Estados físicos de la materia en los seres vivos




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fecha de publicación14.01.2016
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ESTADOS FÍSICOS DE LA MATERIA EN LOS SERES VIVOS

La materia que constituye los seres vivos se presenta en estado sólido, líquido y gaseoso.
ESTADO SÓLIDO
La función del estado sólido es estructural. La desempeñan sustancias inorgánicas (sales minerales, como sílice en diatomeas y fosfatos en huesos y caparazones) y sustancias orgánicas. Así, las estructuras celulares visibles al microscopio (orgánulos, membrana, citoesqueleto) están en estado sólido, y tienen como componentes polisacáridos (quitina y celulosa), lípidos (fosfolípidos, ceras) y proteínas (colágeno, tubulina, queratina, etc), celulosa
ESTADO GASEOSO
Los gases que aparecen en los seres vivos intervienen sobre todo en el metabolismo. Esos gases no se encuentran libres en las células sino unidos a algunas moléculas. El O2 es el aceptor electrónico en la respiración celular y el producto liberado en la fotólisis de la fotosíntesis, se une a los citocromos de la mitocondria, mientras que el CO2 es el que se reduce en la fase oscura de la fotosíntesis y el producto de la oxidación de la glucosa en la respiración celular. El CO2 se transporta sobre todo como bicarbonato por la sangre o bien se incorpora como tal por los estomas.
El N2 del aire entra en nuestros pulmones en cada inspiración pero no es utilizado y es expulsado tal como entra. El N2 sólo es utilizado por un pequeño número de microorganismos, como bacterias (Azotobacter, Rhizobium, Frankia, etc) y cianobacterias (Anabaena, Nostoc, )pueden utilizarlo e incorporarlo a moléculas orgánicas asimilables. Pueden vivir libres en suelo y agua o bien en simbiosis.
Otros gases son inertes, como el N2, que se acumula en cámaras de algunos cefalópodos y cianobacterias y les permite flotar.
ESTADO LÍQUIDO
El estado líquido es fundamental para los seres vivos por varios motivos: el agua es su componente mayoritario, disuelve la casi totalidad de las biomoléculas y porque las reacciones metabólicas tienen lugar en medio acuoso.

El conjunto de medios acuosos de los seres vivos se denomina medio interno y está formado por líquidos intracelulares, intersticial, plasma sanguíneo, linfa, etc. Los seres vivos disponen de mecanismos homeostáticos para mantener constante sus parámetros.
El estado líquido puede aparecer en dos formas principales denominadas de forma genérica dispersiones, formadas por una fase dispersa y una fase dispersante.
Por el tamaño de la fase dispersa se distinguen tres tipos de dispersiones:


  1. Disoluciones, si el tamaño (o el PM) de la fase dispersa (entonces hablamos de soluto o cristaloides) es muy pequeño, < 10-6-10-7mm (< 1 m), como sales minerales, monosacáridos y disacáridos, bases nitrogenadas, aminoácidos, etc. El aspecto de la disolución es como el del disolvente puro. Son transparentes y además estables (no sedimentan) Estas disoluciones tienen una propiedades denominadas coligativas que dependen de la cantidad de soluto disuelto. En las células son escasos, como por ejemplo la savia bruta.




  1. Dispersiones coloidales o coloides, si el tamaño de la fase dispersa es grande, entre 10-4, 10-5 y 10-7 mm,o bien el PM, como el de la albúmina que está entre 30.000 y 100.000



COLOIDES
La fase dispersa son grandes moléculas (polímeros) como proteínas, ácidos nucleicos y polisacáridos (almidón o glucógeno). La importancia de los coloides estriba en que todos (o casi todos) los líquidos orgánicos (celulares y orgánicos) como citosol, plasma sanguíneo, linfa, líquido intersticial, humor vítreo, sinovial, son coloides. Realmente no se disuelven, es decir, no forman disoluciones verdaderas.
Los solutos cuyo tamaño está entre 10-6 y 10-8 mm se denomina partículas coloidales o coloides. Reciben este nombre (del griego kolla) porque tienen un aspecto más o menos gelatinosos, como la cola. Este estado coloidal gelatinoso tiene unas propiedades que son muy importantes para los seres vivos ya que en ellos tienen lugar las reacciones metabólicas, corrientes citoplasmáticas y pseudópodos, etc.
Tipos de coloides:


  1. Por la naturaleza de la fase dispersa:




    1. Coloides de macromoléculas

    2. Coloides de micelas, formadas por la agrupación de miles de átomos o moléculas




  1. Por la afinidad entre la fase dispersa y la dispersante (se supone que es el agua)




    1. Coloides hidrófilos, formadas por polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos

    2. Coloides hidrófobos, formadas por lípidos




  1. Por el estado físico de la fase dispersa:

    1. Emulsión, si es líquido inmiscible con la fase dispersante.

    2. Suspensión, si es un sólido


Las dispersiones o colides hidrófilas son transparentes, son estables (no sedimentan o precipitan) ya que al ser moléculas hidrófilas se rodean de una capa de moléculas de agua que impide que se unan entre sí y alcancen una tamaño suficiente para sedimentar. Si se elimina esta capa las moléculas se agrupan y sedimentan (coagulación = floculación). Es lo que ocurre cuando se calienta la clara de huevo (cocer un huevo).

Las hay también hidrófobas en las que las partículas dispersas repelen el agua, entonces tienden a reunirse, y forman una fase separada del agua. Las dispersiones hidrófobas (formadas por líquidos inmiscibles) se pueden estabilizar y forman emulsiones al añadir ciertas sustancias que impidan el agrupamiento de las partículas dispersas. La dispersión hidrófoba de mayor interés biológico es la leche, en la que la fase dispersa son los lípidos y la dispersante es el agua. Las proteínas de la leche rodean a las gotas de grasa impiden que las gotas de grasa se agrupen, estabilizándola.
Las propiedades que presentan los colides son:

Capacidad de presentarse como sol o gel.
El sol es un estado de un coloide más fluido (más diluido”) que el gel, que es más espeso (más “concentrado”) con aspecto gelatinoso o semisólido. El sol aparece cuando la fase dispersa es un sólido y la dispersante un líquido, por lo que su aspecto es más fluido. El gel aparece cuando la fase dispersa es un líquido y la dispersante es un conjunto de fibras entrelazadas entre las cuales la fase dispersa queda retenida por capilaridad e hidratación. Se puede pasar de sol a gel (gelificación) por ejemplo si se pierde agua, las partículas dispersas se unen y forman el entramado de fibras. Siempre se puede pasar de sol a gel, pero el inverso o siempre es posible.
En la célula, la parte central del citoplasma está en forma de sol (endoplasma) y la periférica en forma de gel (ectoplasma). El paso de ectoplasma a sol sirve para la formación de pseudópodos. En la célula esta transición sol a gel (y viceversa) está relacionado con la síntesis y despolimerización de proteínas fibrilares (microtúbulos) según lo necesite la célula.
Los factores que influyen en el paso de sol a gel son el pH, la cantidad de agua, la temperatura, concentración salina y la presión. La gelatina del jamón cocido es más consistente en invierno y en verano más fluida. Al cocer o freir un huevo, la clara (ovoalbúmina) se coegula de manera irreversible (pasa de sol a gel).

Otros ejemplos de geles son las mermeladas de frutas (se les añade pectinas como espesante o gelificante), queso blando, jalea, flan, mayonesa, etc. Las secreciones mucosas (mucus o moco) son disoluciones coloidales son muy importantes para mantener la humedad del aparato respiratorio, cavidad nasal, faringe, árbol bronquial, etc.


Viscosidad muy elevada



Significa que las partículas del soluto ofrecen enorme resistencia a que se desplacen entre sí. Esto se debe a que son muy grandes, sobre todo si son filamentosas. La viscosidad es mayor en los geles que en los soles.

Gran poder adsorbente



Las partículas coloidales pueden retener en su superficie átomos, iones o moléculas. Cuanto mayor sea su superficie mayor (por ejemplo cuanto más dividida esté) será la cantidad de partículas retenidas y cuanto menor sea el tamaño de la partícula mayor será la adherencia al coloide.

Presentan el efecto Tyndall



Cuando un rayo de luz les atraviesa lateralmente, tienen un aspecto opalescente (turbidez), mientras que las disoluciones verdaderas son transparentes.

No sedimentan



Al igual que las disoluciones verdaderas, son estables, es decir, las partículas del soluto o coloide no sedimentan, mientras que las suspensiones sí. Sólo si se somete a grandes fuerzas gravitatorias (ultracentrifugación a 100.000 rpm) es posible separar la fase dispersa de la dispersante por sedimentación. Esto es vital para que el citoplasma esté estable.

Se pueden purificar por diálisis



La diálisis sirve para separar de una disolución las grandes partículas coloidales de las no coloidales (cristaloides). Se utiliza una membrana que sólo deja pasar a las pequeñas y retiene a las coloidales. Una aplicación de este proceso es la hemodiálisis, en la que se elimina las sales y la urea de la sangre, pero no las proteínas.


Se pueden separar por electroforesis



Si tenemos una mezcla de varias coloides, estos se pueden separar si actúa sobre ellos una fuerza o campo eléctricos. Las partículas cargadas se desplazan hacia el electrodo de carga opuesta. Esto se utiliza para separar las proteínas del suero. Se desplazan sobre un gel de poliacrilamida o almidón.

Por tanto las diferencias entre una disolución verdadera y un coloide son que las primeras no forman geles, tienen viscosidad baja, no son adsorbentes, no sedimentan por centrifugación y sus componentes no se separan por electroforesis.

Fenómenos osmóticos



En las dispersiones o disoluciones hay tres fenómenos provocados por las diferencias de concentración salina entre el medio externo y el interno (celular en su caso). Son tres movimientos, bien del soluto o del disolvente: difusión, ósmosis y diálisis (debéis recordar los conceptos de medio isotónico, hipotónico e hipertónico)
Algunos fenómenos de este tipo son:


  • Absorción de agua si el suelo es hipotónico. Si el suelo es salino o bien a una planta se la riega con agua salada la planta muere porque pierde agua por ósmosis. Las plantas halófitas o halófilas pueden vivir en suelos muy salados porque su medio interno es hipertónico, ya que acumulan sales en vacuolas.




  • Los sueros fisiológicos deben ser isotónicos (con el citoplasma o con el plasma sanguíneo) ya de si fueran más diluidos o si se le inyectara agua destilada estallarían las células sanguíneas.




  • El beber agua del mar no sacia la sed porque provoca salida de agua de las células.




  • El “curado” del jamón se hace al cubrirlo de sal, pues provoca la pérdida del agua. En general, los salazones.



REGULACIÓN DEL pH
El pH depende de la concentraciones de H+ y de OH-.


  • Si [H+] > 10-7 M, pH< 7 y la disolución es ácida

  • Si [H+] < 10-7 M, pH > 7 y la disolución es básica

  • Si [H+] = 10-7 M, pH=7 y la disolución es ácida


La escala de pH es logarítmica. Esto significa que por cada unidad de pH que aumente, la concentraciones de protones es 10 veces menor.
En general las células necesitan un pH constante, o con variaciones mínimas, cercano a la neutralidad. Pero debido al metabolismo, el pH tiene de variar. Para evitarlo la célula dispone de los sistemas tampón o amortiguadores. Están formados por un ácido débil y una sal del mismo ácido. En la célula pueden funcionar también proteínas. Son fundamentales para que las enzimas no se desnaturalicen.
Destacan dos tampones salinos, uno extracelular (carbonato-bicarbonato) y otro intracelular (bifosfato-fosfato).
El tampón carbonato-bicarbonato es un tampón extracelular (sangre), en equilibrio químico según esta reacción:


El ácido carbónico es muy inestable y se disocia en CO2 y agua. Si la sangre aumenta su acidosis (disminuye el pH), el bicarbonato se une a los protones en exceso y se forma ácido carbónico, que se descompone en CO2 (que es expulsado por los pulmones) y agua. La ventilación pulmonar (ritmo respiratorio aumenta), esto ocurre por ejemplo cuando hacemos deporte (nuestros músculos generan mucho CO2 o cuando estamos en un lugar con poca ventilación. Es un mecanismo homeostático para mantener las constantes de nuestro medio interno.

Si aumenta el pH de la sangre, el ácido carbónico libera protones que se unen a los OH- formándose agua (neutra) y bicarbonato (neutra).

El tampón bifosfato-fosfato mantiene el pH intracelular en 7,2 de la siguiente manera, es una reacción que está en equilibrio.


Si en la célula aumentará la acidez (disminuye el pH) la reacción se desplaza a la izquierda, y si disminuyera la acidez (aumentara el pH) se desplazaría a la derecha.





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