Biología - Biomoléculas y bioelementos

SISTEMAS COLOIDALES

-La importancia de este breve repaso a las disoluciones coloidales se debe al hecho de que el 90% de la materia viva se encuentra en estado coloidal (macromolecular), siendo el agua el medio en que están dispersas las partículas de tamaño coloidal (macromoléculas).

-Las disoluciones verdaderas (sistemas dispersos) son dispersiones en un líquido de un sólido de bajo peso molecular (osas, AA, sales, etc.). En estos casos hay una mezcla íntima y total de las partículas con el agua, y se dice que las partículas son hidrófilas.

Las partículas (moléculas) se llaman hidrófobas cuando no se mezclan de manera íntima con el agua; no consiguen lograr una dispersión por ser insolubles.

-Las disoluciones coloidales son aquellas que tienen partículas dispersas con un tamaño comprendido entre 1nm y 100nm, y son difusibles a través de membranas permeables. 

(1nm = 10^-9 m = 1milimicra).

-Las partículas coloidales pueden ser de dos clases:

a)Micelas: son agrupaciones de muchas pequeñas moléculas que se aglutinan mediante uniones débiles (coloide micelar).

b)Macromoléculas: moléculas de 0´2-1 milimicra o más (coloide macromolecular).

Las partículas coloidales muestran una elevada capacidad de adsorción, favoreciendo la atracción entre moléculas que han de reaccionar en los procesos celulares (ejemplo: unión enzima-sustrato).

Las moléculas coloidales, por otro lado, se mueven continuamente, impulsadas por el movimiento browniano del agua. Este movimiento aumenta la probabilidad de encuentro entre las moléculas reaccionantes.

-Por otro lado, hay tres fenómenos ligados al movimiento de las partículas disueltas en el agua, y son los siguientes:

1)Difusión:

Proceso por el cual ciertas moléculas tienden a repartirse homogéneamente en los medios fluidos.

Puede ocurrir también a través de las membranas plasmáticas, permitiendo, por ejemplo, el intercambio de gases entre el exterior y el interior de una célula.

2)Diálisis:

Se realiza a través de una membrana semipermeable cuyo tamaño de poro permite el paso de pequeñas moléculas y, con ello, la separación de las macromoléculas.

La membrana celular actúa así selectivamente al impedir la salida de las partículas coloidales más grandes (proeínas, polisacáridos, enzimas, etc.) y permitir, sin embargo, el intercambio de sales y solutos de pequeño tamaño.

3)Osmosis:

Ya hemos hablado de ello, y se diferencia de los procesos anteriores en que es el disolvente (agua), exclusivamente, el que atraviesa la membrana semipermeable para igualar concentraciones.

-Los coloides pueden presentar dos estados:

1)Estado de sol:

Es el estado coloidal propiamente dicho, donde las partículas del coloide están libres.

Se presenta de forma fluida, de modo que las partículas, al dispersarse por el medio (agua), forman un sistema con características de verdaderas disoluciones; es decir, son coloides diluidos (plasma sanguíneo) y ofrecen un aspecto claramente líquido.

2)Estado de gel:

Es el caso de un coloide que ha perdido agua y las partículas floculan, es decir, se aglomeran formando redes que tratan de aprisionar al agua que queda.

Presentan un aspecto gelatinoso: son coloides concentrados (masa cerebral, tegumentos).

-El cambio de un estado a otro es reversible, en principio, y está condicionado por factores ambientales del medio (pH, temperatura, concentración de sales). Es decir, las condicones del medio determinan el que un coloide sea sol o gel.

En general puede ocurrir:

a)Que un sol pase a gel (gelificación o floculación):

Por la simple adición de electrolitos, por aumento de la temperatura, por pérdida de agua o por un brusco cambio de pH.

En este caso, las partículas tienden a coalescer, es decir, a formar acervos (agregados).

Si la variación de estos factores ambientales es muy persistente o sobrepasa ciertos límites se produce un fenómeno de coagulación, que ya es irreversible; en este caso se habla de desnaturalización del coloide (caso de gelificación extrema).

b)Que un gel pase a sol, por la pérdida de electrolitos, por descenso de la temperatura o por adición de agua.

SISTEMAS COLOIDALES

Características Generales En la naturaleza no abundan las sustancias puras. La mayor parte de las sustancias que manejamos son mezclas, algunas de las cuales denominamos disoluciones. Cuando hablamos de disoluciones nos referimos a sistemas de más de un componente en los que distinguimos un disolvente (normalmente el componente en mayor proporción) y uno o varios solutos. Las disoluciones son sistemas termodinámicamente estables, es decir, sistemas que se encuentran en un estado energético menor que el de los componentes por separado. Además, en la mayor parte de los casos el soluto está constituido por moléculas normales, cuyo tamaño suele ser inferior a1nm. Si bien los solutos macromoleculares, como proteínas, polisacáridos, polímeros sintéticos, etc., pueden formar también disoluciones verdaderas, estos sistemas, sin embargo, presentan comportamientos específicos que les confieren ciertas particularidades, lo que hace que más bien se les considere como un tipo especial de sistemas dispersos o sistemas coloidales. Los Sistemas Coloidales son sistemas de, al menos, dos fases, una de ellas finamente dividida en pequeñas partículas (fase dispersa, fase discontinua) a las que rodea completamente la otra sustancia (fase dispersante, medio de dispersión, fase continua).  La cuestión fundamental en todo esto es: ¿qué significa finamente dividida? Resulta, como se verá, que estos sistemas  presentan propiedades claramente de carácter coloidal cuando las dimensiones de la fase dispersa se encuentran en el margen de 1nm a 1000nm(1µm),  es decir entre la millonésima y la mil millonésima parte de metro. Naturalmente estos límites no son estrictos, ya que en algunos casos el tamaño es mayor (emulsiones, lodos, etc), pero dan una medida bastante ajustada del tamaño. Lo que es importante es que no es necesario que el tamaño coloidal (menorde1µm) lo tengan las tres dimensiones de la partícula, ya que comportamiento coloidal puede observarse en sistemas con una sola de las dimensiones en este margen. La palabra coloide fue acuñada por Graham (1805-1869) en 1861 y se deriva de la palabra griega cola (κoλλα): untuoso, ya que se basa en la propiedad de que las dispersiones de este tipo de sustancias no pasan los filtros habituales. Una subdivisión de los coloides los clasifica en liófobos y liófilos (delgriego λιoς, disolver, desatar),- que si el medio de dispersión es agua (como ocurre en la mayor parte de los casos) se les dice hidrófobos e hidrófilos –dependiendo de si la partícula interacciona repulsiva o atractivamente con el medio dispersante. Como ejemplos familiares de coloides podemos citar los siguientes: nieblas, humos, smog, que son dispersiones de finas partículas en un medio de dispersión gaseoso, o aerosoles; leche, una dispersión de finas gotas de grasa en agua, o emulsión; pinturas, lodos, dispersiones de finas partículas sólidas en un medio líquido (aceite o agua), o soles o suspensiones coloidales; gelatinas, dispersiones de macromoléculas en líquido, o geles; ópalo, rubí, vidrios coloreados (medievales, sobretodo), que son dispersiones de partículas de sílice en una matriz sólida, o dispersiones de oro en vidrio, son dispersiones sólidas; las llamadas emulsiones fotográficas  son dispersiones de haluros de plata en un gel, es decir, son coloides en un coloide. Como coloides de asociación se conocen los agregados que se forman a partir de moléculas de jabón (sales de ácidos grasos de cadena larga) o de detergentes, llamadas, en general, sustancias tenso activas. Los agregados reciben el nombre de micelas. Las disoluciones de sustancias tenso activas pueden, por agitación, incorporar aire (gas) atrapado en forma de burbujas, lo cual constituye otra forma de coloides, las espumas. En este caso es una sola dimensión, el espesor de las películas que separan las burbujas, la que cae en el margen de tamaños coloidales. Algunas sustancias que tienen una estructura molecular rígida pueden formar estructuras muy organizadas que se conocen con el nombre de cristales líquidos. Cuando la sustancia dispersa adopta formas fibrosas (hilos, cabellos, filamentos, flagelos, etc) el comportamiento es también de tipo coloidal. En este caso son dos de las tres dimensiones, las que entran en el margen de tamaños coloidales. Estos ejemplos ilustrativos pueden ser calificados de sistemas coloidales simples, en los que puede hacerse una clara distinción entre las fase dispersa y el medio de dispersión. Hay, sin embargo, otra familia de coloides más complejos, los Sistemas coloidales reticulares, en los que esta distinción es prácticamente imposible, ya que ambas fases están constituidas por redes entrelazadas. Sólidos porosos, vidrios compuestos, muchos geles y cremas, son de este tipo. Haya demás otros coloides complejos, tal como los denominados Coloides múltiples, en los que pueden coexistir tres fases o más, en las que una suele ser el medio de dispersión y las otras son fases dispersas finamente divididas. Un ejemplo puede ser un sólido poroso impregnado de un vapor condensado en equilibrio con el líquido, estando ambos, líquido y vapor, finamente  divididos (rocas bituminosas). De la misma manera puede hablarse de Emulsiones múltiples en las que hay gotas de agua dispersadas en gotas de aceite que a su vez están dispersadas en agua. De interés especial dentro de los coloides múltiples son los denominados Biocoloides: Sangre, tejido óseo, tejido muscular, cartílago, etc. De forma genérica, según la naturaleza de la fase dispersa y del medio de dispersión, los distintos tipos de Sistemas Coloidales se exponen de modo sintético en la Tabla siguiente: Fase----------> sólida líquida gaseosa medio dispersor -- -- -- sólido Vidrio, Cerámica y roca Terrenos húmedos, Tejidos blandos estructurados por células. Materiales porosos, Adsorbentes, pan. líquido Soles Geles Emulsiones Espumas Líquidos hirviendo gaseoso Aerosol humos Aerosol Nieblas Atmósfera Algunos Usos Industriales de los Coloides Las dispersiones coloidales encuentran usos en numerosas áreas científicas e industriales. En ambos ámbitos se aprovecha la estabilidad de los sistemas coloidales con el fin de mejorar e incluso encontrar nuevas aplicaciones de determinados materiales, por lo que el estudio de la estabilidad o inestabilidad de los coloides cobra una importancia fundamental. Algunas de las áreas industriales en las que regularmente pueden encontrarse sustancias en estado coloidal se señalan a continuación: Productos químicos: Pinturas, pigmentos, adhesivos, agentes espesantes, lubricantes, catalizadores, adsorbentes, emulsiones fotográficas, papel, tintas de impresión, industria de los productos del petróleo etc. Industria farmacéutica: Emulsiones, microemulsiones, cremas, ungüentos, materiales absorbentes, etc. Materiales: Metalurgia, enriquecimiento de minerales, aleaciones, cerámicas, cementos, fibras, plásticos, alquitrán y materiales bituminosos, etc. Suelos: Estabilización de suelos, permeabilidad, adsorción, procesos de intercambio iónico, etc. Medio ambiente: Contaminación atmosférica, aerosoles, espumas,  purificación  de aguas, lodos, pesticidas, etc. Productos de consumo doméstico: Leche, mantequilla y de más productos lácteos, bebidas, cosméticos, agentes de limpieza, aditivos alimentarios, etc. Algunos sistemas coloidales específicos cuya importancia práctica es reseñable: Sílica gel: Pueden prepararse fácilmente diferentes tipos de dispersiones coloidales de sílice a partir de silicato sódico (arena cristalina) y disoluciones acuosas de ácido clorhídrico. Se utilizan ampliamente como agentes espesantes en pinturas, productos farmacéuticos y en otros tipos de dispersiones, tanto acuosas como no acuosas. Óxidos e hidróxidos: El óxido de titanio, TiO2, es el pigmento blanco de uso más extendido. Los óxidos e hidróxidos de aluminio se utilizan en abrasivos, pastas dentífricas, papel, como relleno en materiales plásticos y en pinturas. Algunos pigmentos de óxido de hierro se emplean en las cintas magnéticas y en la fabricación de ferritas, de uso en las memorias de las computadoras. Sulfuros: Los sulfuros de diversos cationes metálicos, tal como Ni, Co, Cd, etc., pueden presentarse en forma coloidal. El azufre coloidal producido en los procesos de extracción de azufre encuentra usos en vulcanización y como fungicida en viticultura y fruticultura. Clasificación de los Coloides Coloides orgánicos e inorgánicos: de acuerdo a su composición química, los coloides se pueden clasificar en orgánicos e inorgánicos; a su vez estos se subdividen en: metales, no-metales, soles de óxidos y sales coloidales, para los inorgánicos; y en soles homopolares, hidroxisoles y soles heteropolares. Coloides esféricos y laminares: de acuerdo a la forma de la partícula que los formas, los coloides se clasifican principalmente en coloides esféricos y coloides lineales. Los coloides esféricos tienen partículas globulares mas o menos compactas, mientras que los coloides lineales poseen unidades largas y fibrosas. La forma de las partículas coloidales influye en su comportamiento aunque sólo puede determinarse de manera aproximada, en la mayoría de los casos puede ser muy compleja. Como primera aproximación se puede reducir a formas relativamente sencillas, como la esfera que además representa muchos casos reales. Es la forma que adquieren las partículas esencialmente fluidas, como las gotitas de un líquido dispersas en otro para formar una emulsión. Las dispersiones de plásticos y caucho en agua (látex), así como en muchos negros de carbono son casi esféricas, al igual que en ciertos virus. Si la forma se desvía de la esférica, podemos considerar como modelos los elipsoides de revolución, como en muchas proteínas. Los elipsoides pueden ser oblatos (discos) o prolatos (forma de cigarro puro). Si la partícula se aplana mucho, se asemejará a un disco caracterizado por su radio y espesor. Si se alarga mucho, tomará la forma de una barra de longitud y radio dados. Si las partículas se aplanan y alargan, su forma será de tablillas o cintas. Cuando se alargan mucho en comparación con las otras dos dimensiones, se forma un filamento (polietileno y caucho). Coloides moleculares y micelares: también se pueden estudiar los coloides de acuerdo al tamaño de sus partículas como coloides moleculares y coloides micelares, a su vez estos coloides pueden ser orgánicos o inorgánicos, o fibrosos o laminares. Las partículas de los coloides moleculares son macromoléculas sencillas y su estructura es esencialmente la misma que la de estructura de pequeñas moléculas, los átomos están unidos por ligaduras químicas verdaderas, a estos coloides moleculares se los llama coloides verdaderos. A este grupo de coloides moleculares pertenece la mayoría de los coloides orgánicos de nitrocelulosa, almidón, cloruro de polivinilo, caucho. Los esferocoloides también pueden ser moleculares. La estructura de los coloides micelares es distinta, las partículas de estos no son moléculas, sino conglomerados de muchas moléculas pequeñas o grupos de átomos que son mantenidos juntos por valencias secundarias o por fuerzas de cohesión o de van der. Walls. Muchos coloides inorgánicos, emulsiones, jabones y detergentes, forman coloides micelares. Estas sustancias pueden formar soluciones verdaderas o de tipo coloidal, dependiendo de las condiciones. En general una micela es menos estable que una macromolécula. Coloides liofóbicos y liofílicos: las partículas de muchos coloides contienen grupos de átomos los cuales se disocian en iones, estos grupos ionizantes hacen que la partícula este eléctricamente cargada. Las partículas pueden también cargarse por adsorción de iones de la solución; esta carga eléctrica es uno de los factores de estabilidad, ya que las partículas cargadas positivamente se repelen entre sí, al igual que, por ejemplo, en un sol negativamente cargado, su estabilidad se debe a la repulsión electrostática. Otro importante factor de estabilidad es la solvatación (la adsorción de un líquido sobre la superficie de las partículas), debido a esta, las partículas están mas o menos completamente rodeadas por una capa de moléculas del líquido y se supone que esta capa puede prevenir la aglomeración de partículas. La solvatación depende de la afinidad del solvente por los átomos y grupos de átomos que forman la superficie de las partículas. De acuerdo a Perrin y Feundlich, los coloides pueden ser separados en liofóbicos y liofílicos Liofóbico significa “no gustar de o temer a un líquido”; en los soles liofóbicos no hay afinidad entre las partículas y el solvente, la estabilidad de estos depende principalmente de la carga de las partículas. Si el agua es el solvente, se utiliza el nombre hidrófobo. Este tipo de coloides se caracteriza por presentar: baja estabilidad hacia la floculación por electrolitos, su visibilidad en el microscopio es buena y presentan una muy pequeña presión osmótica. Algunos ejemplos de estos coloides son: Au, Ag, AgCl, y algunas emulsiones. Liofílico significa “gustar de un líquido”, en este tipo de coloides hay interacción entre las partículas y el solvente. Este tipo de soles es mucho más estable que los soles liofóbicos. Para el caso de los soles en agua se utilizara el término hidrofílico. Este tipo de coloides se caracteriza por presentar: alta estabilidad hacia la floculación por electrolitos, su visibilidad en el microscopio es mala y presentan una considerable presión osmótica. Algunos ejemplos de estos coloides son: albúmina, glicógeno, hule y ácido silícico. La mayoría de los coloides inorgánicos son hidrofóbicos, mientras que la mayoría de los coloides orgánicos son liofílicos. CLASIFICACION Y NATURALEZA DE LOS SISTEMAS COLOIDALES Como ya se ha explicado un coloide es una dispersión de pequeñas partículas en un medio continuo, las cuales cumplen con ciertas características fundamentales:  Capacidad para dispersar la luz.  Aparente ausencia de presión osmótica.  Apariencia nebulosa (turbia). Sus partículas no se sedimentan fácilmente. Se forman y aparecen en diferentes estados de agregación. Debido a estas características, se pensó en un principio que estas partículas serían moléculas mucho más grandes que las pequeñas y sencillas (como las del agua o el alcohol y sales simples como el NaCl). Incluso se pensó que eran agregados de muchas moléculas pequeñas unidas en una especie de estado amorfo diferente de los estados cristalinos comunes de otrassustancias.  Hoy se conoce que muchos de estos “agregados”. Son, de hecho, moléculas únicas con una masa molecular muy grande.  Los límites de tamaño son difíciles de especificar, pero puede decirse que si las partículas dispersas tienen un diámetro aproximado entre  y  , se considera que se trata de una dispersión coloidal.  Existen diferentes combinaciones entre sólidos, líquidos y gases que pueden formar coloides, con excepción de las mezclas de gases que no reaccionan (pues forman soluciones verdaderas). El que una mezcla dada forme una solución, una dispersión coloidal, o una suspensión, depende del tamaño de las partículas dispersas, de su miscibilidad y solubilidad.  En la figura 22, se observa un esquema de la composición básica de un sistema coloidal. Figura 22. Esquema de la composición de un coloide Figura: www.ffyb.uba.ar/fisicoqca/Cursada/T2006/21%2006-10-2006.ppt - En la tabla 4 se presenta un resumen de algunos tipos de coloides con sus ejemplos.  Tabla 4: Tipos de coloides y ejemplos Fase Dispersa Medio Dispersante Nombre Común Ejemplos Sólido Sólido “Solución Sólida” Hule reforzado, Porcelana, plásticos pigmentados Líquido Sólido Emulsión Sólida o Gel  Queso, mantequilla, jaleas, gelatina Gas Sólido Espuma Sólida  Esponja, espuma, piedra pómez Sólido Líquido Sol Pudines, Leche de magnesia, pintura, lodo Líquido Líquido Emulsión Leche, mayonesa, aderezo para ensalada, cremas Gas Líquido Espuma Crema batida, espuma de la cerveza, espuma de rasurar Sólido Gas Aerosol Sólido Humo, virus que se transporta por el aire  Líquido Gas Aerosol Líquido Humedad, niebla, nubes Fuente: Maron & Prutton. (2002). Fundamentos de Fisicoquímica. México. Limusa S.A. Hay otra manera de clasificar los sistemas coloidales, esto es, de acuerdo con la relación existente entre la fase dispersa y el medio dispersante; así se tienen tres tipos de coloides:  Coloides liofílicos, o coloides que atraen al solvente (también llamados geles). Coloides liofóbicos, o coloides que repelen al solvente (también llamados soles).  Coloides anfifílicos, o coloides de asociación; poseen propiedades tensoactivas. A bajas concentraciones se encuentra disuelto en el medio. 27.1. DISPERSIONES MACROMOLECULARES El comportamiento característico descrito para los coloides, se ha demostrado en la actualidad, que lo presentan todas las partículas cuyo tamaño oscila entre 100Å y 10.000 Å.  Una ojeada más concreta en el mundo químico, permite encontrar partículas propias de este ámbito de tamaños que tienen enorme interés e importancia y que no están referenciadas propiamente como coloides. Esta rama más específica procede de la existencia de sustancias cuyas moléculas son suficientemente grandes, para que las moléculas por si mismas tengan dimensiones coloidales. A la vista del destacado interés que en la actualidad tienen, dentro de estos sistemas formados por macromoléculas, se deben considerar los polímeros sintéticos y las macromoléculas que existen en los cuerpos naturales. El interés más destacado entre las sustancias naturales macromoleculares se centra ahora en las proteínas y en los ácidos nucleicos. Aunque también se deben incluir los polisacáridos y el poliisopreno, siendo este último el que forma las moléculas del caucho natural. En la tabla 5 se reseñan alguna de estas macromoléculas con sus ejemplos.  Tabla 5: Tipos de Macromoléculas y ejemplos CLASES EJEMPLOS Macromoléculas Sintéticas Polímeros de adición Polietileno Polímeros de condensación Nylon Macromoléculas Naturales Proteínas Fibrosas Queratina, Seda, Lana Proteínas Globulares Hemoglobina Ácidos nucleicos Ácido desoxiribonucléico (DNA) Polisacáridos Celulosa Poliisopreno Caucho natural Fuente:  Además de los sistemas dispersos referenciados y de las macromoléculas presentadas aquí, se deben mencionar también los grupos de tamaño coloidal que se conocen con el nombre de micelas, estudiadas a continuación. 27.2. MICELAS Cuando moléculas que tienen ambas terminaciones, hidrofílica e hidrofóbica (por ejemplo, el estearato de sodio), son dispersadas en un medio adecuado (por ejemplo, agua), ellas se asocian o se agregan en racimos hasta formar partículas de tamaño coloidal, llamadas micelas.  Una micela es una partícula de tamaño coloidal formada por la asociación de moléculas que poseen en su estructura una terminación hidrofílica y otra hidrofóbica, tal como la sal metálica del ácido esteárico (); la cual, a bajas concentraciones, es un jabón ya que tiene la siguiente configuración: Terminación hidrofóbica Terminación hidrofílica La micela formada por moléculas de estearato de sodio en agua contiene probablemente de 50 a 100 iones estearato individuales. La micela es aproximadamente esférica y las cadenas hidrocarbonadas se encuentran en el interior dejando los grupos polares CCO- en la parte exterior, la cual está en contacto con el agua, y los grupos polares sobre la superficie externa estabilizan la micela en la solución acuosa. Como la micela tiene tamaño coloidal y posee una carga eléctrica, se dice que es unión coloidal. Debido a esta última característica, la micela enlaza gran número de iones positivos a su superficie como iones de carga contraria, lo que reduce considerablemente su carga.  La formación de micelas reduce bruscamente la conductividad y la presión osmótica de las dispersiones coloidales.  La acción limpiadora del jabón ocurre debido a que las moléculas de aceites o grasas pueden ser encapsuladas en los centros hidrofóbicos de las micelas, las cuales, por su exterior hidrófilo, son lavadas con agua.