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La Citofísica es la parte de la Física que estudia las características físicas de la célula. Como base para la correcta comprensión de dichas características es necesario referirnos a algunos conceptos generales de la Física que se relacionan con la célula. SISTEMAS DISPERSOS.- Se denomina sistema a toda formación constituida por varios elementos, separados unos de otros por superficies limitadas y los distintos elementos que integran dicho sistema reciben la denominación de fases. Un sistema es disperso cuando existe una separación, división o dispersión de un cuerpo que constituye la fase dispersa en otra que generalmente es líquido y que constituye la fase dispersora o continúa Algunos de los sistemas dispersos son los siguientes:

a) Soluciones b) Sistemas coloidales c) Suspensiones d) Emulsiones

SOLUCIONES.- Se caracterizan porque las partículas de la fase dispersa tienen un tamaño tan diminuto que oscila alrededor de un nanómetro. Se difunden y dializan fácilmente a través de una membrana semipermeable; son sistemas homogéneos no pudiendo diferenciarse las fases que lo constituyen; las partículas de la fase dispersa no son visibles con el microscopio fotónico y al evaporarse la fase dispersante la fase dispersa cristaliza. La dispersión del cloruro de sodio en agua y la dispersión del bicarbonato de sodio en el agua son típicos ejemplos de soluciones. SISTEMAS COLOIDALES.- Se caracteriza porque las partículas de la fase dispersa tienen un tamaño que oscila entre 1 micrómetro y 100 micrómetros de diámetro pudiendo por lo tanto ser observadas con el microscopio electrónico Un coloide o dispersión coloidal, es un sistema físico que está compuesto por dos fases. Una fase dispersora o continua, normalmente fluida y otra fase dispersa en forma de partículas, por lo general sólidas, de tamaño mesoscópico, es decir intermedio entre lo macroscópico y lo microscópico. Así, se trata de partículas que no son apreciables a simple vista, pero mucho más grandes que cualquier molécula. (Fig. 1)

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Fig. 1 El nombre coloide proviene de la raíz griega kolas que significa que puede pegarse. Este nombre hace referencia a una de las principales propiedades de los coloides su tendencia espontánea a agregar o formar coágulos. El coloide por excelencia es aquel en que la fase continua es un líquido y la fase dispersa se compone de partículas sólidas, sin embargo pueden encontrarse coloides cuyos componentes se encuentre en otros estados de agregación. Si la fase continúa es un Gas: La fase dispersa no puede ser otro gas porque todos los gases son solubles entre sí Si la fase dispersa es líquida tenemos aerosol líquido. Ejemplo: niebla, bruma. Si la fase dispersa es sólida tenemos aerosol sólido. Ejemplo: Humo, polvo en suspensión, bacterias, virus, mohos en el aire. Si la fase continúa es un líquido: Si la fase dispersa es gas tenemos gas espuma. Es una suspensión de partículas gaseosas en un líquido. Los líquidos puros no permiten la formación de espumas estables para ello es necesario el concurso de una tercera sustancia, el agente espumoso, así al añadir jabón o detergente al agua y agitarla se lograra espuma estable. Ejemplo: espumas son crema batida y merengue, espumas usadas para combatir los incendios en base a burbujas de dióxido de carbono, espuma de afeitar. Si la fase dispersa es un líquido tenemos una emulsión. Este sistema es un coloide en el que tanto la fase dispersa como la fase continua son líquidas aunque inmiscibles, es decir que no se mezclan. Ejemplo: gotitas de aceite en agua. La agitación mecánica de una mezcla de agua con gotas de aceite forma una emulsión que no es estable porque después de cierto tiempo ambas sustancias se separan con el aceite sobrenadando sobre el agua. Para lograr una emulsión estable se necesita añadir un emulsionante.

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Las emulsiones son muy frecuentes en artículos farmacéuticos (cremas, ungüentos), alimentos como la mayonesa y margarina, esta última es una emulsión de partículas de agua dentro de aceite estabilizada con soya al 1%. Si la fase dispersa es un sólido tenemos una dispersión coloidal. Ejemplo: pintura, tinta china. Si la fase continúa es un sólido: Si la fase dispersa es gas tenemos espuma sólida .Ejemplo: piedra pómez, aerosoles. Si la fase dispersa es un líquido tenemos geles. En muchas ocasiones debido a que las partículas brownianas están cargadas eléctricamente hay interacción entre ellas lo que da lugar a que formen casi una red cristalina con estructura regular que les otorga consistencia intermedia entre un fluido y un cristal. Ej. Gelatinas, jabones, arcillas, masillas, masas, barro, queso (Fig. 2) Si la fase dispersa es un sólido tenemos emulsión sólida. Ejemplo: cristal de rubí.

Fig. 2 IMPORTANCIA DEL SISTEMA COLOIDAL EN BIOLOGÍA.- El sistema coloidal tiene muchísima importancia en las ciencias biológicas puesto que la célula es en suma un complejo de coloides. Las partículas de la fase dispersa son voluminosas aunque no pueden ser observadas a simple vista y están constituidas por moléculas sueltas o por agregados de moléculas. Las partículas de la fase dispersa no forman en el agua soluciones verdaderas. Difunden muy lentamente y no dializan a través de la membrana. Al evaporarse la fase continua no cristaliza tomando aspecto amorfo semejante a la cola o goma. Constituyen sistemas heterogéneos por manifestar el fenómeno de tyndall observable con el microscopio de campo oscuro. Los filtros que no pueden atravesar son las membranas semipermeables como el papel celofán. Sus partículas presentan movimiento browniano. Son sistemas de naturaleza opalescente.

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ESTADO FÍSICO DEL CONTENIDO CELULAR.- De todas las sustancias que intervienen en la composición química de la célula solamente algunas de ellas como las sales y las bases púricas forman con el agua soluciones verdaderas, las demás sustancias como el glucógeno, las grasas, los lipoides y los prótidos se encuentran en estado coloidal, pudiendo en algunos casos presentarse como suspensiones o emulsiones. La porción líquida del protoplasma es un coloide en estado de sol, y las organelas citoplasmáticas presentan las características de un coloide en estado de gel. Cabe resaltar que ambos estados de sol y gel coexisten en la célula y la forma en la que se presenten depende del grado de viscosidad ya que un coloide poco viscoso se encuentra siempre al estado de sol, a diferencia de un coloide muy viscoso que presenta las características de un gel. La capacidad del protoplasma celular de absorber y eliminar agua influye notablemente en los cambios del grado de viscosidad que se traducen en los fenómenos de solución y gelación. CARACTERÍSTICAS DEL PROTOPLASMA CELULAR: • Aspecto: a simple vista o la observación microscópica con el objetivo de débil

aumento se presenta homogéneo • Color: el protoplasma carece de color propio, sin embargo algunos tipos

celulares presentan inclusiones citoplasmáticas pigmentarias que le otorgan color.

• Transparencia: el protoplasma celular por lo general es transparente, translúcido y a veces opalescente.

• Refringencia: el protoplasma celular tiene la propiedad de desviar la luz teniendo un punto de refringencia parecido al del agua.

• Densidad: su densidad es superior a la densidad del agua. • Difusibilidad: el protoplasma suspendido en agua se difunde con gran lentitud. • Coagulibilidad: por acción de temperaturas comprendidas entre 60° C a 80°C

coagula conformando una masa blanda. • Elasticidad: tiene la propiedad de estirarse y retraerse con cierta facilidad. SUSPENCIONES.- Se caracterizan porque las partículas de la fase dispersa son sólidas y voluminosas pudiendo ser observadas con el microscopio fotónico e incluso a simple vista. Ejemplo: carbón animal en el agua EMULSIONES.- Se caracterizan porque las partículas de la fase dispersa son líquidas y voluminosas. Una emulsión es una mezcla estable (si se le agrega un emulsionante) y homogénea de dos líquidos que normalmente no pueden mezclarse, es decir que son inmiscibles entre ellos, como ser el aceite de oliva y el agua. Ej. leche y mayonesa.

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La mayor parte de las emulsiones constan de un líquido polar como el agua, y otro apolar como el aceite y la mayoría de los disolventes orgánicos. Cuando la emulsión es estable uno de los líquidos se encuentra formando pequeñas gotas en el interior del otro. Se distinguen dos tipos de emulsiones de agua en aceite y de aceite en agua, pudiendo los dos líquidos formar ambos tipos de emulsiones dependiendo de la temperatura y la concentración relativa de los componentes. También pueden existir emulsiones triples: agua, aceite, agua o bien aceite, agua, aceite. Una emulsión puede deshacerse es decir producirse la separación de los dos líquidos por factores como la manipulación mecánica o por efectos químicos como en el caso de “cortar” la leche por la acción del vinagre o el jugo de limón. Un emulgente o emulsionante es una sustancia que ayuda en la formación de una emulsión, como ser la yema de huevo en la mayonesa; o el detergente, que se une tanto a las grasas como al agua manteniendo gotas de grasa microscópicas en suspensión siendo este principio de mucha utilidad en los preparados de lavavajillas. PH.- El pH es la expresión química que indica la concentración de iones hidrógeno e iones oxidrilo en un medio, determinando diferentes grados de acidez o alcalinidad. Los iones hidrógeno y oxidrilo son los más pequeños y veloces de todos los iones, están presentes en las soluciones acuosas, porque ellos son los componentes del agua. El hidrógeno al poseer carga positiva actúa como catión y el oxidrilo con carga eléctrica negativa actúa como anión. El hidrógeno es el responsable de otorgar acidez al medio en el que se encuentra y el oxidrilo determina el grado de alcalinidad del medio en el que está presente. La escala de las reacciones de las soluciones acuosas se halla comprendida entre el pH cero que corresponde a las soluciones muy ácidas y pH 14 que corresponde a las soluciones muy alcalinas. La neutralidad corresponde al punto medio de la escala que está representada por el pH 7. El pH protoplasmático oscila alrededor de 6, sin embargo es susceptible de experimentar modificaciones bajo el influjo de diversos factores fisiológicos como ser durante la secreción, la contracción muscular y la división celular. ALGUNOS CONCEPTOS DE PROCESOS FISICOS RELACIONADOS CON LA BIOLOGÍA DIFUSION.- La difusión es un proceso físico irreversible en el que partículas materiales se introducen en un medio que inicialmente estaba exento de ellas, aumentando la entropía del “sistema conjunto” formado por las partículas difundidas (soluto) y el medio donde se difunden (solvente).

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La membrana permeable permite el paso de partículas y disolventes siempre a favor de un gradiente de concentración. La difusión es un proceso que no requiere aporte energético y es frecuente como una de las formas de intercambio celular. La difusión es el movimiento de partículas de un área en la cual están en alta concentración a un área en la que están en menor concentración hasta que estén repartidas uniformemente (Fig. 3).

Fig. 3 DIFUSIÓN A TRAVÉS DE MEMBRANAS BIOLÓGICAS.- Presenta tres modalidades: a) Difusión simple sin requerimiento de un canal proteico. b) Difusión facilitada con la participación de proteínas transmembranales. c) Difusión en el sistema respiratorio, en los alvéolos pulmonares de los mamíferos debido a diferencias de las presiones parciales a lo largo de la membrana alvéolo-capilar, el oxígeno se difunde a la sangre y el dióxido de carbono hacia la luz alveolar. OSMOSIS.- La ósmosis es un fenómeno fisico-químico relacionado con el comportamiento del agua (como solvente de una solución) ante una membrana semipermeable. Tal comportamiento entraña una difusión simple a través de la membrana de agua sin gasto de energía. La ósmosis en un fenómeno biológico importante para la fisiología celular de los seres vivos. Una membrana semipermeable pura contiene poros al igual que cualquier filtro. El tamaño de los poros es tan minúsculo que deja pasar las moléculas pequeñas, pero no las grandes, por ejemplo dejan pasar las moléculas de agua que son pequeñas, pero no las de azúcar que son más grandes. Si una membrana semipermeable separa dos líquidos, (uno de ellos agua pura y el otro agua con azúcar), sucede lo siguiente:

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1.- Debido a la temperatura, las moléculas adquieren energía y se mueven de un lado para otro con mayor intensidad. Las moléculas de agua pasan por los poros en ambas direcciones: de la zona de agua pura a la de agua con azúcar y viceversa. 2.- Las moléculas de azúcar también se mueven, pero no pueden atravesar la membrana, aunque algunas momentáneamente obstruyen la parte de los poros relacionados con las moléculas de azúcar (alta concentración) por lo que taponan el paso del agua. 3.- En la zona de agua pura (baja concentración) todas las moléculas que llegan a los poros son de agua y atraviesan la membrana. 4.- En la zona de alta concentración llegan a los poros moléculas de agua y moléculas de azúcar, por tanto, habrá menos moléculas de agua capaces de atravesar la membrana hacia la zona de agua pura. El resultado final es que aunque el agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración y viceversa, hay un flujo neto mayor de moléculas de agua que pasan de la zona de menor concentración a la zona de mayor concentración. Cuando las moléculas de agua atraviesan la membrana semipermeable desde la zona de menor concentración hacia la de mayor concentración se habla de disolución hipotónica, por el contrario si el paso de las moléculas de agua se efectúa desde la zona de mayor concentración hacia la zona de menor concentración se habla de disolución hipertónica y si el paso del agua es igual en ambas direcciones se habla de disolución isotónica. Este movimiento de agua a través de la membrana puede producir que algunas células se arruguen por una pérdida excesiva de agua o bien se hinchen por un aumento excesivo en el contenido celular de agua. Para evitar estas dos situaciones de consecuencias desastrosas para las células, éstas poseen mecanismos para expulsar el agua o los iones mediante un transporte con gasto de energía. OSMOSIS INVERSA.- Lo descrito anteriormente ocurre cuando la presión es similar en ambos lados de la membrana semipermeable, sin embargo si se incrementa la presión en el lado de mayor concentración puede lograrse que el agua pase desde el lado de mayor concentración hacia el lado de menor concentración, denominándose a este proceso ósmosis inversa. Si la concentración de sal es elevada, como ocurre con el agua marina, la aplicación de determinada presión sobre ésta ocasiona el paso exclusivo del agua y no de la sal hacia el otro lado de la membrana, permitiendo con ello que el agua de mar se haga potable. La ósmosis inversa es por ello una de las formas de potabilizar el agua. PLASMÓLISIS.- La plasmólisis es la contracción del citoplasma celular como consecuencia de la pérdida de agua por acción osmótica.

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En los vegetales la semipermeabilidad de la membrana citoplasmática y la permeabilidad de la pared celular originan entre otros el fenómeno de la plasmólisis. La plasmólisis se produce porque las condiciones del medio extracelular son hipertónicas, lo que ocasiona que el agua existente en el interior de la membrana celular salga hacia el medio hipertónico (ósmosis) y esta se deshidrata por la pérdida del agua originando la separación de la membrana celular de la pared celular. TENSIÓN SUPERFICIAL.- En un fluido cada molécula interacciona con las moléculas que la rodean, este radio de acción de las fuerzas moleculares es relativamente pequeño ya que abarca solo a las moléculas vecinas más cercanas (Fig.4).

Fig. 4 Consideramos una molécula (punto de mayor tamaño) en el seno de un líquido en equilibrio y alejada de la superficie libre tal como en A. Por simetría la resultante de todas las fuerzas atractivas procedentes de las moléculas (puntos pequeños) que la rodean será nula. En cambio si la molécula se encuentra en B, por existir en valor medio menos moléculas arriba que abajo, la molécula en cuestión estará sometida a una fuerza resultante dirigida hacia el interior del líquido. Si la molécula se encuentra en C, la resultante de las fuerzas de interacción es mayor que en el caso B. Con lo que se concluye que la fuerza de interacción hace que las moléculas localizadas en las proximidades de la superficie libre de un fluido experimenten una fuerza dirigida hacia el interior del líquido.