TEMA 2: L'aigua i les sals minerals (1)
APUNTS del tema (en forma PDF). Aquests apunts són un poc antics i no contenen tota la informació que teniu a la pàgina web.
Principals continguts del tema
- * Importància de l'aigua per a la vida
* Estructura molecular de l'aigua
* L'aigua, una molècula polar
* La polaritat de l'aigua és la responsable de l'aparició d'unes propietats anòmales que són les que fan de l'aigua unamolècula indispensable per a la vida
* Propietats de l'aigua i la seua relació amb les seues funcions biològiques
* L'aigua, dissolvent universal
* Ionització de l'aigua. Concepte de pH
* Les sals minerals. Formes en que apareixen als éssers vius
* Funcions de les sals minerals als organismes vius
* Concepte d'osmosi. Importància de la regulació osmòtica
* Importància de la regulació del pH cel·lular. Sistemes tamponsEnllaços interessants per consultar
- Web de José Luís Sánchez Guillen. Tema de l'aigua Castellà
- Portal de biologia de Lourdes Lluengo. Tema de bioelements, aigua i sals (Conté altres enllaços)Castellà
- Animacions de John Kirk: L'aigua i pH Castellà
- Més animacions al voltant de l'aigua Anglés
- Curso de biomoléculas (CSIC i Universitat País Vasco):3 apartats: Aigua, pH, amortidors Castellà
- El proyecto Biológico. Universitat d'Arizona. L'aigua, àcids i bases Castellà
- Altra animació sobre la dissolució del NaCl Anglés
- Quin és el pH d'algunes substàncies? Joc Anglés
- Animació sobre el sistema tampó acetat-acèticAnglés
- Animació sobre l'equilibri del pH amb tampons Anglés
- Animacions BIOMODEL Castellà
- Formació d'enllaços d'hidrogen Castellà
- Sistemes tampó Castellà
- Exercicis d'autoavaluació
Articles recomanat per llegir
Índex del tema
1. L'aigua
1.1. Contingut hídric dels éssers vius.
1.2. Estructura de l'aigua.
1.3. Propietats i funcions biològiques de l'aigua
2. Les sals minerals
1. L'aigua
L'aigua és el component més abundant de la matèria viva, cosa gens estranya ja que cobreix les 2/3 parts de la superfície del planeta. Es presenta en els tres estats: líquida (mars, aigua subterrània, llacs i rius), sòlida (glaceres) i en forma de vapor d'aigua (atmosfera).Tot i la seua abundància, l'aigua no és un compost químic corrent. L’aigua és una molècula simple i extranya, que podem considerar com el líquid de la vida. És una molècula amb un comportament molt particular que la fan diferent a la majoria dels líquids i, encara que sembla un líquid inert, manifesta una gran reaccionabilitat; les seues anòmales propietats físiques i químiques són les responsables de la seua importància biològica.Cal recordar per últim que la vida va sorgir al si de l'aigua i que totes les cèl·lules necessiten un ambient aquós per poder viure. Durant l’evolució de la vida, els organismes s’han adaptat a l’ambient aquós i han desenvolupat sistemes que els permeten aprofitar les inusitades propietats de l’aigua.
1.1. Contingut d'aigua dels éssers vius
L'aigua constitueix entre el 65 i el 95% del pes de la majoria dels éssers vius. Aquesta proporció depén de tres factors:
+ Tipus d'organisme : medusa: 98% , algues: 95% , fongs: 80% , cos humà: 63%
+ Classe d'òrgan o teixit : així, dins del cos humà, la proporció d'aigua pot variar des del cervell: 90% , músculs: 77% , ossos: 22% fins a la dentina de les dents:10%
+ Edat de l'organisme: embrió; 94% , nounat: 69% , adult: 63%
Hi ha una relació directa entre contingut hídric i activitat fisiològica dels diferents òrgans. El contingut en aigua d'un organisme està en contínua renovació (ja heu estudiat en cursos anterior les formes que tenen els organismes de inxorporar o perdre aigua). Una pèrdua d'un 10% pot suposar la mort de l'organisme. Alguns organismes senzills (bacteris i protozous) i també els vegetals poden reduir-ne el seu contingut sense morir, tot entrant en un estat de vida latent (espores, llavors). Amb la rehidratació retorna l'activitat fisiològica.
L'aigua es troba en la matèria viva en tres formes:
- Aigua circulant: Sang, limfa, saba
- Aigua intersticial, situada en l'exterior cel·lular, com en el teixit conjuntiu
- Aigua intracel·lular: citoplasma, interior dels orgànuls
2- Estructura de l'aigua.
De la mateixa manera que la configuració electrònica del carboni va ser responsable de la seua idoneïtat per formar part dels compostos orgànics i va justificar la seua selecció com a element fonamental de la matèria viva, l’estructura de la molècula de l’aigua és la responsable de les propietats fisico-químiques anòmales que presenta aquesta molècula i també determinen la seua funció biològica i justifiquen la importància en l'aparició i el manteniment de la vida sobre la Terra.
La molècula d'aigua està composta per un àtom d'oxigen unit covalentment amb dos àtoms d'hidrogen. La disposició tetraèdrica dels orbitals sp3 de l'oxigen determina un angle entre els enllaços H-O-H de 104,5º; a més, l'àtom d'oxigen és més electronegatiu que el d'hidrogen i atrau amb més força els electrons compartits de cada enllaç covalent. Tot això fa que aquesta molècula, tot i restar neutra, tinga un caràcter polar, com a conseqüència de la distribució asimètrica dels electrons compartits, atesa la diferent electronegativitat de l'àtom d'oxigen i hidrogen; al voltant de l'oxigen hi ha una densitat de càrrega elèctrica negativa d- (deguda a la densitat electrònica), mentre que els nuclis d'hidrogen resten nus, desproveïts parcialment dels seus electrons i manifesten, per tant, una densitat de càrrega positiva d+.
L’aigua és un dipol (esquerra) Estructura de la molècula d’aigua (dreta)
Aquest marcat caràcter dipolar que presenten les molècules d'aigua farà que interaccionen entre sí i amb altres molecules polars mitjanjant enllaços (ponts) d'hidrogen, un tipus d'enllaç feble. Tot i ser enllaços molt febles, el fet que al voltant de cada molècula d'aigua hi haja quatre molècules unides per ponts d'hidrogen permet l'establiment d'una estructura de tipus reticular, responsable del seu comportament anormal i de la peculiarietat de les seues propietats.
ANIMACIONS sobre la formació de pont d’hidrogen entre molècules d’aigua, entreu en aquest enllaç. Possiblement necessitareu instal·lar Shockwave (programa gratuït d'Adobe)
Una animació sobre els ponts d'hidrogen a tota pantalla
Tots sabem que l'aigua té un punt d'ebullició molt elevat (100ºC, a 1 atmosfera de pressió). El comportament del H2O és força diferent del de la resta d'hidrurs formats amb els elements del grup VI de la Tabla Periòdica: Si extrapolem les dades de la gràfica de la figura inferior (línia de punts de color roig) , l'aigua hauria de bollir a -80ºC! Aquest comportament tan diferent és degut al gran número de ponts de hidrogen que formen les seues molèculas.
1.3. Propietats de l'aigua. Funcions biològiques
1.3.1. L'aigua com a dissolvent
L'aigua és el líquid que més substàncies dissol, i per això se li ha donat el qualificatiu de dissolvent universal. Aquesta acció dissolvent consisteix en la dispersió d'un solut (sòlid) en una fase dispersant (dissolvent) i és deguda a la seua capacitat per formar ponts d'hidrogen amb altres substàncies polars (grups -OH d'alcohols i sucres , grups -NH2 d'aminoàcids , proteïnes i àcids nucleics, etc) ja que aquests es dissolen quan interaccionen amb les molècules polars de l'aigua. Les molècules d’aigua també poden dissoldre substàncies salines que es dissocien i formen dissolucions salines. En aquest cas els ions de les sals són atrets pols dipols d’aigua, tot quedant "atrapats" i recoberts de molècules d’aigua en forma d’ions hidratats o solvatats. (veure aquesta animació)
Tipus de solucions aquoses
Hi ha tres tipus de substàncies si considerem el seu comportament respecte amb l'aigua:
* Polars (hidròfiles) : hi són solubles
** Composts iònics; atracció ions amb l'aigua
** Composts no iònics ; atracció entre els grups funcionals polars i l'aigua mitjançant ponts d'hidrogen.
* Substàncies no polars (hidròfobes). Hi són insolubles. Tenen tendència a unir-se entre elles tot excloent l'aigua. Formen emulsions (definitives o transitòries). Ex: oli.
* Substàncies amfipàtiques: es tracta de molècules que posseeixen en la seua estructura grups polars i no polars. Se solubilitzen mitjançant la formació de micel·les o bicapes lipídiques. Ex: àcids grassos , fosfolípids.
La capacitat dissolvent és responsable de dues importants funcions que té l'aigua als éssers
vius:
* És el medi on es donen la majoria de les reaccions del metabolisme.
* L'entrada de nutrients i l'eliminació de productes de rebuig es realitzen a través de sistemes de transport aquosos (sang, saba de les plantes) on es dissolen prèviament.
1.3.2 - Elevada força de cohesió entre les seues molècules
És provocada pels ponts d'hidrogen existents entre elles, cosa que la transforma en un líquid prou incomprensible. D'aquesta manera l'aigua actua com a esquelet hidrostàtic d'alguns invertebrats o comunica rigidesa i turgència a les plantes
1.3.3- Elevada força d'adhesió.
Aquesta força també està relacionada amb els ponts d'hidrogen que s'estableixen entre les molècules d'aigua i altres molècules i és responsable , juntament amb la cohesió de l'anomenat fenomen de capil·laritat , que pot explicar l'ascensió de la saba pels vasos llenyosos de les plantes.
Quan s’introdueix un capil·lar en un recipient amb aigua, aquesta ascén pel el capil·lar com si grimpés agarrant-se per les parets, fins assolir un nivell superior al del recipient.
1.3.4- Gran calor específica.
S'anomena calor específica la quantitat d'energia necessària per aconseguir elevar la temperatura d'un gran d'aigua pura 1 ºC. L'aigua pot absorbir grans quantitats de calor , mentre que, proporcionalment, la seua temperatura s'eleva únicament lleugerament. De la mateixa manera , la seua temperatura baixa amb més lentitud que la d'altres líquids a mesura que va perdent energia en refredar-se. Gràcies a aquesta propietat , l'aigua actua com un regulador tèrmic dels éssers vius . Aquesta propietat està relacionada amb l’existència de ponts d’hidrogen. Part del calor que absorbix l’aigua és utilitzat per trencar els ponts d’hidrogen, fet que provoca que l’augment de temperatura siga molt lent.
1.3.5- Elevada calor de vaporització
A 20ºC es necessiten 540 cal per evaporar un gran d'aigua, fet que ens dóna idea del'energia necessària per trencar els ponts d'hidrogen i , posteriorment , per donar a les molècules la suficient energia cinètica perquè abandonen la fase líquida i passen a l'estat de vapor. Per evaporar l’aigua , cal primer trencar els ponts i posteriorment dotar les molècules de la suficient energia cinètica per passar de la fase líquida a la gasosa
Quan s'evapora l'aigua disminueix la temperatura del cos , cosa que constitueix un mètode eficaç als vertebrats per dissipar calor per sudoració o també altres processos de refrigeració a les plants (evapotranspiració a nivell dels estomes)
1.3.6- Aigua líquida imaigua sòlida
L'aigua es manté líquida en un ampli interval de temperatures (0ºC-100ºC). Quan es refreda contrau el seu volum , com és normal; però quan arriba als 4ºC la contració s'atura i es dilata fins a transformar-se en gel , menys dens que l'aigua. Aquesta anormalitat permet que que la vida continue desenvolupant-se a les masses d'aigua (rius , mars , llacs) cobertes de gel
Funcions de l’aigua
Les funcions de l’aigua es relacionen íntimament amb les propietats anteriorment esmentades. Es poden resumir en els punts següents:
1. Soport o medi on tenen lloc les reaccions metabòliques
2. Amortidor tèrmic
3. Transport de substàncies.
4. Lubricant, amortidora del fregament entre òrgans
5. Afavoreix la circulació i la turgència
6. Dóna flexibilitat i elasticitat als teixits
7. Pot intervenir com a reactiu en reaccions del metabolisme, aportant hidrogenions o hidroxils al medi.
Ionització de l’aigua. Dissociació de l’aigua
http://www.ehu.es/biomoleculas/agua/agua.htm#pq2
Dues molècules d'aigua es poden ionitzar gràcies a forces d'atracció per ponts d'hidrogen que es formen entre elles: Un ió hidrogen (H+) d'una molècula es dissocia del seu àtom d'oxigen al qual es troba unit covalentment i passa a unir-se amb l'àtom d'oxigen d'altra molècula, amb la qual mantenia contacte mitjançant l'enllaç d'hidrogen. Per això, l'aigua no és un líquid químicament pur, ja que
conté alguns ions H+ i OH-. es pot considerar una barreja de:* aigua molecular (H2O )
* protons hidratats (H3O+ )
* ions hidroxil (OH-)
En realitat aquesta dissociació és molt feble en l’aigua pura, i així el producte iònic de l’aigua a 25º és:
Aquest producte iònic és constant. Com que en l’aigua pura la concentració d’hidrogenions i d’hidroxils és la mateixa, significa que la concentració d’hidrogeniones és de 1 x 10-7. Per a simplificar els càlculs Sorensen ideà expresar aquestes concentracions mitjançant logaritmes,i definí el pH com el logaritme canviat de signe de la concentració d’hidrogenions.
pH = - log 10 (H+)
Segons això tenim:
* dissolució neutra pH = 7
* dissolució àcida pH < 7
* dissolució bàsica pH > 7
A la figura s’assenyala el pH de algunes solucions. En general cal dir que la vida es desenvolupa a valors de pH pròxims a la neutralitat
