18.6: agua dulce

Equilibrio del agua en bio-sistemas

 

Muchos organismos vivos viven sus vidas completamente en el agua como se muestra aquí en esta foto de un centro de trabajo que habla sobre el trabajo en biología marina. Los organismos vivos acuáticos extraen los nutrientes del agua, manteniendo un equilibrio de electrolitos y concentración de nutrientes en sus células. Para los seres vivos que no viven en el agua, extraen agua de su entorno por cualquier mecanismo que puedan. Las células de su cuerpo están rodeadas de fluidos corporales, y todas las células mantienen concentraciones constantes de electrolitos, neutrones y metabolitos. El proceso de mantener concentraciones constantes se llama homeostasis. Ciertamente, algunos mecanismos de transporte activos están involucrados en este equilibrio.

 

El enraizamiento de cada tipo de plantas es único. En términos generales, las plantas con raíces extensas pueden extraer agua en condiciones difíciles. Por otro lado, algunas plantas como cactus, jade y enebro tienen pocas raíces, pero sus hojas tienen una capa de cera que impide la evaporación del agua. Las plantas conservadoras de agua toleran corrientes de aire y sobreviven en condiciones difíciles. La imagen que se muestra aquí es una planta de jade del enlace de arriba.

 

Últimamente, algunos productores de calabaza cosecharon calabaza que pesaba casi 500 kg. En el pico de la temporada de crecimiento, la calabaza crece casi 0,5 kg por día. Eso es equivalente a 25 moles de agua recolectada por las raíces, descontando el agua evaporada a través de las hojas. El crecimiento es particularmente bueno durante un día caluroso y húmedo, pero durante un soleado y caluroso después del mediodía, la temperatura de las hojas y los frutos se calienta mucho.

 

Electrolitos esenciales para soporte vital

 

Además del agua, muchas sustancias inorgánicas o minerales son esenciales para la vida. Estas sustancias se ionizan en el agua para formar iones y sus soluciones conducen la electricidad. Por lo tanto, se llaman electrolitos . Debido a que la mayoría de estas sustancias ya están disociadas en agua natural, enumeramos los iones en lugar del mineral de donde provienen.

 

Cuando los iones se disuelven, forman complejos con moléculas de agua. Para la mayoría de los metales, la primera esfera de coordinación generalmente involucra 6 moléculas de agua. Por ejemplo, cuando el cloruro de sodio se disuelve, tenemos

 

[ ce {NaCl + 12 H2O <=> Na (H2O) 6+ + Cl (H2O) 6 ^ {-}} ]

 

[ ce {FeCl2 + 18 H2O <=> Fe (H2O) 62+ + 2 Cl (H2O) 6 ^ {-}} ]

 

La formación de complejos se debe al alto momento dipolar del agua, y la disolución puede atribuirse a la alta constante dieléctrica (80). Sin embargo, en la mayoría de las publicaciones, ignoramos las moléculas de agua en los complejos, y simplemente las consideramos como iones.

 

A continuación, describimos algunos iones o sales esenciales como electrolitos.

 

     
• Cloruro de sodio, Na ⁺ y Cl ^–
  El NaCl se disuelve fácilmente y se absorbe en el fluido extracelular. Los dos iones ayudan a equilibrar el agua, el ácido / base, la presión osmótica, el transporte de dióxido de carbono y se excretan en la orina y el sudor humanos. La falta de cloruro de sodio muestra síntomas de deshidratación.

     

• Potasio, K ⁺
  Buenas fuentes de iones de potasio son verduras, frutas, granos, carne, leche y legumbres. Se absorbe fácilmente y se transporta activamente al líquido intracelular. Su función es similar a la de los iones de sodio, pero las células prefieren los iones de potasio sobre el sodio. La falta de potasio conduce a un paro cardíaco.

     

• Calcio, Ca ²⁺
  Los iones de calcio divalentes generalmente son poco absorbidos por los humanos, pero son esenciales para los huesos, los dientes y la coagulación de la sangre. La falta de calcio dificulta el crecimiento y la osteoporosis en la vejez.

     

• Fosfatos, PO ₄ ^3-
  El fosfato de calcio es esencial para los huesos, los dientes, etc. Sin embargo, los fosfatos también son responsables de muchas reacciones vitales. ATP, NAD, FAD, etc. son intermedios metabólicos e involucran fosfato. Los fosfolípidos y las fosfoproteínas son otras especies que contienen fosfato.

     

• Magnesio, Mg ²⁺
  Los iones de magnesio son esenciales en la clorofila. Estos iones se absorben fácilmente y a veces compiten con el calcio. Los iones de magnesio y calcio están presentes en el agua dura, y este enlace alerta sobre la falta de magnesio que conduce a enfermedades cardiovasculares.

     

• Iones ferrosos o férricos, Fe ²⁺ o Fe ³⁺
  Usualmente conocidos como hierro, pero el hierro está presente como iones divalentes o trivalentes. El hierro se absorbe de acuerdo con las necesidades del cuerpo; ayudado por HCl, ácido ascórbico (vitamina C) y regulado por apoferritina. En los mamíferos, el hierro se almacena en el hígado como ferritina y hemosiderina. La deficiencia de hierro conduce a la anemia. Buenas fuentes alimenticias de hierro son hígado, carnes, yema de huevo, vegetales verdes y granos enteros.

     

• Iones de zinc, Zn ²⁺
  Los iones de zinc son ingredientes importantes para muchas enzimas. Están presentes en la insulina, la anhidrasa carbónica, la carboxipeptidasa, la deshidrogenasa láctica, la alcohol deshidrogenasa, la fosfatasa alcalina, etc.

     

• Iones de cobre, Cu ²⁺
  Los iones de cobre ayudan a la utilización del hierro, y este metal está presente en muchas enzimas.

     

• Iones de cobalto, Co ²⁺
  Los iones de cobalto son centros de vitamina B12, y su deficiencia conduce a anemia.

     

• Iones Iondine, I ^–
  Iondine es un componente de la tiroxina, que regula la oxidación celular.

     

• Iones de flúor, F ^–
  La fluoración del agua potable es a menudo un tema controvertido. Los dientes de los niños son menos susceptibles a las caries. Una vez que comenzaron a golpear sus dientes, el fluoruro en la pasta dental es suficiente.

 

 

Los eletrolitos enumerados anteriormente están presentes en cantidades significativas en el agua o en los fluidos de los organismos. Hay algunos metales presentes en cantidades muy pequeñas en los sistemas biológicos, y estos no se enumeran anteriormente.

 

Los iones metálicos también interactúan con las proteínas. Una enzima es generalmente una molécula de proteína muy grande, y se pliega en forma de riñón que encierra uno o más iones metálicos formando un complejo. El metal suele ser responsable de la actividad enzimática. El cobalto, el cobre, el hierro, el molebdenio, el níquel y el zinc tienen grupos de enzimas cada uno, y se puede encontrar más discusión en la Base de datos de los grupos protésicos e iones metálicos en sitios activos de proteínas (PROMISE). Una discusión general se llama química bioinorgánica y este sitio tiene una extensa referencia general sobre química bioinorgánica.

 

Electrolitos de equilibrio

 

     

         

             

             

             

             

         

     

     

         

             

             

             

             

         

         

             

             

             

             

         

         

             

             

             

             

         

         

             

             

             

             

         

         

             

             

             

             

         

         

             

             

             

             

         

         

             

             

             

             

         

         

             

             

             

             

         

         

             

             

             

             

         

         

             

             

             

             

         

         

             

             

             

             

         

         

             

             

             

             

         

     

 

Iones	Extracelular	Intracelular	Intersticial
Na +	140	10	150
K +	5	150	4
Ca 2+	10	4	6
Mg 2+	6	80	4
Total	161	244	164
Cl –	103	2	120
HCO3 –	30	10	30
HPO4 2-	4	177	4
SO4 2-	2	10	2
Ácido orgánico	6	5	6
Proteína	16	40	2
Total	161	244	164

 

El equilibrio electrolítico se mantiene mediante el transporte pasivo o la difusión y los mecanismos de transporte activo selectivo . El proceso de difusión tiende a hacer que la concentración sea igual en todo el fluido, pero el transporte activo o selectivo mueve los iones a un compartimento especial. Por ejemplo, el transporte activo de sodio y potasio por una enzima llamada ATPasa de sodio-potasio generalmente se conoce como bomba de sodio-potasio . Este proceso bombea iones de potasio dentro de una célula mientras elimina los iones de sodio de las células. Por lo tanto, se mantiene una alta concentración de potasio dentro de las células. Se requiere energía en el transporte activo, y el metabolismo celular proporciona la energía y los movimientos moleculares necesarios para facilitar el proceso.

 

Las hormonas son producidas por células especiales, y son responsables de la comunicación entre varias partes del cuerpo. Algunas acciones de armonía complicadas regulan la velocidad de transporte y equilibran las concentraciones de iones dependiendo de la porción del tejido y la necesidad. Esto generalmente se llama los efectos hormonales siguiendo la sugerencia de bioquímica humana .

 

El efecto Gibbs-Donnan considera el equilibrio en compartimentos separados por membranas o paredes celulares. No habrá cambio neto cuando los productos de las concentraciones de say [Na ⁺ ] ₁ , [Cl ^– ] ₁ son ​​los lo mismo para los compartimentos 1 y 2.

 

[Na +] 1 [Cl-] 1 = [Na +] 2 [Cl-] 2

 

el subíndice 1 y 2 se refieren a los dos compartimentos. Cuando no hay otros componentes presentes, tenemos

 

[Na +] 1 = [Cl-] 1 = [Na +] 2 = [Cl-] 2

 

Pero si el compartimento 2 tiene una sal de sodio con otros aniones, esta sal se ioniza para dar Na ⁺ también. La condición anterior no se mantendrá, en este caso. En otras palabras, la termodinámica será una fuerza para ajustar las concentraciones.

 

En general, los cationes deben equilibrarse con aniones. De lo contrario, se cargará la solución.

 

El agua en la biología humana

 

En humanos, el agua en el tejido y el fluido corporal es mayormente libre, pero alguna fracción puede estar limitada en bolsas de compartimentos hidrofílicos. Los fluidos corporales tienen muchos electrolitos y los nutrientes se disuelven en ellos.

 

    

         

             

             

         

         

             

             

         

         

             

             

         

         

             

             

         

     

 

Fluido intracelular	70%
Líquido intersticial (linfa)	20%
Plasma sanguíneo	7%
Luz intestinal, etc.	3%

 

Bioquímica humana por J.M. Orten y O.W. Neuhaus (1982), 10ª ed. sugiere que alrededor del 70% del peso corporal humano es agua, la mayoría se encuentra en tres compartimentos principales: 70% de líquido intracelular, 20% de líquido intersticial y 7% de plasma sanguíneo, y solo el 3% en la luz intestinal, líquido cefalorraquídeo y otros compartimentos.

 

Sin embargo, Bioquímica humana también sugiere que la sangre representa aproximadamente el 8% del peso corporal total.

 

 

    

         

             

             

         

         

             

             

             

             

         

         

             

             

             

             

         

         

             

             

             

             

         

         

             

             

             

             

         

         

             

             

             

             

         

         

             

             

         

     

 

Entrada		Salida
Beber	400 g	Piel	500 g
Bebidas	580	Aire expirado	350
Agua preformada en alimentos sólidos	720	Orina	1100
Agua metabólica	320	Heces	150
Total	2020	Total	2100
Saldo	-80 g?

 

El agua en humanos proviene de la ingestión. Además de beber agua, hay otras bebidas. Gran parte de la comida también contiene agua. Cuando los alimentos se oxidan en las células, todo el hidrógeno en los alimentos se convierte en agua, que se llama agua metabólica. El agua se excreta a través de la orina, las heces, la piel y la espiración. Aquí se muestra un balance hídrico diario típico en una tabla. El equilibrio hídrico se mantiene entre las células y los líquidos, y la producción depende de las funciones renales y de la transpiración insensible al cuerpo (el aire expirado del pulmón está saturado de vapor de agua y la evaporación de la piel).

 

Agua potable

 

El agua potable afecta la salud. Una búsqueda de Excite con la frase “agua potable” arrojó 57890 documentos. Drinking Water Resources ofrece enlaces anotados a sitios web que proporcionan información sobre el agua potable.

 

Un libro bastante reciente Chemistry of Water Treatment por S.D. Fausto y O.M. Aly, 2ª ed. (1998) [TD433 F38 1998] aborda los estándares para el agua potable en el primer Capítulo. Los estándares han cambiado con los años, a medida que entendemos mejor la ciencia.

 

El agua potable segura es una combinación adecuada de minerales y electrolitos. Por lo general, no se debe beber agua ablandada por ablandadores de agua. El uso de agua destilada para bebidas y cocinar puede no alcanzar sus objetivos establecidos. El agua dura con iones de calcio y magnesio es buena para beber.

 

Por lo general, un gobierno crea una organización sin fines de lucro para proporcionar reglas para el agua potable. Esta organización tiene una infraestructura para monitorear los sistemas de agua potable, y también llevará a cabo investigaciones para mejorar la calidad del agua potable.

 

Con respecto a la elaboración de reglas, se deben desarrollar pruebas confiables para determinar el electrolito que hemos mencionado, además de otros como iones de plomo, Pb ²⁺ , mercurio Hg ²⁺ , metilmercurio, arsénico, radioactividad, etc. Las pruebas de bacterias deben realizarse regularmente. Esta organización también debe tener un canal de comunicación para liberar mensajes relevantes.

 

La Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. Ofrece una lista de contaminantes. La lista ha sugerido límites, y divide los contaminantes en

 

     
• Substancias inorgánicas

     

• Sustancias orgánicas

     

• Radioactividad (rayos alfa y beta, radio)

     

• Microorganismos

 

 

Entre las sustancias inorgánicas, se dan límites al contenido de antimonio, arsénico, amianto, bario, berilio, cadmio, cromo, cobre, mercurio, nitrato, nitrito, selenio y talio.

 

Más de 50 compuestos orgánicos están en la lista, y algunos familiares son: acrilamida, benceno, tetracloruro de carbono, clorobenceno, 2 4 D, diclorobenceno, dioxina, bifenilos policlorados (PCB), tolueno y cloruro de vinilo. Muchos de estos tienen un límite cero.

 

En términos de microorganismos, Giardia lamblia y Legionella , están marcados. Además, se deben verificar los virus, la turbidez, los coliformes totales y la placa heterotrófica.

 

    

         

             

             

         

         

             

             

         

         

             

             

         

         

             

             

         

         

             

             

         

         

             

             

         

         

             

             

         

         

             

             

         

         

             

             

         

         

             

             

         

         

             

             

         

         

             

             

         

         

             

             

         

         

             

             

         

         

             

             

         

         

             

             

         

     

 

Contaminante	Estándar
Aluminio	0,05 a 0,2 mg / L
Cloruro	250 mg / L
Color	15 (unidades de color)
Cobre	1,0 mg / L
Corrosividad	no corrosivo
Fluoruro	2,0 mg / L
Agentes espumantes	0,5 mg / L
Hierro	0,3 mg / L
Manganeso	0,05 mg / L
Olor	Número de olor de 3 umbrales
pH	6.5-8.5
Plata	0,10 mg / L
Sulfato	250 mg / L
Total de sólidos disueltos	500 mg / L
Zinc	5 mg / L

 

El estándar secundario enumera la mayoría de los electrolitos como se muestra en esta tabla a la derecha.

 

Los Estándares de Agua Potable Secundaria son pautas no exigibles que regulan los contaminantes que pueden causar efectos cosméticos (como decoloración de la piel o los dientes) o efectos estéticos (como sabor, olor o color) en el agua potable.

 

Hay muchas marcas de agua potable embotellada, que han sido muy populares solo en los últimos años. ¿Conocemos el procedimiento de la botella? ¿Está regulada la industria? ¿Es confiable la calidad del agua? ¿Todas las botellas de agua son iguales? ¿Existe una marca de agua embotellada para una salud realmente buena? ¿Sabemos qué debería haber en el agua potable saludable? Hay una opinión expresada en Agencia de Agua Limpia de Ontario (OCWA). Echale un vistazo.

 

El sitio web de magnesio dio el siguiente comunicado de prensa el 4 de octubre de 1999. Según la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU. (1977), se han realizado más de 50 estudios, en nueve países, que han indicado una relación inversa entre la dureza del agua y la mortalidad por enfermedad cardiovascular. Es decir, las personas que beben agua con deficiencia de magnesio y calcio generalmente parecen más susceptibles a esta enfermedad. La Academia Nacional de Ciencias de EE. UU. Ha estimado que una iniciativa a nivel nacional para agregar calcio y magnesio al agua blanda podría reducir la tasa de mortalidad cardiovascular anual en 150,000 en los Estados Unidos. Este es un buen resumen del informe.

 

Bebidas deportivas

 

La charla deportiva brinda información sobre las bebidas deportivas. Esto es ciencia, arte, pruebas y mitos. Sin embargo, se deben considerar algunos fundamentos.

 

Nuestros cuerpos son principalmente agua, alrededor del 70%. El fluido corporal tiene muchas cosas diferentes disueltas, particularmente sal. la salinidad: varía un poco con el lugar donde toma la muestra de agua para medir. No te preocupes por eso). Recuerdo que la concentración es 0.5%, pero no estoy seguro. Los médicos llaman a esto “solución salina normal”.

 

Ahora, si pones una célula humana u otro animal en agua salada que tiene la misma concentración que el agua salada dentro de la célula, la célula prácticamente se queda allí. Si lo pones en agua destilada, la célula absorbe el agua a través de su membrana celular, llamada difusión, hasta que finalmente aparece. Si coloca la celda en agua salada concentrada, la celda pierde agua. El agua se difunde fuera de la célula a través de la membrana, dejando una célula pequeña y arrugada.

 

¿Qué tiene esto que ver con las bebidas deportivas? Si le das agua destilada a alguien, parece que absorbería el agua más rápido debido a lo que acabo de describir. Por otro lado, durante la sudoración, estás perdiendo sodio, potasio y pequeñas cantidades de otros electrolitos. Si hace ejercicio particularmente largo o duro, debe reemplazar esos electrolitos. Los investigadores descubrieron que agregar un poco de sal al agua reemplazó la sal perdida a través del sudor y ayudó al cuerpo a llevar agua a las células. Si mira una etiqueta en un Gatorade u otra bebida, encontrará que el electrolito principal es la sal simple. Pero si pones demasiados electrolitos en el agua, las células se arrugan como lo describí anteriormente.

 

Espero que te ayude a entender lo que sucede. Esta información sobre cómo las células se hinchan o se marchitan está en los libros de biología de la escuela secundaria, y tal vez incluso en algo que puedes encontrar en la biblioteca de tu escuela.

 

Gusto y orden de bebidas

 

El gusto y el orden son sensaciones y, por lo tanto, difíciles de cuantificar y sistematizar. A menudo, se usa la ley Weber Fechner. Esta ley expresa las sensaciones de sabor u orden S como proporcionales al logaritmo del estímulo R , con la constante proporcional K ,

 

S = K log R

 

Para algunas sustancias comunes, las cantidades mínimas detectadas por experto nariz o experto catador da la sensación como un umbral, por debajo del cual no se detectó sabor u orden.

 

Sin embargo, la sensación terrible de agua se puede informar como número de orden de umbral (TON). Si A ml de muestra olorosa se diluye con B ml de agua sin pedido para ser “simplemente detectable” en la nariz experta , la TON se define como

 

A + B
TON = ————-
A

 

Del mismo modo, un número de umbral de sabor (FTN) se puede definir de la misma manera.

 

A + B
FTN = ————-
A

 

excepto que A y B son ​​volúmenes de muestras y agua sin sabor utilizada.

 

Estas formulaciones muestran un método para definir algunas cantidades que, de lo contrario, son muy difíciles de cuantificar. Existen otros métodos para informar órdenes y gustos, y algunas compañías embotelladoras tienen sus métodos estándar de comparación.

 

Por supuesto, la fuente del orden y el sabor son los compuestos orgánicos e inorgánicos, así como las bacterias y las algas. Por ejemplo, mercaptanos como C ₂ H ₂ SH y el amoníaco ofrecen un olor y sabor desagradables.