Agua y Sales Minerales: Composición, Propiedades y Funciones Biológicas

Agua y Sales Minerales

El Agua en la Materia Viva

El agua es la molécula más abundante de la materia viva. La cantidad de agua en los seres vivos oscila entre el 20% en tejidos óseos hasta el 85% en determinadas células, como las cerebrales. El contenido de agua es superior en células embrionarias y va disminuyendo con el envejecimiento celular. 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).

Características de la Molécula de Agua

• La molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, unidos por enlaces covalentes simples que forman un ángulo de 104.5º.
• Es eléctricamente neutra, aunque sus átomos tienen diferentes valores de electronegatividad o capacidad para 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; este exceso recibe el nombre de densidad de carga. Esta 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, además, adquiere carácter polar.
• Debido a su carácter polar, las moléculas de agua pueden interaccionar entre sí mediante atracciones electrostáticas, estableciendo enlaces o puentes 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 gracias a su átomo de oxígeno. Igualmente, 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. Por ejemplo, que sea un fluido en estado líquido a temperatura ambiente, o que posea un calor de vaporización superior al que cabría esperar en moléculas covalentes con similar masa molecular. La estabilidad de los enlaces de hidrógeno disminuye al aumentar la temperatura; pero en el caso del agua, a 100 ºC todavía están presentes.

Propiedades del Agua

Las principales propiedades del agua son:

• Elevada cohesión molecular: 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. Es, además, un líquido incompresible al mantener constante su volumen aunque se apliquen fuertes presiones.
• 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 gran resistencia a ser traspasada, y origina una "película superficial" que actúa como una tensa membrana.
• 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.
• 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 en la temperatura del agua.
• Elevado calor específico: Las moléculas de agua pueden absorber gran cantidad de calor sin elevar notablemente por ellos su temperatura, ya que parte de la energía es empleada en romper los enlaces de hidrógeno.
• Elevado calor de evaporación: Cuando el agua pasa de estado líquido a estado gaseoso, necesita absorber mucho calor para romper todos los enlaces de hidrógeno. Gracias a esta propiedad, se puede eliminar gran cantidad de calor con poca pérdida de agua.
• Densidad: El agua en estado líquido es más densa que en estado sólido.
• Elevada constante dieléctrica: Esta propiedad indica la tendencia del agua a oponerse a las atracciones electrostáticas entre iones positivos y negativos. Este factor, superior al de otros disolventes líquidos, favorece la disolución en redes cristalinas.
• Bajo grado de ionización: En el agua líquida existe una pequeñísima cantidad de moléculas ionizadas (disociadas en sus iones).

Importancia Biológica del Agua

• 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, aldehídos 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; en ocasiones, además, interviene de forma activa en la reacción, como en el caso de la hidrólisis.
• Función estructural: La elevada cohesión de las moléculas permite al agua dar volumen a las células, turgencia a las plantas e incluso actuar como esqueleto hidrostático en algunos animales invertebrados. También explica las deformaciones que experimentan algunas estructuras celulares como el citoplasma.
• Función mecánica amortiguadora: El ser un líquido incompresible le permite ejercer esta función en las articulaciones de los animales vertebrados, constituyendo el líquido 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 la superficie de un ser vivo.
• Permite la vida acuática en climas fríos: Su mayor densidad en estado líquido explica 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 debajo; este hecho permite la supervivencia de muchas especies.

Sales Minerales

Son moléculas inorgánicas presentes en todos los seres vivos que se encuentran disueltas o en estado sólido (precipitadas) y que también se pueden asociar a otras moléculas orgánicas.

Sales Minerales Disueltas

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

• Los aniones más frecuentes son los cloruros, fosfatos, fosfatos monoácidos, carbonatos, bicarbonatos y nitratos.
• Los cationes más abundantes en la materia viva son el sodio, el potasio, el calcio, el hierro y el magnesio.

Funciones de las Sales en Disolución

Las sales minerales hidrosolubles a través de sus iones cumplen funciones generales como la colaboración en el mantenimiento de la homeostasis o equilibrio del medio interno. 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, en las concentraciones 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 (sustrato) 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.
• Estabilizar las dispersiones coloidales: Las sales minerales mantienen el grado de hidratación, y su disociación en iones contribuye al mantenimiento en suspensión de las partículas coloidales.
• 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.
• Regular el 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 de pH, y algunas sales minerales disueltas contribuyen a disminuir estas variaciones manteniendo el pH constante.

Disoluciones Amortiguadoras del pH

Denominadas sistemas de tampón o buffer, son disoluciones de naturaleza variada que mantienen el pH constante cuando se les añade un ácido o una base. Contienen dos especies iónicas en equilibrio. La alteración del pH del medio se contrarresta debido al desplazamiento del equilibrio entre estas dos especies. Las disoluciones amortiguadoras son imprescindibles para mantener la vida, al permitir la realización de funciones bioquímicas y fisiológicas en las diferentes estructuras de los organismos. Los tampones fisiológicos pueden ser de naturaleza orgánica como las proteínas, los aminoácidos y el tampón de la hemoglobina; o de naturaleza inorgánica como el tampón bicarbonato o el tampón fosfato. En el sistema tampón bicarbonato, las dos especies son el ion bicarbonato y el ácido carbónico, que a su vez se disocia en dióxido de carbono y agua. En el sistema tampón fosfato, las dos especies son el ion dihidrógeno fosfato y el ion monohidrógeno fosfato. El pH sanguíneo oscila entre 7,4 (sangre arterial) y 7,35 (sangre venosa). Este equilibrio se mantiene gracias a numerosas disoluciones amortiguadoras del pH, entre las que destaca por su importancia, el tampón bicarbonato.

Sales Minerales Precipitadas

Las sales minerales insolubles en la materia viva se encuentran en estado sólido. En cada organismo se forman diversos cristales de una o varias especies minerales con formas y tamaños específicos. Las sales minerales precipitadas que se encuentran en los seres vivos presentan diferencias importantes con respecto a las que se encuentran en la materia inorgánica. Se pueden asociar a macromoléculas, generalmente de tipo proteico, con las que interaccionan a través de grupos iónicos comunes y regulan el crecimiento de los cristales. Los cristales más abundantes en los organismos son de silicatos, carbonatos y fosfatos; estos últimos, de calcio y magnesio.

• Funciones: Formar estructuras de protección o sostén.
• Carbonato cálcico:
  • Forma parte de los caparazones de protozoos marinos, como los foraminíferos.
  • En animales vertebrados, endurece huesos y dientes. También constituye los otolitos, que son cristales o acúmulos de carbonato cálcico presentes en el oído interno, que permiten el mantenimiento del equilibrio.
  • Confiere rigidez a la estructura de algunas esponjas, y forma estructuras como las espinas de los erizos de mar.
  • Constituye el esqueleto externo de los corales, forma las conchas de los moluscos gasterópodos y bivalvos, e impregna el exoesqueleto de algunos artrópodos.
• Silicatos:
  • Endurecen estructuras de sostén de algunos vegetales, como las gramíneas o los equisetos.
  • Constituyen las espículas de algunas esponjas.
  • Forman parte de los caparazones de protección que presentan algunos microorganismos, como los radiolarios y las diatomeas.
• Fosfato cálcico: Forma parte de la matriz mineral que compone los tejidos óseos de los animales vertebrados.

Carácter Coloidal de la Materia Viva

La gran cantidad de agua contenida en la materia viva actúa como disolvente o fase dispersante para diversas moléculas de soluto, que constituyen la fase dispersa. En general, cuando las moléculas dispersas en un disolvente tienen diámetros inferiores a 10^-7 cm, las mezclas formadas se conocen como disoluciones verdaderas, que son mezclas homogéneas. Cuando los diámetros de las partículas son superiores y oscilan entre 10^-7 y 2 x 10^-5 cm, se forman unas mezclas heterogéneas denominadas dispersiones coloidales o simplemente coloides. En la materia viva, las disoluciones verdaderas contienen moléculas de soluto de pequeño tamaño, como azúcares, sales minerales o aminoácidos. Las partículas de soluto de las dispersiones coloidales, sin embargo, son grandes moléculas, como polisacáridos, proteínas, lípidos o ácidos nucleicos. A pesar de la elevada masa molecular de algunas de las moléculas dispersas, las dispersiones coloidales son estables y las partículas coloidales no sedimentan.

Estas dispersiones pueden, a su vez, presentar dos estados físicos:

• Sol: Un coloide en forma de sol tiene aspecto líquido, ya que las moléculas de soluto que constituyen la fase dispersa se encuentran en menor cantidad que las de la fase dispersante líquida.
• Gel: Un coloide en forma de gel tiene aspecto semisólido y gelatinoso. Las moléculas de disolvente están "atrapadas" entre las de soluto, que se entrelazan formando una red continua que actúa como fase dispersante. La red impide que el disolvente fluya, por lo que el gel se comporta como un sólido blando y fácil de deformar. Los geles de pectinas se extraen de las membranas celulares de algunas frutas; la gelatina es una proteína gelificante que se obtiene de los huesos y la piel, y el colágeno puede formar fibras que se encadenan para formar geles.

En las células, los estados de sol y gel se alternan según las variaciones de concentración de las partículas coloidales y los lugares en los que se encuentren. Las variaciones de temperatura, pH, presión o concentración aumentan la reactividad de las micelas, de tal manera que las reacciones que se producen entre ellas pueden modificar el estado de las dispersiones coloidales, pasando de sol a gel. No en todos los casos este proceso es reversible; por ejemplo, la clara de huevo (sol) se coagula por efecto del calor y no puede retornar a este estado.

Propiedades de las Dispersiones Coloidales

El medio interno celular tiene carácter coloidal, y presenta las siguientes propiedades:

• Efecto Tyndall: Las dispersiones coloidales son transparentes y claras, aunque presentan cierta turbidez cuando se iluminan de forma transversal. Este fenómeno es debido a la dispersión de la luz provocada por partículas coloidales de gran tamaño.
• Movimiento Browniano: Las partículas coloidales presentan un movimiento arbitrario y desordenado provocado por las moléculas de la fase dispersante, cuyo estado físico implica un continuo movimiento de sus componentes moleculares.
• Sedimentación: Las partículas coloidales se mantienen en suspensión, pero es posible su sedimentación (floculación) cuando se someten a un fuerte campo gravitatorio.
• Elevada viscosidad: Las dispersiones coloidales son muy viscosas porque contienen moléculas de gran tamaño; su viscosidad se incrementa a medida que aumenta la masa molecular o el número de partículas coloidales.
• Elevada adsorción: La adsorción es la capacidad de atracción que ejerce la superficie de un sólido sobre las moléculas de un líquido o un gas. El poder adsorbente de las partículas coloidales facilita la verificación de reacciones químicas.
• Diálisis: Es el proceso de separación de las moléculas que integran una dispersión coloidal en función de su tamaño a través de una membrana semipermeable. Esta membrana permite el paso de moléculas de pequeño tamaño (sales minerales, iones) y de agua, e impide el de las macromoléculas o partículas coloidales. La membrana celular actúa como una membrana de diálisis que permite el intercambio de sustancias entre el interior y el exterior celular, e impide la salida de las macromoléculas que quedan en el interior.

La Ósmosis

La ósmosis es un fenómeno en el que se produce el paso o difusión de un disolvente a través de una membrana semipermeable, como la membrana celular (permite el paso de disolventes, pero no de solutos), desde una disolución más diluida a otra más concentrada. El agua es la molécula más abundante en el interior de todos los seres vivos, y es capaz de atravesar membranas celulares que son semipermeables para penetrar en el interior celular o salir de él. Esta capacidad depende de la diferencia de concentración entre los líquidos extracelular e intracelular, determinada por la presencia de sales minerales y moléculas orgánicas disueltas. Los medios acuosos separados por membranas semipermeables pueden tener diferentes concentraciones, y se denominan:

• Hipertónicos: los que tienen una elevada concentración de solutos con respecto a otros en los que la concentración es inferior.
• Hipotónicos: los que contienen una concentración de solutos baja con respecto a otros que la tienen superior.

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, esta presión se denomina presión osmótica. Como consecuencia del proceso osmótico se puede alcanzar el equilibrio, igualándose las concentraciones; entonces, los medios serán isotónicos.

Comportamiento de las Células en Medios de Distinta Concentración

Cuando el medio externo celular es hipertónico con respecto al medio interno, sale de la célula agua por ósmosis, entonces:

• Disminuye el volumen celular.
• Aumenta la presión osmótica en el interior celular.
• En el caso de las células vegetales, esto provoca la rotura de la célula o plasmólisis, al desprenderse la membrana plasmática de la pared celular.

Cuando el medio externo celular es hipotónico con respecto al medio interno, se produce entrada de agua hacia el interior celular, ocasionando:

• Aumento del volumen celular.
• Disminución de la presión osmótica en el interior.
• En el caso de las células animales puede producirse estallido celular o hemólisis. En células bacterianas y vegetales que presentan paredes rígidas, se produce turgencia celular.

Cuando el contenido celular es isotónico con respecto al medio externo, no se produce intercambio de agua entre ambos lados de la membrana.

Osmorregulación

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

Seres Vivos Unicelulares

Los más primitivos, los procariotas, presentan una pared celular que los protege y evita que estallen cuando el medio exterior es hipotónico; los protozoos carecen de envolturas rígidas. Los que viven en agua dulce (medio hipotónico con respecto a su medio interno) ingresan grandes cantidades de agua. El estallido celular lo evitan mediante vacuolas pulsátiles que continuamente vierten hacia el exterior el exceso de agua acumulado en el interior de la célula.

Vegetales

Los organismos vegetales, que habitualmente viven en medios hipotónicos con respecto al medio interno de sus células, absorben agua por las raíces. La entrada de agua en las células provoca un grado de turgencia que facilita el crecimiento de las plantas. En el caso de vivir en medios hipertónicos, los vegetales expulsan agua y se marchitan. La apertura y cierre de los estomas permite regular la eliminación de agua. Las plantas halófitas, que viven en medios hipertónicos con alto contenido en sales, logran sobrevivir absorbiendo gran cantidad de estas sales hasta alcanzar una concentración en su medio interno, ligeramente superior a la del exterior. Es en esas condiciones cuando es posible la absorción de agua, imprescindible para su proceso vital.

Animales Pluricelulares

Presentan un medio interno que puede considerarse una prolongación del medio externo, con el que sus células han de mantener el equilibrio osmótico. Todos consiguen, mediante diversos mecanismos, mantener en su interior la cantidad de agua suficiente y necesaria para vivir.

• Los peces de agua dulce viven en medios hipotónicos y absorben gran cantidad de agua, eliminando una orina muy diluida por la que expulsan el máximo líquido con la mínima pérdida de sales.
• Los peces marinos, al vivir en un medio hipertónico, deben contrarrestar la constante entrada de sales minerales; eliminan orina bastante concentrada o hipertónica y, además, expulsan el exceso de sales por las branquias.
• Los reptiles y las aves logran evitar la desecación disminuyendo la cantidad de agua excretada, eliminando los productos de desecho en forma de ácido úrico.
• Los mamíferos mantienen constantemente el equilibrio hídrico a través de diversos mecanismos fisiológicos:
  • Riñones: Los glomérulos renales absorben gran cantidad de agua al filtrar continuamente la sangre, pero a través de los túbulos contorneados y del asa de Henle se reabsorbe prácticamente toda el agua y una cantidad variable de sales. La eliminación, tanto de agua como de sales, en la orina depende de las cantidades ingeridas.
  • Intestino grueso: La absorción de agua y sales a través de la mucosa intestinal origina la formación de heces más sólidas y más salinas a medida que se incrementan las pérdidas de agua. Esto ocurre, por ejemplo, en lugares con climas muy cálidos.
  • Piel: A través de la piel se eliminan cantidades variables de agua y sales en forma de sudor. En las zonas desérticas, el sudor es menos concentrado que en las zonas más templadas, y como el volumen excretado para regular la temperatura es muy elevado, es imprescindible el aporte exógeno de agua y sales.