lunes, 27 de septiembre de 2010

Disoluciones y dispersiones

Los sistemas químicos presentes en los seres vivos no están, ni mucho menos, formados por un único tipo de sustancias. Por el contrario, si algo les caracteriza es la presencia en ellos de multitud de compuestos químicos de diferente naturaleza, entre los que el agua es, evidentemente, el componente mayoritario, acompañada de iones y moléculas de pequeño tamaño muy solubles en ella, pero también de sustancias poco solubles en agua (hidrófobas) o de un tamaño molecular tan grande que no pueden mantenerse en disolución.

Como consecuencia, para comprender el comportamiento de estos sistemas químicos hay que conocer las propiedades que caracterizan a los diferentes tipos de mezclas: las disoluciones y las dispersiones.

Una disolución es una mezcla homogénea de dos o más compuestos cuya composición puede variar dentro de ciertos límites. El calificativo "homogéneo" hace referencia, en este contexto, al hecho de que las propiedades de una disolución son idénticas en toda ella, siempre que no llegemos a observarla a una escala tal que nos permita diferenciar las moléculas individuales.
En general, uno de los componentes de la disolución es más abundante que el resto, y recibe el nombre de solvente (o disolvente) mientras que los demás se denominan solutos. En los sistemas biológicos el solvente siempre es, por supuesto, el agua, por lo que se puede decir que se trata siempre de disoluciones acuosas.

Las interacciones entre los diferentes tipos de moléculas que forman la disolución provocan que ésta en su conjunto posea propiedades diferentes a las que tienen por separado las sustancias que la forman. Dichas propiedades se denominan propiedades coligativas, dependen de la concentración de la disolución, y son las siguientes:
  • Descenso de la presión de vapor: en una disolución, el agua tiene más dificultad para evaporarse que cuando se encuentra en forma pura.
  • Amento ebulloscópico: la temperatura de ebullición de la disolución es mayor que la del solvente puro.
  • Descenso crioscópico: la temperatura de fusión de la disolución es más baja que la del solvente.
En cualquier caso, la propiedad coligativa que más importancia tiene en el funcionamiento de los seres vivos es la presión osmótica.

Para definir y determinar la presión osmótica se parte de un dispositivo experimental como el que recoge la figura. En ella, se han introducido volúmenes iguales de tres disoluciones de concentración diferente en un recipiente abierto por su extremo superior, y con una membrana semipermeable en la base.  (el primero contiene solo solvente). Las membranas semipermeables se caracterizan por tenen poros de un tamaño tal que permiten el paso del disolvente, pero no el de los solutos. Los tres recipientes con disolución se introducen, a su vez, en otro que contiene agua pura. Lo que se observa es que aumenta el volumen de las disoluciones, como consecuencia de la entrada de agua en los recipientes que las contienen a través de la membrana semipermeable. El aumento del volumen del líquido se puede medir en unidades de presión, porque es necesario que  la disolución ejerza una presión que supere a la del aire para poder ascender por el tubo.

Desde el punto de vista químico, el fenómeno es una consecuencia de la ley del equilibrio químico: la igualdad de concentración a ambos lados de la membrana semipermeable solo puede conseguirse mediante el paso de agua desde la disolución menos concentrada a la más concentrada, ya que la membrana no permite el paso de los solutos.


Coloides
Un coloide es un sistema químico formado por pequeñas partículas distribuidas en un medio homogéneo.  La parte homogénea se denomina fase dispersante, y el conjunto de partículas fase dispersa. El tamaño a partir del cual una partícula no se disuelve realmente, sino que entra a formar parte de una dispersión es, aproximadamente, el que tienen muchas macromoléculas biológicas como proteínas, polisacáridos o ácidos nucleicos.

Las propiedades características de los coloides se deben a la elevada relación entre superficie y volumen de las partículas de la fase dispersa, que provoca que estos sistemas se comporten, en realidad, como sistemas heterogéneos. En una disolución verdadera existe una sola fase, sin superficie real de separación entre las moléculas de solvente y las de soluto, mientras que en un coloide cada partícula posee una superficie de separación real con la fase dispersa, que provoca fenómenos de adsorción, es decir, de retención de iones o moléculas de la fase dispersante en la superficie de las partículas dispersas.

Entre las propiedades de los coloides se pueden señalar las siguientes:
  • Propiedades ópticas: cuando un haz de luz atraviesa una dispersión coloidal, se hace visible debido a las reflexiones de la luz entre las partículas de la fase dispersa (efecto Tyndall)
  • Movimiento browniano: movimiento rápido y caótico de las partículas en la dispersión, debido a los choques con las moléculas de la fase dispersante.
  • Adsorción: gracias a su gran superficie, las partículas dispersas pueden retener adheridas a ellas iones o moléculas pequeñas. Además de su uso industrial como sistemas de eliminación de olores o como catalizadores de contacto, esta propiedad fundamenta una de las principales técnicas de separación utilizadas en bioquímica: la cromatografía de adsorción.
  • Carga eléctrica: las partículas que forman las dispersiones coloidales tienden, como se ha dicho, a adsorber iones sobre su superficie. Tales iones son de la misma carga para un mismo tipo de partículas, de modo que los agregados que se forman tienden a repelerse entre sí, contribuyendo a la estabilización del coloide. Además, el comportamiento eléctrico de los coloides constituye el fundamento de la electroforesis. Si el coloide adsorbe iones de un líquido, en particular del agua, se denomina micela.

Existen coloides obligados, que lo son porque el tamaño de sus partículas está siempre dentro del rango que produce la formación de este tipo de sistemas, pero también hay coloides facultativos, que están formados por partículas de tamaño más pequeño que las coloidales (infracoloides) que pueden agregarse para formar una dispersión, o bien por partículas supracoloidales que, en ciertas condiciones, se rompen en partículas más pequeñas para formar coloides. Un ejemplo biológico de este proceso es la digestión de los lípidos. En el intestino delgado, las sales biliares actúan rompiendo las gotas lipídicas para hacerlas más pequeñas, proceso que se denomina emulsión, y que permite aumentar la relación superficie/volumen de este tipo de sustancias, facilitando el ataque de las enzimas encargadas de digerirlas.

La estabilidad de los coloides depende, básicamente, de su afinidad por la fase dispersante. En general, los coloides que muestran gran afinidad por el dispersante se llaman liófilos, mientras que los de baja afinidad se denominan liófobos. Dado que, en general, la fase dispersante suele ser el agua, estas características se denominan habitualmente hidrofilia, en el caso de coloides con elevada afinidad por el agua, e hidrofobia, si la afinidad por el agua es baja. Los coloides hidrófilos son más estables que los hidrófobos. Además, cuando un coloide hidrófilo se desestabiliza el proceso se puede revertir, mientras que la desestabilización de los coloides hidrófobos es irreversible.

Aparte de por su afinidad por la fase dispersante, los coloides se pueden clasificar según los estados de agregación en los que se encuentren la fase dispersante y la fase dispersa. Así se tienen los siguientes tipos de coloides:


Fase
dispersa

Fase
dispersante
Gas

Líquido

Sólido

Gas



Aerosol
líquido

Aerosol
sólido

Líquido

Espuma

Emulsión

Sol

Sólido

Espuma
sólida

Gel

Sol
sólido


De los tipos anteriores, los que tienen mayor importancia biológica son las emulsiones, los geles y los soles. Las emulsiones son dispersiones de un líquido en otro inmiscible con él. Suelen ser inestables a menos que se les añada algún agente emulsionante, en general algún tipo de jabón. Los soles son dispersiones de sólidos en líquidos, y presentan propiedades características de éstos, como la plasticidad y la viscosidad, mientras que los geles tienen propiedades más parecidas a los sólidos, ya que son capaces de mantener su forma. En cualquier caso, existen diferentes fenómenos que pueden hacer que un gel se transforme en sol, o viceversa, lo que tiene importantes consecuencias biológicas.

En los seres vivos, las membranas plasmáticas se comportan como un gel, mientras que el citoplasma de las células puede variar su estado de gel a sol o viceversa, en función de las necesidades celulares, por acción del citoesqueleto. Esto permite que la célula varíe, tanto en el tiempo como en el espacio, las propiedades físicas de su interior, facilitando o dificultando el movimiento de moléculas o de orgánulos.

Los sistemas coloidales son, esencialmente, el resultado de mezclar dos elementos en principio inmiscibles por lo que, en el mejor de los casos, son sistemas "metaestables". Su estabilización se produce gracias a una adecuada combinación de factores eléctricos y estéricos, es decir, relacionados con la forma de las partículas de la fase dispersa. Los elementos que alteren las propiedades eléctricas y/o estéricas de los coloides pueden, por tanto, provocar su inestabilización. La floculación y la coagulación de los coloides consiste en la agregación de las partículas coloidales que pasan a ser "supracoloidales", inestabilizándose y terminando por sedimentar, lo que conduce a la separación de las dos fases que forman la dispersión. En los sistemas biológicos, las dispersiones coloidales formadas por proteínas pueden "coagular" por la acción de diferentes compuestos que alteran sus cargas superficiales o la forma tridimensional de la proteína, o ambos factores. La "coagulación" de las proteínas corre paralela a la pérdida de su función, en íntima relación con la pérdida de su estructura tridimensional. Factores tales como el cambio de fuerza iónica (que altera la adsorción iónica por las partículas), la temperatura o la adición de ácidos o bases producen la coagulación de las proteínas, es decir, su desnaturalización.

Fenómenos osmóticos

En los organismos vivos, las membranas biológicas se comportan como membranas semipermeables, de modo que los fenómenos osmóticos cobran una gran importancia. Las células tienen en su interior gran cantidad de solutos que no pueden atravesar las membranas (tanto la de la célula como las que separan entre sí los diferentes compartimentos intracelulares), de modo que la situación normal es que exista una diferencia de concentración entre los compartimentos separados por la membrana. Dado que muchos de los solutos no pueden atravesar las membranas, se producen a su través fenómenos osmóticos.
  • Si la concentración en el interior de la célula es mayor que en su exterior, entra agua al interior de la célula. El efecto de este fenómeno es diferente si ocurre en células animales o vegetales, debido a la presencia en éstas de la pared celular. La entrada de agua hace que se hinche el citoplasma pero, como en las células animales la única envoltura es la membrana, muy poco consistente, la célula estalla. En las células vegetales, por el contrario, la pared impide que ocurra esto, aunque el citoplasma sí que adquiere un estado de turgencia.
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  • Si la concentración de solutos en el interior de la célula es más baja que en su exterior, el agua sale del citoplasma, por lo que la célula se arruga y acaba muriendo por deshidratación. Este proceso se llama crenación cuando ocurre en las células animales y plasmolisis cuando ocurre en las vegetales.
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lunes, 13 de septiembre de 2010

El estudio sistémico de los seres vivos

Thomas Khun, uno de los principales filósofos de la ciencia del siglo XX, es el responsable de introducir el concepto de "paradigma" para referirse a un conjunto de teorías cientificas relacionadas entre sí, junto con las herramientas de investigación necesarias para desarrollar la investigación científica dentro de ese grupo de teorías. Aun sin seguir fielmente su teoría acerca del conocimiento científico, el concepto de paradigma es muy útil a la hora de explicar cómo un conjunto de teorías científicas, aplicables a diferentes áreas del saber, guardan relación entre sí y se proporcionan apoyo recíproco a la hora de explicar el mundo.

En la actualidad, se puede decir que el paradigma dominante en el conocimiento científico es la Teoría General de Sistemas, postulada por primera vez por Louis Bertalanffy para aplicar principios de la Termodinámica a los sistemas biológicos, y que se ha extendido hasta el punto de que es utilizada en Física, Química, Sociología, Pedagogía, Economía... y, cómo no, en la Biología.

Una parte del éxito de la Teoría General de Sistemas puede deberse a la sencillez de sus principios básicos. Esencialmente, la TGS define un tipo de entidades (los sistemas) que se caracterizan por estar formados por varios elementos relacionados entre sí, de modo que interactúan entre ellos. Los sistemas, además, poseen un límite que los separa de su "exterior" (mejor denominado entorno), aunque sin aislarlos de él; por el contrario, a través del límite se establece un flujo de materia y/o energía que determina la evolución del sistema a lo largo del tiempo. Las relaciones de las diferentes partes del sistema determinan su estructura, y condicionan los procesos que el sistema en su conjunto o ciertas partes del mismo (subsistema) pueden realizar, es decir, sus funciones.

Algunos sistemas poseen una estructura tal que les permite mantener sus características más o menos constantes a pesar de que se produzcan cambios en el entorno que les rodea. Estos sistemas, llamados cibernéticos por el tipo de relaciones internas que se producen en su seno, son homeostáticos. Por otra parte, ciertos sistemas presentan una estructura compleja, en varios niveles: el sistema global está formado por partes que a su vez son sistemas (subsistemas), que a su vez están formados por otros subsistemas... Esta característica se denomina recursividad.

Es fácil ver que las características atibuidas a los sistemas en general son aplicables a los seres vivos: 
  • Cualquier organismo está constituido por partes menos complejas, íntimamente relacionadas entre sí, de modo que unas influyen sobre otras. 
  • Todos los organismos están claramente delimitados por una superficie externa a través de la cual intercambian con su entorno materia y energía.
  • La organización de los seres vivos es claramente recursiva (un individuo está formado por aparatos y sistemas, a su vez formados por órganos, que están formados por tejidos, constituídos por células formadas por moléculas...).
  • Por último, una característica esencial de los seres vivos es su capacidad homeostática, que les permite mantener la constancia de sus condiciones internas aun en entornos sumamente cambiantes.
También es posible integrar la visión funcionalista de los seres vivos en este paradigma sistémico, sin más que reformular, en términos de la Teoría General de Sistemas, las tradicionales funciones vitales de nutrición, relación y reproducción:
  • La nutrición consiste, simplemente, en el intercambio regulado de materia y energía entre el sistema y su entorno. Cada tipo de organismo selecciona los materiales que necesita para mantener su propia organización, así como la energía necesaria para desarrollar los procesos que los caracterizan.
  • La relación, del mismo modo, es un flujo de información, tanto desde el exterior del sistema como desde su propio interior. Los organismos utilizan esa información para modificar y flexibilizar las relaciones entre sus componentes, de modo que el comportamiento posterior del sistema se ajusta a la información recogida.
  • La reproducción es una característica casi exclusiva de los seres vivos. Consiste en la capacidad de estos sistemas de aprovechar materia y energía para generar otros sistemas básicamente similares a ellos mismos.
La TGS era, inicialmente, una teoría orientada a explicar la Termodinámica de conjuntos de partículas que creció extendiéndose a otras áreas. Este origen ha determinado el modo en que se afronta el estudio de los sistemas, y uno de los principios básicos es que cualquier sistema está sometido, ineludiblemente, a los Principios de la Termodinámica. En este sentido, es particularmente importante considerar la relación de los sistemas con el Segundo Principio: un sistema aislado tiende a incrementar su entropía a lo largo del tiempo. Dicho de otra forma, si el sistema no capta energía de su entorno, con el paso del tiempo va perdiendo parte de su organización interna, degradándose. Ahora bien, los organismos mantienen, e incluso incrementan, su organización interna a lo largo de su vida. Para esto no tienen otra posibilidad que captar y aprovechar energía de su ambiente, desorganizándolo para mantener su propio orden interno. En esto consiste, en esencia, el metabolismo de cualquier organismo.

También podemos utilizar la TGS para desarrollar una metodología de estudio de los seres vivos. Tradicionalmente, desde la antigüedad, el estudio de entidades complejas, como los organismos, ha seguido un enfoque analítico, es decir, de descomposición del todo en sus partes constitutivas. Sin embargo, este modo de estudio era incapaz de aprehender la característica fundamental que distingue a los seres vivos de otros tipos de entidades, ese abstracto concepto que denominamos vida. Por esa razón era frecuente recurrir a inobservables como el ánima, la fuerza vital, el espíritu... La teoría general de sistemas proporciona un nuevo enfoque: frente al reduccionismo analítico (reduccionismo porque pretende reducir los objetos estudiados a otros más simples para explicarlos), la TGS propone un enfoque holístico, consistente en considerar el sistema en su totalidad, y observar que las relaciones que se establecen entre sus componentes le proporcionan propiedades que las partes no poseen, denominadas propiedades emergentes. En el caso de los seres vivos, los sistemas biológicos presentan una propiedad emergente a la que llamamos vida.

Haciendo un pequeño resumen: existe un tipo determinado de sistemas, caracterizados por una misma composición (están formados por los mismos tipos de sustancias químicas), una misma estructura (todos están constituidos por un elemento común, denominado célula) y ciertos procesos que ocurren en su interior y en sus relaciones con su entorno (las funciones de nutrición y relación) que poseen una propiedad emergente: la capacidad de mantener su organización interna a lo largo del tiempo captando del exterior los recursos que necesitan (ciertos tipos de materia y energía) y de generar sistemas similares a ellos mismos (reproducción). Esta propiedad emergente de estos sistemas es lo que denominamos vida.