de eliminar las partículas en suspensión del agua. El agua actúa como disolvente o fase dispersante para diversas moléculas de soluto, que constituyen la fase dispersa. Las partículas de soluto de las dispersiones coloidales son grandes moléculas que permanecen en suspensión y no sedimentan.

b) Las partículas coloidales presentan un movimiento arbitrario y desordenado provocado por las moléculas de la fase dispersante. La suspensión de las partículas coloidales se mantiene gracias a la interacción de estas con las moléculas de agua. La neutralización de las cargas eléctricas de las par­tículas coloidales impide su relación con los dipolos de agua y su separación. En ausencia de cargas eléctricas, es posible la reunión de las partículas coloidales formando coágulos.

c) La solución floculante aglutina sustancias para provocar su decantación. Por lo tanto, anular las cargas eléctricas de las partículas coloidales facilita la formación de coágulos, y en esas condiciones resulta más fácil la aglutinación y la decantación.

2.34. En una revista especializada de ictiología se puede leer el siguiente texto sobre la trucha Arco iris. Léelo atentamente y responde:

"La especie más utilizada en la piscicultura comercial en España es la trucha Arco iris denominada Oncorhynchm mykiss que por su capacidad de osmorregulación se adapta a muchos ambientes. Es una especie migratoria eurihalina aunque presenta poblaciones que viven toda su vida en lagos, ríos y arroyos.

Las truchas de piscifactoría pueden ocasionalmente sufrir una parasitosis denominada enfermedad del punto blanco. El parásito oportunista es un protozoo ciliado denominado Icthyophtirius multífiliis que se sitúa en la epidermis del hospedador donde se nutre de material celular observándose como un punto blanco. La enfermedad suele desparecer cuando los piscicultores sumergen a los ejemplares afectados durante ocho minutos en una solución salina de cloruro de sodio de 15 g/L."

a) ¿Qué estudia la ictiología?

b) Indica el significado de los términos que aparecen subrayados en el texto.

c) ¿Cómo explicarías la eficacia del tratamiento de sumergir a los ejemplares afectados en una solución salina aplicado por los piscicultores?

a) La ictiología es una rama de la zoología que estudia los peces.

b) La osmorregulación es la capacidad de los seres vivos para mantener en su medio interno una determinada presión osmótica. Todos los seres vivos, sean acuáticos o terrestres, están obligados a la osmorregulación para sobrevivir en medios hipotónicos o hipertónicos mediante mecanismos físicos o químicos que evitan los cambios de presión osmótica en su medio interno.

Las especies eurihalinas son aquellas que poseen un amplio rango de resistencia a los cambios en la concentración salina del medio.

c) El tratamiento se basa en un fenómeno osmótico. Al introducir la trucha en una solución hipertónica, los parásitos externos expulsan agua y sufren un fenómeno de plasmólisis que les provoca la muerte. El breve período de inmersión permite la eliminación de los parásitos, pero no afecta a la trucha, que presenta mecanismos de osmorregulación.