Ósmosis y tonicidad

¿Alguna vez has olvidado regar una planta por algunos días y al volver, la has encontrado toda marchita? Si es así, ya sabes que el balance hídrico es muy importante para las plantas. 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.

¿Por qué sale agua de las células? 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 ósmosis.

Formalmente, 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. 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 ósmosis es importante en muchos procesos biológicos y suele ocurrir al mismo tiempo en que se transportan o difunden los solutos. Aquí, veremos con más detalle cómo funciona la ósmosis, así como su importancia en el balance hídrico de las células.

¿Por qué el agua se mueve de las zonas donde los solutos están menos concentrados a otras donde están más concentrados?

En realidad, se trata de una pregunta complicada. Para responderla, volvamos atrás y recordemos por qué ocurre la difusión. 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. 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: puedes visualizar todas esas moléculas que rebotan en el compartimiento A y a otras que brincan hacia el compartimiento B. Así, el movimiento neto de moléculas será de A a B, lo cual ocurrirá hasta que se igualen las concentraciones.

En el caso de la ósmosis, 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.

¿Por qué es así? Por ahí hay algunas explicaciones. La que parece tener la mejor base científica señala que las moléculas de soluto rebotan sobre la membrana y físicamente golpean las moléculas de agua y las alejan de ella, y así tienden menos a atravesarla.${}^{1,2}$‍

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.

El término osmolaridad describe la concentración total de 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.

Se usan tres términos —hiperosmótico, hiposmótico e isosmótico— para describir la osmolaridad relativa entre soluciones. Por ejemplo, cuando se comparan dos soluciones que tiene distinta osmolaridad, se dice que la solución de osmolaridad mayor es hiperosmótica con relación a la otra, y se dice que la solución de menor osmolaridad es hiposmótica. Si ambas soluciones tiene la misma osmolaridad, se dice que son isosmóticas.

En el ambiente de la atención a la salud y las prácticas de laboratorio, suele ser útil pensar en cómo las soluciones afectarán el paso del agua hacia dentro y fuera de las células. La capacidad de una solución extracelular para hacer que el agua entre o salga de una célula por ósmosis se conoce como su tonicidad. La tonicidad es un poco diferente de la osmolaridad porque toma en cuenta tanto las concentraciones relativas de los solutos como también la permeabilidad de la membrana celular a esos solutos.

Se usan tres términos —hipertónica, hipotónica e isotónica— para describir si una solución provocará la entrada o salida de agua de una célula:

Si una célula se coloca en una solución hipertónica, habrá un flujo neto de agua fuera de la célula, y esta perderá volumen. Una solución será hipertónica para una célula si su concentración de solutos es mayor que la del interior de la célula, y los solutos no pueden atravesar la membrana.

Si una célula se coloca en una solución hipotónica, habrá un flujo neto de agua hacia dentro de la célula, y esta aumentará su volumen. Si la concentración de solutos fuera de la célula es menor que la del interior de la célula, y los solutos no pueden atravesar la membrana, entonces esa solución es hipotónica con respecto a la célula.

Si una célula se coloca en una solución isotónica, no habrá un flujo neto de agua hacia dentro o fuera de la célula, y el volumen de la célula seguirá igual. Si la concentración de solutos dentro de la célula es igual al que hay dentro de la célula, y los solutos no pueden atravesar la membrana, entonces esa solución es isotónica con respecto a la célula.

Si una célula se coloca en una solución hipertónica, el agua saldrá de la célula y la célula se encogerá. En un ambiente isotónico, 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.

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. Si se coloca en una solución hipotónica, el glóbulo rojo se inflará y puede explotar, mientras que en una solución hipertónica, se secará —lo cual puede volver denso al citoplasma y concentrar su contenido— y posiblemente muera.

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 (panel izquierdo inferior).

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 —aparecen en la siguiente fotografía— 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.