Equilibrio osmtico y movimiento de lquidos: Osmosis y Presin osmticaProf. Jorge P. Roa S. M.Sc, Ph. D. Cuando una membrana situada entre dos compartimentos lquidos es permeable al agua pero no a los solutos (membrana con permeabilidad selectiva), y la concentracin de solutos es mayor en un lado de la membrana, el agua difunde desde el lado con menor concentracin hacia el lado de mayor concentracin de solutos. Este fenmeno se conoce como Osmosis, es decir, flujo neto espontneo de agua. Para entender este fenmeno supongamos un sistema de dos compartimentos como el de la Fig. 1. El compartimiento 1 contiene agua pura y el 2 una solucin, y ambos compartimientos estn separados por una membrana semipermeable ideal en que los solutos son incapaces de atravesarla. Esto hace que la nica manera de alcanzar el equilibrio de concentracin sea a travs del movimiento o flujo de agua, el que se

Fig. 1 produce desde el compartimiento 1 al 2 y continuar hasta que la presin hidrosttica generada en 2 por un mayor volumen de lquido, compense la presin ejercida por las molculas de solvente en 1. En este esquema pueden visualizarse dos gradientes: uno de concentracin de soluto de 2 a 1 y otro de concentracin de solvente de 1 a 2, pero slo se manifiesta el gradiente de solvente debido a la semipermeabilidad de la membrana. Si quisiramos impedir el flujo de solvente de 1 a 2 se debera aplicar sobre la solucin 2 una presin, de tal magnitud, que al actuar sobre la membrana, impida el flujo osmtico de agua. Esta presin corresponde a la Presin Osmtica ( ) de la solucin. Basado en este principio la que ejercen las molculas se puede medir determinando la altura de la columna que se observa en el compartimiento 2 de la Fig.4, de acuerdo a la siguiente frmula: h= altura de la columna de lquido (cm) g= aceleracin de gravedad (cm/seg 2) d= densidad del lquido (g/cm3) = 1 para el agua. 1

= h.g.d

La , as como la cada de la presin de vapor, del punto de congelacin y la elevacin del punto de ebullicin (propiedades coligativas de las soluciones) dependen del nmero ms que del peso molecular o valencia de partculas disueltas de una solucin. En una solucin ideal, la est relacionada con la temperatura y el volumen, de la misma manera que la presin de un gas: nRT = ------V n= nmero de partculas R= constante de los gases T= temperatua absoluta V= volumen

Si la T se conserva constante, resulta claro que la es proporcional al nmero de partculas en solucin por unidad de volumen de la misma. Esta relacin entre el nmero de molculas de soluto y fue demostrada matemticamente por van't Hoff segn la relacin: = c.R.T T= temperatura en grados Kelvin R= constante de los gases (atm.l.mol -1.oK-1) c= concentracin (osmoles/litro)

Esto significa que conociendo la concentracin de solutos en una solucin se puede calcular la . En consecuencia, esta tendencia a favorecer la osmsis de agua es directamente proporcional a la concentracin de las molculas en solucin que no pueden atravesar una membrana e independiente del peso molecular, carga o estructura. Por ej. una molcula de albumina (PM=70000) tiene el mismo efecto osmtico que una de glucosa (PM=180). En el caso de solutos que se ionizan en solucin, cada ion es una partcula osmticamente activa, por lo que, para determinar el efecto osmtico hay que sumar los efectos de todos los iones y molculas que no son permeables a travs de la membrana. Para aplicar este concepto, consideremos dos soluciones: una de ellas de sacarosa 0.1 M y la otra de NaCl 0.1 M. En trminos qumicos, ambas soluciones son equivalentes, pero la generada por cada una de ellas es diferente, ya que el NaCl en solucin se encuentra a la forma ionizada, Na + y Cl-, es decir, el nmero de partculas se ha duplicado, por lo tanto tambin la generada por la solucin de NaCl ser el doble de la generada por la solucin de sacarosa, que no se ioniza. Por lo tanto, para electroltos, debe multiplicarse la concentracin por un factor G (coeficiente osmtico) o nmero de iones producido por una molcula de electrolito disuelta en agua. La ecuacin queda entonces as: = G.c.R.T Para NaCl, G=2; para MgCl2, G=3, para Sacarosa, G=1. El coeficiente osmtico G, es afectado por la concentracin y composicin de las soluciones; es as que para soluciones fisiolgicas como sangre y orina que contienen mezclas complejas de solutos, electrolitos y no electrolitos, en concentraciones muy diferentes, fue necesario contar con una unidad prctica para medir concentraciones 2

osmticas, que fuese independiente de la variacin de G con la concentracin para los diferentes solutos considerados. Esta unidad es el Osmol definida como el peso en gramos de soluto que al ser disuelto en un litro de solucin, genera una presin de 22.4 atmsferas en condiciones estandares. Cuando se expresa la actividad osmtica de los solutos del cuerpo, el osmol es una unidad demasiado grande, por ello se usa el miliosmol. Cuando se habla de fenmenos osmticos, la concentracin de cualquier solucin puede ser expresada como: Osmolaridad, nmero de osmoles por litro de solucin; Osmolalidad: nmero de osmoles por Kilogramo de agua. 1 Mol de un no electrolito es equivalente a 1 osmol; 1 Osmol de electrolitos es equivalente a 1 mol x G. La osmolaridad es afectada por el volumen de los diversos solutos en solucin y por la temperatura, en tanto que la osmolalidad no. Las sustancias osmticamente activas en el cuerpo estn disueltas en agua y, como la densidad de sta es 1, las concentraciones osmolales pueden ser expresadas como osmoles por litro de agua (osm/L). Lo ms correcto es usar concentraciones osmolales y osmolalidad, pero en la prctica se usan indistintamente y se expresan en mosm/L de agua. La concentracin osmolal de una sustancia en un lquido se mide por el descenso que produce en el punto de congelacin. 1 mol/lt de un soluto ideal disminuye el punto de congelacin 1.86 oC. El nmero de mosmol/lt de una solucin es igual a la disminucin del punto de congelacin dividido por 0.00186. El punto de congelacin del plasma humano normal es aproximadamente - 0.54 oC, el cual corresponde a una concentracin osmolal en el plasma de 290 mosm/L, la que es equivalente a una contra el agua simple de 7.3 atm. Podra esperarse que la osmolaridad fuera mayor que sta, ya que la suma de todos los equivalentes de aniones y cationes plasmticos es mayor de 300. Esto debido a que el plasma no es una solucin ideal, y las interacciones inicas reducen el nmero de partculas libres para ejercer el efecto osmtico. Debido a que las clulas estn rodeadas por el LEC, cualquier cambio en la de ste afectar el flujo de agua desde y hacia la clula. En este sentido la relacin entre medio externo e interno est expresada en base al concepto de tonicidad.

Tonicidad:Las membranas celulares son selectivamente permeables, es decir, permeables a algunas sustancias e impermeables a otras. Existen tambin algunos solutos que penetran a la clula ms lentamente que el agua y otros que lo hacen casi tan rpido como ella (urea). Esta variabilidad est dada por las propiedades de la membrana, que estn determinadas por el Coeficiente de Reflexin ( ) de ella. Si un soluto no atraviesa la membrana o lo hace muy lentamente el es muy cercano a 1. La respuesta osmtica de una clula frente a una solucin dada depender no slo de la osmolaridad total de la solucin sino tambin del tipo de soluto que contenga. Considerando este coeficiente, la ecuacin de van't Hoff queda como sigue: 3

= G.c.R.T. Se llama Tonicidad a la efectiva en relacin a la del LEC (plasma en el caso de los glbulos rojos). En la prctica el resultado de esta efectiva manifestado como la direccin del flujo de agua es detectado por cambios en el volumen celular. Respecto a esto (fig .2):

Fig.- 2 a.- Una solucin es isoosmtica con respecto a otra si las osmolalidades de ambas son idnticas. Una solucin es isotnica respecto a otra cuando el flujo neto de agua es cero. * Si la osmolalidad de E = osmolalidad de I las soluciones son isoosmticas. * Si la osmolalidad de E > osmolalidad de I las solucin E es hiperosmtica respecto a I, y sta es hiposmtica respecto a E. b.- Si el flujo neto (F) de solvente entre E e I es cero, ambas soluciones son isotnicas. * Si J de E a I respecto a I.

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F de I a E, la solucin I es hipertnica respecto a E y sta es hipotnica

* Si J de E a I < F de I a E, la solucin E es hipertnica respecto a I y sta es hipotnica respecto a E. En estos procesos participa activamente la membrana. Todas las soluciones isoosmticas con el plasma - esto es, que tienen la misma o punto crioscpico que el plasma - tambin seran isotnicas si no fuera por el hecho de que algunos solutos difunden a las clulas y otros son metabolizados. Consideremos dos casos: a.- Una suspensin de glbulos rojos humanos en solucin de NaCl ( muy semejante a 1) Si la solucin que rodea al glbulo rojo es de 300 mosm, se dice que las soluciones intra y extracelular son isosmticas; debido a que el de la membrana es cercano a 1, es decir, la membrana resulta casi impermeable a esta sal, no se observa 4

un cambio de volumen, por lo tanto el ambiente interno es isotnico con el ambiente externo. Si la solucin externa es de 500 mosm de NaCl, la solucin externa es hiperosmtica y, dado a que se produce una salida de agua desde el glbulo rojo, la solucin externa es hipertnica respecto a la solucin interna. Si cambiamos el glbulo rojo a una solucin 150 mosm, la solucin externa es hiposmtica y, dado que se produce flujo de agua hacia el interior del glbulo (aumenta de volumen), la solucin externa es hipotnica respecto a la interior. b) Una suspensin de glbulos rojos humanos en una solucin de urea (