La difusión es el movimiento neto de moléculas o partículas desde una región de mayor concentración hacia otra de menor concentración, impulsado por su propia energía cinética y sin gasto de ATP. La ósmosis es el movimiento neto de agua a través de una membrana semipermeable desde una zona de baja concentración de solutos hacia otra de mayor concentración de solutos.
Ambos procesos son formas de transporte pasivo y resultan fundamentales para explicar el movimiento de iones, agua y otras sustancias a través de la membrana celular. En la difusión se desplazan principalmente los solutos; en la ósmosis se desplaza el disolvente, que en los sistemas biológicos suele ser el agua.
Importancia del agua y del transporte celular
Debido a sus características fisicoquímicas, el agua se considera como el disolvente universal. En los sistemas biológicos, esta premisa es importante ya que el agua corresponde al principal componente. En el varón adulto promedio, el agua constituye del 50 al 70 % de la masa o peso corporal total (PCT).
Dicho porcentaje se puede dividir en líquido intracelular (LIC = 40% del PCT) y líquido extracelular (LEC = 20 % del PCT), subdividida a su vez en agua plasmática (5% del PCT) y agua intersticial (15% de PCT), esto se puede observar en la figura 1. Los hombres tienen aproximadamente 60% de agua en el organismo, mientras que las mujeres tienen un menor porcentaje rondando el 55%.
De esta cantidad de agua, 2/3 corresponderán a LIC y 1/3 a LEC, del cual el 80% se encontrará en el líquido intersticial y 20% en el plasma. El contenido de agua y solutos en estos compartimentos no es estático, cambian debido a su movimiento por los procesos de difusión (solutos) y ósmosis (solvente).
El transporte de solutos se clasifica en pasivo si no requiere energía metabólica o activo si requiere la hidrólisis de ATP. La difusión simple y facilitada son ejemplos de transporte pasivo; mientras que, el transporte activo se divide en primario o secundario.
| Tipo de transporte | Uso de energía metabólica | Dirección general | Participación de proteínas |
|---|---|---|---|
| Difusión simple | No requiere ATP | A favor del gradiente de concentración | No requiere proteínas transportadoras |
| Difusión facilitada | No requiere ATP | A favor del gradiente de concentración | Requiere proteínas transmembranales |
| Ósmosis | No requiere ATP | El agua se desplaza hacia la zona con mayor concentración de solutos | Se produce a través de una membrana semipermeable |
| Transporte activo | Requiere energía metabólica | Puede producirse en contra del gradiente | Utiliza proteínas especializadas |
Estructura de la membrana celular
Todas las células tienen una barrera a su alrededor que las separa del ambiente y de otras células. Esta barrera se llama membrana plasmática, o membrana celular. La función de la membrana plasmática es controlar lo que entra y sale de la célula.
La membrana plasmática está compuesta por una doble capa de lípidos especiales, conocidos como fosfolípidos. El fosfolípido es una molécula lipídica con una cabeza hidrofílica (“amante del agua”) y dos colas hidrofóbicas (“que odian el agua”).
Debido a la naturaleza hidrofílica e hidrofóbica del fosfolípido, la molécula debe estar dispuesta en un patrón específico ya que solo ciertas partes de la molécula pueden estar físicamente en contacto con el agua. Recuerde que hay agua fuera de la célula, y el citoplasma dentro de la célula es principalmente agua también.
Entonces los fosfolípidos están dispuestos en una doble capa (una bicapa) para mantener a la célula separada de su entorno. Los lípidos no se mezclan con el agua (recordemos que el aceite es un lípido), por lo que la bicapa fosfolipídica de la membrana celular actúa como barrera, manteniendo el agua fuera de la célula y manteniendo el citoplasma dentro de la célula.
La membrana celular permite que la célula permanezca estructuralmente intacta en su entorno a base de agua. La mitad de la bicapa es un área sin agua. Puede haber agua a ambos lados de la bicapa. Hay muchas proteínas en toda la membrana.
La membrana plasmática es semipermeable, lo que significa que algunas cosas pueden ingresar a la célula, y otras no. Las moléculas que no pueden pasar fácilmente a través de la bicapa incluyen iones y pequeñas moléculas hidrófilas, como la glucosa, y macromoléculas, incluyendo proteínas y ARN.
Ejemplos de moléculas que pueden difundirse fácilmente a través de la membrana plasmática incluyen dióxido de carbono y gas oxígeno. Estas moléculas se difunden libremente dentro y fuera de la célula, a lo largo de su gradiente de concentración. Aunque el agua es una molécula polar, también puede difunderse a través de la membrana plasmática.
En el caso de la ósmosis, la membrana debe ser permeable al agua y relativamente impermeable a los solutos que determinan el movimiento osmótico. Una membrana semipermeable contiene poros o propiedades selectivas que permiten el paso de determinadas sustancias e impiden o limitan el paso de otras.
Difusión y gradiente de concentración
La difusión es el movimiento de las moléculas de un área de alta concentración de las moléculas a un área con una concentración menor. La diferencia en las concentraciones de las moléculas en las dos áreas se denomina gradiente de concentración.
La energía cinética de las moléculas da como resultado un movimiento aleatorio, provocando difusión. En términos físicos, la difusión es un proceso irreversible por el que las partículas de un medio, en agitación térmica continua, tienden a repartirse de manera uniforme cuando existe un gradiente de concentración.
La agitación no dirige el movimiento hacia ningún punto concreto; lo que ocurre es que, estadísticamente, más partículas cruzan desde la zona concentrada a la diluida que en sentido contrario. Cuando las concentraciones se igualan, el flujo neto se anula, aunque las partículas siguen moviéndose.
La difusión simple es el proceso por el cual un gas o un soluto disuelto se expande como consecuencia del movimiento aleatorio (energía cinética) de sus moléculas hasta llenar todo el espacio disponible, por lo cual no requiere atravesar una membrana.
Si hay muchas moléculas de una sustancia en el compartimiento A y ninguna molécula de esa sustancia en el compartimiento B, es muy poco probable (imposible, en realidad) que una molécula se mueva aleatoriamente de B a A. Por el contrario, es muy probable que una molécula se mueva de A a B.
Así, el movimiento neto de moléculas será de A a B, lo cual ocurrirá hasta que se igualen las concentraciones. La difusión continuará hasta que se haya eliminado el gradiente de concentración.
Dado que la difusión mueve los materiales de un área de mayor concentración a la inferior, se describe como mover solutos “hacia abajo del gradiente de concentración”. El resultado final es una concentración igual, o equilibrio, de moléculas en ambos lados de la membrana.
En equilibrio, el movimiento de las moléculas no se detiene. En equilibrio, hay un movimiento igual de materiales en ambas direcciones.
Factores que determinan la velocidad de difusión
Cinco factores determinan la velocidad con la que un soluto se difunde a través de una membrana o un medio. El primero es el gradiente de concentración: a mayor diferencia entre los dos lados, mayor flujo neto.
Los otros son la temperatura (la agitación térmica aumenta con ella), la superficie disponible para el paso, el grosor de la barrera que separa ambos compartimentos y las propiedades intrínsecas de la molécula, en especial su tamaño y su lipofilia.
| Factor | Efecto sobre la difusión |
|---|---|
| Gradiente de concentración | A mayor diferencia entre los dos lados, mayor flujo neto. |
| Temperatura | La agitación térmica aumenta con ella. |
| Superficie disponible | Una mayor superficie facilita el paso de sustancias. |
| Grosor de la barrera | Una barrera más gruesa dificulta la difusión. |
| Propiedades de la molécula | El tamaño y la lipofilia condicionan el paso. |
Adolf Eugen Fick, médico y fisiólogo alemán, dio forma matemática a este comportamiento en 1855. Su primera ley enuncia que el flujo por unidad de superficie es proporcional al gradiente de concentración; la segunda predice cómo evoluciona la concentración con el tiempo.
Ambas se aplican a diario en el cálculo del intercambio gaseoso pulmonar y en el diseño de sistemas de diálisis. La formulación básica es que el flujo neto es proporcional al gradiente de concentración y a la superficie disponible, e inversamente proporcional al grosor de la barrera.
Difusión simple
La difusión simple es el fenómeno en el que las moléculas o iones pasan directamente a través de la membrana, a favor del gradiente de concentración. Las partículas atraviesan la membrana celular disolviéndose en su bicapa lipídica, sin ayuda de proteínas.
Solo lo consiguen con eficiencia las moléculas pequeñas y no polares: gases respiratorios (O₂ y CO₂), esteroides, algunos anestésicos y una parte de los fármacos liposolubles.
En simple difusión, este proceso avanza sin la ayuda de una proteína de transporte. Es el movimiento aleatorio de las moléculas lo que hace que se muevan de un área de alta concentración a una zona con menor concentración.
Difusión facilitada
La difusión facilitada es el fenómeno en el que se requieren proteínas transmembranales para que algunas moléculas puedan difundir a favor de un gradiente de concentración, no requiere energía.
La difusión facilitada ocurre cuando un soluto difunde a través de una membrana semipermeable gracias a proteínas transportadoras a favor de su gradiente de concentración, de lo contrario, sólo será posible su traslado por medio de transporte activo.
Ciertas moléculas polares o de mayor tamaño (glucosa, aminoácidos, iones) no pueden cruzar la bicapa por sí solas. Lo hacen a favor de gradiente, sin gasto energético, gracias a proteínas transportadoras o a canales iónicos que actúan como conductos selectivos.
Es difusión, sí, pero mediada; el gradiente sigue siendo el motor. La difusión facilitada requiere la asistencia de proteínas.
Ósmosis: movimiento del agua
La ósmosis se define como el paso de agua desde una solución de baja concentración de soluto hacia una solución de alta concentración de soluto, separadas ambas soluciones por una membrana semipermeable.
Por otro lado, el movimiento neto de agua a través de la membrana semipermeable se conoce como ósmosis. Este movimiento requiere un gradiente de concentración de solutos, de tal manera, que el paso de agua irá del lugar donde hay menos solutos a donde hay más.
Formalmente, la osmosis es el movimiento neto de agua a través de una membrana semipermeable desde una zona de baja concentración de solutos hacia otra de mayor concentración. La ósmosis es una forma particular de difusión en la que lo que se desplaza es el disolvente (agua), a través de una membrana semipermeable, desde el compartimento con menor concentración de soluto hacia el más concentrado.
Esto puede sonar extraño al principio, ya que casi siempre hablamos de la difusión de solutos disueltos en agua, no del movimiento mismo del agua. Sin embargo, la osmosis es importante en muchos procesos biológicos y suele ocurrir al mismo tiempo en que se transportan o difunden los solutos.
Por qué se mueve el agua
En la difusión, las moléculas se mueven desde una región de mayor concentración hacia otra de menor concentración, no porque sean conscientes de su entorno, sino simplemente como consecuencia de la probabilidad.
Cuando una sustancia está en forma líquida o gaseosa, sus moléculas estarán en constante movimiento aleatorio; rebotan o se deslizan unas alrededor de otras. En el caso de la osmosis, otra vez puedes pensar en moléculas -esta vez, en moléculas de agua- en dos compartimientos separados por una membrana.
Si ninguno de los compartimientos contiene un soluto, las moléculas de agua tendrán las mismas probabilidades de moverse en cualquier dirección entre los compartimientos. Sin embargo, si añadimos un soluto a uno de los compartimientos, esto afectará la probabilidad de que las moléculas de agua salgan de ese compartimiento y que se dirijan hacia el otro; en concreto, disminuirá esa probabilidad.
Independientemente de los mecanismos exactos involucrados, el punto clave es que mientras más soluto contenga el agua, menos apta será para atravesar una membrana en un compartimiento adyacente. Esto redunda en el flujo neto de agua de las regiones de menor concentración de soluto a aquellas de mayor concentración.
Este proceso se ilustra en el ejemplo anterior del vaso de precipitado, donde hay un flujo neto de agua desde el compartimiento de la izquierda hacia el compartimiento de la derecha hasta que las concentraciones de soluto están casi equilibradas.
No serán perfectamente iguales en este caso, porque la presión hidrostática ejercida por la columna de agua ascendente a la derecha se opone a la fuerza osmótica, lo que crea equilibrio que se detiene cerca del punto en que las concentraciones son iguales.
Osmolaridad, osmolalidad y presión osmótica
Osmolaridad es la medida usada para expresar la concentración total de sustancias en disoluciones (osmoles/litro). En un organismo normal la concentración está alrededor de 290 miliosmoles.
Osmolalidad es la concentración molar del conjunto de moléculas osmóticamente activas en un kilogramo de solvente. La cantidad de partículas osmóticamente activas por litro de agua se denomina osmolaridad.
Los solutos que promueven el movimiento de agua de un lado al otro de la célula son denominados osmóticamente activos. Es importante aclarar que la cantidad de partículas osmóticamente activas no siempre es igual a la concentración de dicho soluto.
Por ejemplo, la sal común (cuya fórmula química es NaCl) tiene por cada molécula de sal dos partículas osmóticamente activas, los iones sodio y cloruro.
La presión necesaria para evitar dicho movimiento se denomina presión osmótica. La ecuación de Van´t Hoff se utiliza para calcular la presión osmótica en sustancias con electrolitos:
π = CGRT
Donde: C= concentración total de solutos, G= constante que representa el grado de disociación de un electrolito, R= constante de los gases, T= temperatura en grados Kelvin.
Tonicidad: soluciones hipotónicas, isotónicas e hipertónicas
La capacidad de una solución extracelular de mover el agua hacia adentro o hacia afuera de una célula por osmosis se conoce como su tonicidad. La tonicidad de una solución está relacionada con su osmolaridad, que es la concentración total de todos los solutos en la solución.
Una solución con osmolaridad baja tiene pocas partículas de soluto por litro de solución, mientras que una solución con alta osmolaridad tiene muchas partículas de soluto por litro de solución.
Cuando soluciones de osmolaridades diferentes son separadas por una membrana permeable al agua, pero no al soluto, el agua se moverá desde el lado con menor osmolaridad hacia el lado con mayor osmolaridad.
| Tipo de solución | Relación de osmolaridad | Movimiento neto de agua | Efecto habitual en una célula animal |
|---|---|---|---|
| Hipotónica | Menor osmolaridad fuera de la célula | Hacia el interior celular | La célula se hincha y puede lisarse |
| Isotónica | Osmolaridad semejante dentro y fuera | No hay movimiento neto | No cambia el tamaño celular |
| Hipertónica | Mayor osmolaridad fuera de la célula | Hacia el exterior celular | La célula se encoge |
Se utilizan tres términos -hipotónica, isotónica e hipertónica- para comparar la osmolaridad de una célula con la osmolaridad del líquido extracelular alrededor de ella. Importante: cuando usamos estos términos, solo tomamos en cuenta los solutos que no pueden cruzar la membrana.
Si el líquido extracelular tiene una menor osmolaridad que el líquido al interior de la célula, se dice que es hipotónico (hypo = menos que) con respecto a la célula, y el flujo neto de agua será hacia el interior de esta.
En el caso contrario, si el líquido extracelular tiene una mayor osmolaridad que el citoplasma de la célula, se dice que es hipertónico (hyper = mayor que) con respecto a ella y el agua saldrá de la célula a la región de mayor concentración de soluto.
En una solución isotónica (iso = igual), el líquido extracelular tiene la misma osmolaridad que la célula y no habrá ningún movimiento neto de agua hacia adentro o hacia afuera de esta.
Hipotónico, hipertónico e isotónico son términos relativos: describen cómo se comparan dos soluciones en cuanto a su osmolaridad. Por ejemplo, si la osmolaridad (concentración de solutos) del líquido dentro de la célula es mayor que la del líquido circundante, el interior de la célula es hipertónico con respecto al líquido que la rodea, mientras que el líquido extracelular es hipotónico con respecto al interior de la célula.
Efectos de la ósmosis en células animales
Si una célula se coloca en una solución hipertónica, el agua saldrá de la célula y la célula se encogerá. En un ambiente isotónico, las concentraciones relativas de soluto y agua son iguales en ambos lados de la membrana.
No hay ningún movimiento neto del agua, por lo que no hay cambios en el tamaño de la célula. Cuando una célula se coloca en un ambiente hipotónico, entrará agua a la célula y esta se hinchará.
El movimiento de agua a través de la membrana plasmática determina el volumen celular. La regulación de dicho volumen es muy importante, ya que las células animales no pueden soportar la entrada de grandes cantidades de agua, debido a que entran en un estado de turgencia (es decir, se hinchan), e inclusive, pueden llegar a lisarse (explotar).
En el caso de un glóbulo rojo, las condiciones isotónicas son ideales, y el cuerpo tiene sistemas homeostáticos (que mantienen la estabilidad) para garantizar que estas condiciones se mantengan constantes.
Cuando los glóbulos rojos están en una solución hipertónica (mayor concentración), el agua sale de la célula más rápido de lo que entra. Esto da como resultado la crenación (arrugada) del glóbulo.
En el otro extremo, un glóbulo rojo que es hipotónico (menor concentración fuera de la célula) dará como resultado que más agua fluya hacia la célula que hacia afuera. Esto da como resultado hinchazón de la célula y hemólisis potencial (estallido) de la célula.
En una solución isotónica, el flujo de agua que entra y sale de la celda está ocurriendo a la misma velocidad. Las células animales tienden a funcionar mejor en un ambiente isotónico, donde el flujo de agua dentro y fuera de la célula se produce a tasas iguales.
Ósmosis en células vegetales
Cuando una planta se marchita, es porque el agua se mueve hacia afuera de sus células, provocando que pierdan la presión interna -llamada presión de turgencia- que normalmente soporta a la planta.
La cantidad de agua fuera de las células disminuye conforme la planta pierde agua, pero la misma cantidad de iones y otras partículas permanece en el espacio extracelular. Este aumento en la concentración de soluto, o partículas disueltas, jala el agua hacia afuera de las células, hacia los espacios extracelulares, en un proceso conocido como osmosis.
Sin embargo, en el caso de una célula vegetal, lo ideal es una solución extracelular hipotónica. La membrana plasmática solo puede expandirse hasta llegar al límite de la rígida pared celular, así que la célula no se reventará ni habrá lisis.
De hecho, el citoplasma de las plantas es un poco hipertónico con respecto al entorno celular, y el agua entrará en una célula hasta que su presión interna -presión de turgencia- sea suficiente para oponerse al flujo de agua entrante.
Mantener este equilibrio de agua y solutos es muy importante para la salud de la planta. Si no recibe agua, el líquido extracelular se vuelve isotónico o hipertónico, provocando que el agua salga de las células; esto causa una disminución en la presión de turgencia, que puedes observar como marchitamiento.
En condiciones hipertónicas, la membrana celular puede incluso desprenderse de la pared celular y constreñir el citoplasma, un estado conocido como plasmólisis.
Ósmosis en organismos unicelulares y peces
La tonicidad afecta a todos los seres vivos, en particular a aquellos que carecen de paredes celulares rígidas y viven en ambientes hipotónicos o hipertónicos.
Por ejemplo, los paramecios y las amebas, protistas que carecen de paredes celulares, pueden tener estructuras especializadas llamadas vacuolas contráctiles, las cuales recolectan el exceso de agua de la célula y la bombean hacia afuera, impidiendo la lisis celular debida a la absorción de agua de su medio hipotónico.
Las células de peces, como todas las células, tienen membranas semipermeables. Eventualmente, la concentración de “cosas” a cada lado de ellas se igualará.
Un pez que vive en agua salada tendrá agua algo salada dentro de sí mismo. Ponlo en agua dulce, y el agua dulce, por ósmosis, entrará al pez, haciendo que sus células se hinchen, y los peces morirán.
Movimiento de iones y potencial de membrana
Un ion son átomos o grupos de átomos que tienen una carga eléctrica. Los iones con una carga positiva se denominan cationes y los que tienen carga negativa se denominan aniones.
Recordemos que el agua es una molécula anfipática, lo que quiere decir que tiene una carga negativa (O-) y positiva (H+) por lo que puede ser atraída por cargas tanto positivas como negativas.
Los iones que se mueven a través de la membrana celular además poseen carga eléctrica, el Na+ por ejemplo tiene carga positiva, mientras que el Cl- está cargado negativamente.
Los iones presentes al interior y exterior celular se encuentran por lo tanto en diferente concentración química y con diferentes cargas eléctricas. La diferencia de concentración química en ambos lados de la membrana promueve el movimiento de los iones, generando así cambios rápidos en las cargas acumuladas a ambos lados de la membrana (polarización de la membrana).
Dichos cambios provocan una diferencia de voltaje que se conoce como potencial de membrana. Así, el movimiento de los iones provoca un potencial de membrana generado por difusión.
Las tres principales clases de proteínas de membrana especializadas en el transporte son: canales, transportadores y bombas. Los procesos de transporte pasivo permiten el movimiento a favor del gradiente, mientras que las bombas participan en el transporte activo y pueden desplazar sustancias en contra del gradiente.
Transporte pasivo y transporte activo
El transporte pasivo es una forma en que pequeñas moléculas o iones se mueven a través de la membrana celular sin entrada de energía por parte de la célula. Los tres tipos principales de transporte pasivo son la difusión (o difusión simple), la ósmosis y la difusión facilitada.
La difusión simple y la ósmosis no implican proteínas de transporte. La difusión facilitada requiere la asistencia de proteínas. A esta clasificación conviene añadir un rasgo común: los tres modos son formas de transporte pasivo, distintas del transporte activo, que requiere energía metabólica y puede mover moléculas en contra de su gradiente.
El transporte activo se puede clasificar como primario o secundario. Bombas como la Na⁺/K⁺-ATPasa son el paradigma del transporte activo.
La difusión frente al transporte activo se distingue porque la difusión no consume ATP y no puede mover una sustancia en contra de su gradiente. El transporte activo sí.
Diferencias entre difusión, ósmosis y convección
| Proceso | Qué se mueve | Dirección o mecanismo | Uso de ATP |
|---|---|---|---|
| Difusión | Moléculas o solutos | Desde mayor hacia menor concentración | No |
| Ósmosis | Agua | Desde menor hacia mayor concentración de solutos | No |
| Transporte activo | Moléculas o iones | Puede ser contra el gradiente | Sí |
| Convección | Moléculas arrastradas por un líquido | Por flujo y presión del líquido | No necesariamente |
En la difusión general se mueve el soluto; en la ósmosis lo hace el agua. Ambos procesos pueden coexistir en la misma membrana.
La convección es el arrastre de moléculas por el flujo de un líquido (por ejemplo, el paso de solutos con el agua a través de una membrana empujada por presión hidrostática). Ambos mecanismos coexisten en la mayoría de sistemas biológicos y en las técnicas de depuración extrarrenal.
Aplicaciones fisiológicas y médicas de la difusión
Intercambio gaseoso pulmonar
La difusión es el mecanismo básico del intercambio gaseoso alveolar, del transporte de nutrientes a través de las membranas y de la distribución de muchos fármacos por el organismo.
El oxígeno pasa del aire alveolar a la sangre capilar, y el dióxido de carbono lo hace en sentido inverso, exclusivamente por difusión a través de la membrana alveolocapilar.
Cuando esa barrera se engrosa (fibrosis pulmonar) o pierde superficie útil (enfisema, resección pulmonar), la eficiencia del proceso cae. La capacidad de difusión pulmonar se mide en el laboratorio de función pulmonar mediante la prueba de DLCO.
Farmacocinética
Muchos fármacos atraviesan las membranas del tubo digestivo, del endotelio o de la barrera hematoencefálica por difusión pasiva.
Su liposolubilidad y su grado de ionización al pH del compartimento determinan si el paso será rápido o lento. Este principio explica, entre otras cosas, la absorción sublingual de la nitroglicerina o el paso limitado de los antibióticos hidrofílicos al líquido cefalorraquídeo.
Diálisis
Tanto la hemodiálisis como la diálisis peritoneal se apoyan en la difusión de solutos a favor de gradiente a través de una membrana, natural o artificial, semipermeable.
Diseñar la diferencia de concentración adecuada entre la sangre y el líquido de diálisis es el modo de retirar del organismo urea, creatinina, potasio y otras sustancias que se acumulan en la insuficiencia renal.
Imagen por resonancia magnética
Las secuencias de difusión (DWI) miden el movimiento aleatorio de las moléculas de agua en los tejidos y aportan un contraste que resulta particularmente útil en el diagnóstico precoz del ictus isquémico y en la caracterización de lesiones tumorales.
Experimentos para observar difusión y ósmosis
Se recomienda dividir al grupo en equipos para que cada equipo realice un experimento, o en su caso seleccionar alguno de los experimentos para trabajar de forma grupal y favorecer el desarrollo del resultado de aprendizaje.
Experimento 1. Efecto de la temperatura sobre la difusión
El objetivo es observar cómo la temperatura influye en la velocidad con la que una molécula se distribuye en una solución.
Material: 2 vasos de plástico transparente, agua destilada a temperatura ambiente, agua destilada caliente y colorante líquido.
En un vaso de precipitados coloca la mitad de su volumen en agua a temperatura ambiente, en otro vaso coloca la misma cantidad de agua a temperatura elevada (se recomienda calentar hasta punto de ebullición y dejar reposar 10 min antes de usarse).
Adiciona a cada vaso una gota de colorante y registre el tiempo en que ocurre la difusión del colorante. ¿En cuál experimento difundirá más rápido el colorante?, ¿por qué? ¿Es posible saber la velocidad de difusión del colorante?, ¿cómo la obtendrías?
La comparación debe considerar que la agitación térmica aumenta con la temperatura. El tiempo registrado permite comparar la rapidez relativa del proceso entre ambos vasos.
Experimento 2. Ósmosis en una membrana biológica
Este experimento utiliza la membrana del huevo como modelo de membrana biológica semipermeable.
Material: 1 huevo (se proporcionan dos por si la membrana se rompe),1 popote transparente, 1 barra de silicón, 1 pistola para silicón, colorante líquido, vaso de precipitados donde quepa el huevo, agua destilada y tijeras.
Tome un huevo y retire cuidadosamente un poco del cascarón sin romper la membrana que separa el cascarón de la clara, de preferencia hacer esto en el extremo más ancho, ya que es más fácil romper el cascarón sin romper la membrana (figura 4A).
Posteriormente, perfora el vértice opuesto de manera que sea posible introducir un popote al interior del huevo, el popote en el huevo debe estar en contacto con la clara, sin romper la yema.
Sella herméticamente el espacio entre el popote y el huevo con ayuda de la pistola de silicón y vierte un poco de agua con colorante en el popote hasta ver con claridad un nivel de agua en el popote (figura 4B).
Finalmente, coloca el huevo con la membrana expuesta hacia abajo dentro del vaso previamente llenado con agua destilada a temperatura ambiente. Es importante que la membrana esté sumergida en el agua (Figura 4C).
Marca el nivel de agua al inicio y cada 10 minutos por una hora, registre sus datos y construya una gráfica (mm/minutos). ¿Qué ocurrió en este experimento? ¿Cómo se puede explicar este fenómeno?
Experimento 3. Ósmosis en una membrana sintética
El propósito es comparar el cambio de volumen de soluciones con distinta concentración, separadas del agua por una membrana de celofán.
Material: 10 gr de azúcar, 35 ml de agua destilada, 2 bolsas de celofán, plumones, ligas, 2 recipientes de 500 ml, 1 litro de agua de la llave y 1 jeringa de 20 ml.
Vierte los 10 gramos de azúcar en 20 ml de agua destilada. Con ayuda de la jeringa, separa 5 ml de la solución que acabas de preparar y agrega 10 ml de agua destilada.
Ahora tenemos 15 ml de solución saturada y 15 ml de una solución diluida. Toma dos bolsitas de celofán y etiquétalas con la leyenda “saturada” y “no saturada”, a cada una viérteles la solución de 15 ml según corresponda y amárralas con un hilo o liga para evitar derrames.
Coloque las bolsitas en un recipiente con al menos 500 ml de agua de la llave y deja las bolsitas en el recipiente con agua al menos durante 2 h.
Posteriormente, retira las bolsitas del agua y con la jeringa mide el volumen final de cada bolsita. ¿Hay alguna diferencia entre los volúmenes inicial y final de cada experimento? ¿En cuál de los experimentos encontraste mayor diferencia de volumen?, ¿por qué?
Experimento 4. Difusión en dos dimensiones
Este experimento permite medir la expansión de un colorante en un medio y estimar un coeficiente de difusión.
Material: 1 cucharada de café soluble, agua, jeringa de 20 ml, caja de Petri con grenetina, caja de Petri con agua, celular para fotografías, regla para medir el radio, Excel para realizar la gráfica.
Prepara una solución con 1 cucharada de café soluble en 2.5 ml de agua. Coloca sobre la mesa una caja Petri con grenetina y una con agua a temperatura ambiente y espera a que el agua se estabilice.
Agrega una gota de la solución concentrada de café en el centro de tu recipiente (debes agregarla con mucho cuidado para evitar mover el medio lo menos posible).
Toma fotografías al inicio del experimento y después de cada 15 minutos, debe ser a la misma distancia y en el mismo ángulo, debes tomar al menos 5 fotografías.
Mide el radio del colorante en cada fotografía y realiza una gráfica, en el eje “x” coloca el valor del radio al cuadrado y en el eje “y” el tiempo.
Determina la ecuación de la recta de tu gráfica y el valor de la pendiente divido entre 4 corresponderá al coeficiente de difusión del café.
Ahora que ya tienes tu grupo control, diseña dos experimentos modificando alguna variable (temperatura del agua, concentración del café, salinidad del medio, viscosidad del medio, etc.).
Experimento 5. Movimiento browniano
Revisa el contenido del siguiente enlace sobre movimiento browniano.
La observación del movimiento browniano ayuda a relacionar la agitación térmica aleatoria de las partículas con la difusión. Las moléculas se mueven de forma continua y desordenada, pero el movimiento neto producido por muchas partículas sigue el gradiente de concentración.
Difusión y Movimiento Browniano
Glosario esencial
- Difusión: Es el fenómeno en el que las moléculas en disolución se desplazan a favor de un gradiente de concentración, no requiere una membrana.
- Difusión simple: Es el fenómeno en el que las moléculas o iones pasan directamente a través de la membrana, a favor del gradiente de concentración.
- Difusión facilitada: Es el fenómeno en el que se requieren proteínas transmembranales para que algunas moléculas puedan difundir a favor de un gradiente de concentración, no requiere energía.
- Ósmosis: Se define como el paso de agua desde una solución de baja concentración de soluto hacia una solución de alta concentración de soluto, separadas ambas soluciones por una membrana semipermeable.
- Ion: Son átomos o grupos de átomos que tienen una carga eléctrica.
- Catión: Los iones con una carga positiva se denominan cationes.
- Anión: Los iones con carga negativa se denominan aniones.
- Osmolaridad: Es la medida usada para expresar la concentración total de sustancias en disoluciones (osmoles/litro).
- Osmolalidad: Es la concentración molar del conjunto de moléculas osmóticamente activas en un kilogramo de solvente.
- Tonicidad: Es la capacidad de una solución extracelular de mover el agua hacia adentro o hacia afuera de una célula por osmosis.
- Membrana semipermeable: Es una barrera que permite el paso de algunas sustancias e impide o limita el paso de otras.
- Gradiente de concentración: Es la diferencia en las concentraciones de las moléculas en dos áreas.
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