Ósmosis y osmolaridad - explicación y cuadros de cada concepto PDF

Preview

Summary

explicación y cuadros de cada concepto...

Description

CENTRO UNIVERSITARIO DEL SUR División de Ciencias de la Salud Departamento de Ciencias Básicas para la Salud

Apuntes de Clase Por: M. en C. Adrián Larios Escalante

Mecanismos de transporte pasivo: Ósmosis y Osmolaridad. Llamamos transporte celular al movimiento constante de sustancias en ambas direcciones, a través de la membrana. Es el mecanismo mediante el cual, entran a la célula los materiales que se necesitan mientras salen los materiales de desecho y las secreciones celulares. El transporte celular puede ser activo o pasivo. El transporte activo es el movimiento de materiales a través de la membrana, usando energía metabólica proveniente del trifosfato de adenosina (ATP). El transporte pasivo es el movimiento de sustancias a través de la membrana celular que no requiere energía metabólica celular. El transporte pasivo depende de la energía cinética de las partículas de la materia. Los átomos, los iones y las moléculas de todas las sustancias están en continuo movimiento. Las partículas de los líquidos y los gases se mueven de un sitio a otro al azar. Van en línea recta hasta que chocan con otras partículas y cambian de dirección. El movimiento al azar de las moléculas de líquidos y gases es responsable del proceso llamado difusión. La difusión es el movimiento de átomos, moléculas o iones de una región de mayor concentración a una región de menor concentración. Un gradiente de concentración es una medida de la diferencia en la concentración de una sustancia en dos regiones. La velocidad de difusión va a depender del tamaño del gradiente de concentración. Por ejemplo, a mayor gradiente de concentración, mayor será la velocidad de la difusión desde la región de mayor concentración hasta la región de menor concentración. Algunas sustancias, incluyendo el 1

oxígeno y el bióxido de carbono, pasan a través de los poros de la membrana celular por difusión simple obedeciendo a su gradiente de concentración. Generalmente, las moléculas de oxígeno están altamente concentradas fuera de la célula, mientras que el bióxido de carbono está más concentrado en el interior. El oxígeno se difunde hacia adentro de la célula y el bióxido de carbono hacia fuera. El agua puede pasar a través de la membrana celular. El paso de agua por una membrana relativamente permeable se llama ósmosis (del griego empujar). La ósmosis puede definirse como el paso de un solvente puro, a través de una membrana semipermeable (permeable al solvente, pero no a los solutos), desde una solución de menor concentración de solutos (mayor concentración de agu a) hacia una de mayor concentración de solutos (menor concentración de agua). De manera que la ósmosis es un tipo especial de transporte pasivo que permite el paso del agua. Te recomiendo analizar el siguiente video: https://youtu.be/QIeWF60yb5Y ¿Cómo podemos comparar la concentración de agua en dos regiones? La concentración de agua se determina por la cantidad de material disuelto en ella. La concentración del agua se considera alta si el material disuelto en ella es poco. Por ejemplo, si una solución contiene 1 g de sal en 1000 g de agua, la concentración de agua es alta. Si una solución contiene 100 g de sal en 1000 g de agua, la concentración de agua es menor que en la primera solución. En la figura No. 1 se presenta una demostración de la ósmosis. El embudo de cristal está lleno de una solución de agua con azúcar (A). En la parte ancha del embudo, se colocó una membrana semipermeable que permite el paso de agua, pero no del azúcar. En un vaso con agua se ha colocado el embudo con la parte ancha hacia abajo. En este momento, ¿dónde es Figura 1. La ósmosis es el flujo neto de agua, desde un lugar de mayor concentración de agua, a otro de menor concentración de agua.

2

mayor la concentración de agua, en el vaso o en el embudo? El número total de

moléculas de agua por mililitro es mayor en el vaso que en el embudo. Por lo tanto, hay un gradiente de concentración para el agua. El agua está más concentrada en el vaso. En el dibujo marcado con la letra B, el agua comienza a moverse, por ósmosis, hacia el embudo. A pesar de que el agua pasa a través de la membrana, las moléculas de azúcar (que son más grandes) no pueden pasar en la dirección opuesta. A medida que continúa la ósmosis, el agua con azúcar sube en el embudo y se diluye más la solución. Después de un rato, la concentración de agua en el embudo es casi igual a la concentración del agua en el vaso. En los organismos vivientes, el agua entra a la célula y sale de ella por ósmosis. Ahora vamos a ver la importancia de la ósmosis en la vida diaria, para ello es importante saber calcular la molaridad y la osmolaridad de las soluciones que bañan a nuestras células. Por ejemplo, en la práctica clínica es común el uso de las soluciones salinas fisiológicas (SSF) para canalizar e hidratar a los pacientes hospitalizados. La SSF más utilizada es la solución de NaCl al 0.9%. Vamos a calcular primero la molaridad y posteriormente la osmolaridad de dicha solución. Molaridad y Osmolaridad. Antes de iniciar, debes recordar que una solución química está compuesta por el soluto y el solvente. El soluto es la sustancia que se disuelve y el solvente la que lo disuelve. La molaridad se define como el número de moles o milimoles de soluto por litro de solución. Y 1 mol es igual al peso molecular de una sustancia expresada en gramos. De tal forma que, para obtener el equivalente en moles de una sustancia debemos conocer primero la masa atómica (peso) de sus componentes. Hagamos un ejemplo: ¿A cuántos gramos equivale un mol de Cloruro de Sodio (NaCl)? Necesitas consultar la tabla periódica de los elementos, el sodio (Na +) tiene una masa atómica de 23, y el cloro (Cl-) de 35; si sumamos las dos masas, 23+35=58; por lo tanto, un mol de NaCl es igual a 58 gramos, porque los moles se expresan en gramos, y tenemos solo un átomo de Na+ y otro átomo de Cl-. (Para los ejercicios que practicaremos en esta sección y en las sucesivas, debes redondear las cifras de la siguiente forma: se redondea al entero inmediato superior (sube), cuando el primer decimal es mayor o igual a 3

0.6, como en el caso del Na+ (22.9=23). Se redondea al entero inmediato inferior (baja), cuando el primer decimal es menor o igual a 0.5, como en el caso del Cl - (35.4=35). Entonces queda claro que si pesamos 58 g de NaCl, esta cantidad sería igual a 1 mol de NaCl. Si ahora esos 58 g (o 1 mol) los diluimos en un litro de agua, como resultado tenemos que hay 1 mol/litro; es decir, tenemos una solución 1.0 Molar ( M) de NaCl (recuerda cómo se define la molaridad). Si necesitamos preparar una solución 2 Molar de NaCl, entonces debemos pesar 116 g de NaCl y diluirlos en un litro de agua. Pero si queremos una solución 0.5 Molar, entonces diluimos en un litro de agua sólo 29 g de NaCl. Ahora contestemos la siguiente pregunta: ¿A cuántos gramos equivale un mol de Cloruro de Calcio? La fórmula del cloruro de calcio es CaCl 2; si observas bien, esta molécula está formada por tres átomos: un átomo de calcio y dos átomos de cloro, y los tres cuentan para el peso de la molécula. Si consultas la tabla periódica y aplicas lo que hemos visto hasta este momento, te darás cuenta que la respuesta a la pregunta es que un mol de CaCl2 equivale a 110 g. Si esta cantidad de soluto lo diluyes en un litro de agua, tendrás una solución 1.0 Molar de CaCl 2. De la misma forma, si en un litro de agua disolvemos 1 mol de glucosa (180 g), tendremos una solución 1.0 M de glucosa. Como ejercicio, para comprobar el dato anterior, consulta la tabla periódica para que obtengas el equivalente al mol de glucosa, a partir de que ya conoces su fórmula condensada (C6H12O6). La molaridad de una solución cualquiera se obtiene al dividir los gramos de soluto/litro, entre el peso molecular del soluto.

Por ejemplo, en la SSF de NaCl al 0.9%, significa que existen 0.9 g de NaCl por cada 100 ml de solución. Si queremos calcular la molaridad (gramos/litro) de esta solución, entonces calculamos, mediante una regla de tres, los gramos de NaCl que existirán por litro de solución: Ecuación 1) 0.9 g NaCl ---- 100 ml X

----- 1000 ml

El resultado es que existen 9.0 g/L de solución. 4

Por otra parte, recuerda que 1 mol de NaCl es igual a 58 g; es decir, 58.0 g/mol. Por lo tanto, la molaridad de la solución del NaCl al 0.9%, será de 9 g/L divididos entre 58 g/mol, igual a 0.155 mol/Litro (se recomienda utilizar siempre los tres dígitos después del punto decimal, pues la cantidad de moles al ser mínima, en algunos casos si redondeas puede ser casi cero). Realiza la regla de tres y comprueba el resultado. Ecuación 2) 58.0 g ----- 1 mol 9.0 g -----

X

Antes de continuar, a manera de práctica, realiza en tu cuaderno los siguientes ejercicios. Calcula la molaridad de las siguientes soluciones: 1.- Solución de NaCl al 0.5%. ______________ mol/L 2.- Solución de CaCl2 al 0.7% ______________ mol/L 3.- Solución de Glucosa al 3.0 %. ___________ mol/L Ahora vamos a ver como se calcula la osmolaridad de una solución. La osmolaridad se define como el número de partículas osmóticamente activas en una solución, expresada en osmoles o milosmoles por litro (Osm/L ó mOsm/L respectivamente); y 1 osmol es igual a 1 mol de la sustancia, multiplicado por el número de partículas en que se disocia. Así, un mol de glucosa es igual 1 osmol; porque la glucosa en solución no se disocia; es decir, una molécula de glucosa en agua, seguirá siendo una sola partícula osmóticamente activa. Por otra parte, las sales como el NaCl cuando se disuelven en agua se disocian; es decir, la molécula se separa en sus dos componentes (a diferencia de la glucosa), y origina dos partículas osmóticamente activas, una de Na+ y otro de Cl -; por lo tanto, por cada molécula de NaCl se producen 2 partículas capaces de generar ósmosis. Por eso para este caso: 1 mol de NaCl es igual a 2 osmol; y 1 mol de CaCl 2 será igual a 3 osmol. En resumen, si disolvemos un mol de glucosa (180 g) en un litro de agua (1 mol/L), las moléculas de glucosa no se disocian; es decir, cada molécula de glucosa se comportará como 1 partícula osmóticamente activa, y la concentración de la solución también será de 1 osm/L. En cambio, el NaCl sí se disocia cuando se disuelve en agua. Si 5

colocamos un mol de NaCl (58 g) en un litro de agua; por cada molécula de NaCl disuelta se generarán 2 partículas osmóticamente activas (una de Na + y otra de Cl -); es decir, 1 mol/L de NaCl en solución será igual a 2 osmol/L. ¿Y cuál será la situación para el cloruro de calcio (CaCl2)? Estarás de acuerdo que para este caso , 1 mol/L de CaCl 2 en solución será igual a 3 osmol/L. Continuamos utilizando el ejemplo del NaCl. Si ya conocemos la molaridad del NaCl al 0.9% (es de 0.155 mol/Litro, ver ecuación 2), se puede calcular fácilmente la osmolaridad de dicha solución (recuerda que 1 osmol es igual a 1 mol de la sustancia, multiplicado por el número de partículas en que se disocia). Como cada molécula de NaCl se disocia en 2, entonces para este caso 1 mol es igual 2 osmol; por lo tanto la osmolaridad del NaCl al 0.9% se obtiene con solo multiplicar por 2 la molaridad; es decir, 0.155 mol/L X 2, ó 0.310 Osm/L. Ecuación 3) 0.155 mol/Litro X 2 = Osm/L

Realiza en tu cuaderno los siguientes ejercicios. Ya tienes el cálculo de la molaridad de estas soluciones, ahora calcula su osmolaridad: 1.- Solución de NaCl al 0.5%.

__________X______ = _________ Osm/L

2.- Solución de CaCl2 al 0.7%

__________X______ = _________ Osm/L

3.- Solución de Glucosa al 3.0 %. __________X______ = _________ Osm/L La osmolaridad de las células se mide en miliosmoles por litro (mOsm/L), y sabemos que un osmol contiene 1000 miliosmoles, simplemente convertiremos los osmoles obtenidos a miliomoles (mOsm), de la siguiente manera: Ecuación 4) 1 Osm ----- 1000 mOsm 0.310 Osm -----

X

El resultado será de 310 mOsm/L.

6

Sin embargo, este cálculo es aproximado, porque los iones Na + y Cl- no se comportan de manera completamente independiente en una solución, debido a la atracción iónica que existe entre ellos; es decir, no todas las moléculas están disociadas al 100 por ciento. Existe un factor de corrección, el coeficiente osmótico, que se aplica para ajustar esta desviación. Para el NaCl el coeficiente osmótico es cercano a 0.93, esto significa que en solución el 93% de las moléculas de NaCl se encuentran disociadas (dos partículas por molécula), el resto (7.0%) pueden estar unidas, constituyendo una sola partícula por molécula. Por lo tanto, la osmolaridad real de una solución de NaCl al 0.9% se obtiene al introducir este factor de corrección, que es igual a multiplicar la osmolaridad por 0.93; es decir: 310 mOsm/L x 0.93. Ecuación 5) 0.310 Osm X 0.93

Finalizamos este ejercicio, mediante el cual comprobamos química y matemáticamente que la osmolaridad de la solución salina fisiológica de NaCl al 0.9% es de 288 mOsm/L. Por razones prácticas, comúnmente no se aplican los coeficientes osmóticos de diferentes solutos al momento de determinar la osmolaridad de las soluciones, a no ser que se nos indique lo contrario. Realiza en tu cuaderno los siguientes ejercicios. Ya tienes la osmolaridad de la soluciones, sólo obtén los miliosmoles/Litro de ellas. 1.- Solución de NaCl al 0.5%. (Aplica factor de corrección)

________ mOsm/L

2.- Solución de CaCl2 al 0.7% (No aplica factor de corrección)

________ mOsm/L

3.- Solución de Glucosa al 3.0 % (No aplica factor de corrección) ________ mOsm/L

Otra SSF que se utiliza comúnmente en la práctica clínica es el suero glucosado, que es una solución de glucosa al 5%. Aplicaremos los procedimientos químico-matemáticos aprendidos para calcular la osmolaridad de dicha solución. Aclarando que la glucosa no es una sal y por lo tanto, no se disocia.

7

Para iniciar vamos a obtener la molaridad. Si tenemos una solución de glucosa al 5%, quiere decir que existen 5 g de glucosa por cada 100 ml, ¿cuántos gramos estarán presentes en un litro de solución? Ecuación 1) 5.0 g glucosa ---- 100 ml ----- 1000 ml

X

El resultado es que existen 50.0 g/L de solución.

Como 1 mol de glucosa es igual a 180 g; es decir, 180.0 g/mol. Por lo tanto, la molaridad de la solución del glucosa al 5.0%, será de 50 g/L divididos entre 180 g/mol, igual a 0.277 mol/Litro. Realiza la regla de tres y comprueba el resultado. Ecuación 2) 180.0 g ----- 1 mol 50.0 g -----

X

Ahora calcula la osmolaridad de esta solución, recuerda que 1 mol de glucosa es igual 1 osmol; porque la glucosa en solución no se disocia. Ecuación 3) 0.277 mol/Litro X 1 = Osm/L

La osmolaridad de las células se mide en miliosmoles por litro (mOsm/L), y sabemos que un osmol contiene 1000 miliosmoles, simplemente convertiremos los osmoles obtenidos a miliomoles (mOsm), de la siguiente manera: Ecuación 4) 1 Osm ----- 1000 mOsm 0.277Osm -----

X

El resultado final será de 277 mOsm/L.

Con esto se termina este ejercicio, comprobamos química y matemáticamente que la osmolaridad de la solución salina fisiológica de glucosa al 5.0% es de 277 mOsm/L. 8

A continuación clasificaremos por concentración y tonicidad, las soluciones que estudiamos previamente. Soluciones isosmóticas, hiposmóticas e hiperosmóticas.

Una

solución isosmótica

es aquella

en

la

que

la

concentración de solutos (sustancias) dentro de la célula es igual a la concentración de solutos fuera de la célula. En la figura No. 2 se representa esta situación, se puede ver que entre los compartimientos “A” y “B” existe una membrana semipermeable, que permite solo el paso del agua pero no del soluto (indicado por las diminutas circunferencias). Se aprecia que en ambos compartimientos, existe la misma concentración tanto de partículas de soluto como de agua (las 7 partículas de soluto a cada lado, representan 280±8 mOsm/L).

El

plasma es el líquido de la sangre que baña a nuestras células y es una solución isosmótica, ya que su osmolaridad es de

Figura 2. Una solución isosmótica contiene la misma concentración de solutos en ambos lados de la membrana.

280±8 miliosmoles/litro, siendo la misma para las células que baña. Esto puede verse en representado en la imagen, vamos a considerar que el compartimiento “A” representa al plasma, y el compartimiento “B” es la célula bañada por él, se puede ver que la osmolaridad de ambos compartimientos es la misma. Como consecuencia, cuando la concentración a ambos lados de la membrana celular es igual, el agua se moverá hacia ambos lados a la misma velocidad (indicado por la flecha en ambos sentidos en la figura). Es muy importante, cuando se administra una sustancia medicamentosa por vía parenteral y, principalmente por vía endovenosa, que esta se halle en una concentración tal que sea isosmótica con respecto a la del plasma sanguíneo. Por otra parte, una solución es hiposmótica si la 9

Figura 3. Una solución hiposmótica contiene una menor concentración de solutos (A), en relación con otra solución (B).

concentración de solutos disueltos en el agua que baña a la célula, es menor que la concentración en la célula. Observa la figura No. 3, puede verse que el compartimiento “B” sigue manteniendo la concentración original de agua y solutos, pero no ocurre lo mismo con el compartimiento “A”. La concentración de solutos en A es; por lo tanto, más baja (comparada con la del compartimiento B), porque tiene una mayor concentración de agua; por consiguiente, la solución de A es hiposmótica, comparada con la de B. En este sistema, por ósmosis el agua comenzará a moverse siguiendo su gradiente de concentración, desde un lugar de mayor concentración de agua (menor concentración de solutos) al otro de menor concentración de agua (mayor concentración de solutos), por lo tanto el agua se moverá desde el compartimiento A (para concentrar la solución en A) hacia el B (para diluir la concentración en B), hasta que alcance su equilibrio de concentración. Finalmente, una solución es hiperosmótica si la concentración de solutos disueltos en el agua que está fuera de la célula, es mayor que la que se encuentra dentro de la célula.

Observa

ahora

la

figura

4,

verás

que

el

compartimiento “B” no ha modificado su composición, pero si ha cambiado la del compartimiento “A”. La concentración de solutos en A es ahora mayor (comparada con la de B), por eso la solución en A es hiperosmótica, comparada con la de B. En este tipo de soluciones el agua se moverá hacia fuera de la célula por ósmosis. En este sistema, por ósmosis el agua comenzará a moverse siguiendo su gradiente de concentración, desde un lugar de mayor concentración de agua (menor concentración de solutos) al otro de menor

Figura 4. Una solución hiperosmótica contiene una mayor concentración de solutos (A), en relación con otra solución (B).

concentración de agua (mayor concentración de solutos). En resumen, por ósmosis el agua sigue al soluto. Los términos isotónico, hipotónico e hipertónico se refieren al efecto que las distintas soluciones (isosmótica, hiposmótica e hiperosmótica) tienen para generar un cambio sobre el volumen celular (si las células se hinchan o se encogen), y la tonicidad de la solución depende de la concentración de los solutos no difusibles. 10

Para complementar estos conceptos te recomiendo que veas los siguientes videos: https://youtu.be/PNuocj-0rXM https://www.youtube.com/watch?v=n7rz_OUD7po Para concluir… repasa, sigue y aplica todos los procedimientos explicados anteriormente, para que en tu cuaderno contestes los ejercicios siguientes: Calcula la osmolaridad de las siguientes soluciones: 1.- Solución de NaCl al 0.7% (aplica el factor de corrección).

2.- Sol. de glucosa al 20.0 % (recuerda que ...