1.1: Mezclas y Compuestos

Las mezclas son formas heterogéneas de materia. Las mezclas están compuestas por proporciones variables de moléculas y átomos.

La composición de una mezcla es variable, conservando cada componente sus propiedades características. Sus componentes se separan fácilmente. Ejemplos de Mezclas: suelo, agua oceánica y otras soluciones, aire, el citosol de una célula

En contraste, los compuestos son formas homogéneas de la materia. Sus elementos constitutivos (átomos y/o iones) están siempre presentes en proporciones fijas. Las propiedades de los compuestos incluyen

• Las proporciones relativas de los elementos en un compuesto son fijas.
• Los componentes de un compuesto no conservan sus propiedades individuales. Tanto el sodio como el cloro son venenosos; su compuesto, la sal de mesa (NaCl) es absolutamente esencial para la vida.
• Se necesitan grandes entradas de energía para separar los componentes de un compuesto.

Ejemplos de compuestos

• agua (H ₂ O)
• sal de mesa (NaCl)
• sacarosa (azúcar de mesa, C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁)

Separación de los componentes de una mezcla

La mayor parte del trabajo de laboratorio en biología requiere el uso de técnicas para separar los componentes de las mezclas. Esto se hace explotando alguna propiedad que distingue a los componentes, como su relativo

• tamaño
• densidad
• solubilidad
• carga eléctrica

Diálisis

La diálisis es la separación de pequeñas moléculas de soluto o iones (por ejemplo, glucosa, Na ⁺, Cl ^-) de macromoléculas (por ejemplo, almidón) en virtud de sus diferentes velocidades de difusión a través de una membrana diferencialmente permeable.

Figura\(\PageIndex{1}\) : Diálisis de moléculas pequeñas utilizando tubos de diálisis. (CC-SA-BY-3.0; Potcherboy).

Como se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\), el celofán utilizado para construir una bolsa está perforado con poros diminutos que permiten el paso de iones y moléculas pequeñas, pero excluyen moléculas con pesos moleculares mayores a aproximadamente 12,000. Si se mezcla una bolsa de celofán con una mezcla de azúcar y almidón y se coloca en agua salada, las moléculas de azúcar (puntos verde azulado) se difundirán hacia el agua hasta alcanzar el equilibrio; es decir, hasta que sus concentraciones sean iguales en ambos lados de la membrana. De igual manera, la sal (puntos rojos) se difundirá en la bolsa. Sin embargo, debido a su gran tamaño, todo el almidón (discos azules grandes) quedará retenido dentro de la tubería.

Cromatografía

Cromatografía es el término utilizado para varias técnicas para separar los componentes de una mezcla. Los diferentes tipos de técnicas de cromatografía utilizadas son: cromatografía en papel, cromatografía de exclusión y cromatografía de afinidad.

La técnica de cromatografía en papel proporciona una manera fácil de separar los componentes de una mezcla. Se coloca una gota de mezcla en una esquina de un cuadrado de papel absorbente.

• Un borde del papel se sumerge en un solvente. (a)
• El disolvente migra hacia arriba por la lámina por atracción capilar.
• Al hacerlo, las sustancias en la gota son transportadas a diferentes velocidades. b)
• Cada compuesto migra a una velocidad que refleja
  • el tamaño de su molécula y
  • su solubilidad en el disolvente.
• Después de una segunda pasada en ángulo recto con la primera (a menudo usando un disolvente diferente), las diversas sustancias se extenderán en distintos puntos a través de la lámina, formando un cromatograma. c)
• La identidad de cada mancha se puede determinar comparando su posición con la posición ocupada por sustancias conocidas en las mismas condiciones.
• En muchos casos, se puede cortar un fragmento del papel de la hoja y realizar análisis químicos sobre la pequeña cantidad de sustancia que contiene.

Figura 1.1.2: Cromatografía en papel

Autoradiografía

Si la mezcla contiene moléculas que han sido marcadas con un isótopo radiactivo, éstas pueden localizarse colocando el cromatograma junto a una lámina de película de rayos X. La ubicación de las manchas oscuras en la película desarrollada (debido a la radiación emitida por el isótopo) puede correlacionarse con la posición de las sustancias en el cromatograma.

Las figuras anteriores (cortesía del Dr. James A. Bassham) muestran autorradiogramas del tipo que fueron esenciales para resolver las reacciones oscuras de la fotosíntesis. Las manchas oscuras muestran los compuestos radiactivos producidos después de 10 segundos (izquierda) y 2 minutos (derecha) de fotosíntesis por el alga verde Scenedesmus. El alga fue suministrado con dióxido de carbono marcado con ¹⁴ C, un isótopo radiactivo de carbono.

• A los 10 segundos, la mayor parte de la radiactividad se encuentra en el ácido 3-fosfoglicérico (“P-glicérico”).
• A los 2 minutos se han sintetizado azúcares fosforilados de 6 carbonos (glucosa y fructosa) así como una serie de aminoácidos.

El pequeño rectángulo y círculo (esquinas inferiores a la derecha) marcan los puntos donde se aplicó el extracto celular.

Cromatografía de exclusión

Uno de los problemas más comunes en la investigación bioquímica es separar los muchos componentes —generalmente macromoléculas— en extractos celulares y similares. Los métodos para separar los componentes de una mezcla aprovechan diferencias tales como tamaño, carga eléctrica y solubilidad en diferentes disolventes de las moléculas que contiene. Un ejemplo: Electroforesis que separa macromoléculas tales como proteínas y ADN por su carga (y a veces también por tamaño).

La cromatografía de exclusión separa las moléculas en base al tamaño. Se rellena una columna con perlas semisólidas de un gel polimérico que admitirá iones y moléculas pequeñas (azules) en su interior pero no grandes (mostradas en rojo). Cuando se aplica una mezcla de moléculas e iones disueltos en un disolvente en la parte superior de la columna, las moléculas más pequeñas (e iones) se distribuyen a través de un volumen de disolvente mayor que el disponible para las moléculas grandes. En consecuencia, las moléculas grandes se mueven más rápidamente a través de la columna, y de esta manera la mezcla se puede separar (fraccionar) en sus componentes. La porosidad del gel se puede ajustar para excluir todas las moléculas por encima de un cierto tamaño. Sephadex y Sepharose son nombres comerciales para geles que están disponibles comercialmente en una amplia gama de porosidades.

Cromatografía de afinidad

El objetivo de la cromatografía de afinidad es separar todas las moléculas de una especificidad particular de toda la gama de moléculas en una mezcla como un suero sanguíneo. Por ejemplo, los anticuerpos en una muestra de suero específica para un determinante antigénico particular pueden aislarse mediante el uso de cromatografía de afinidad.

Para lograrlo se realizan los siguientes pasos:

Paso 1

Se prepara un inmunoadsorbente. Esta consiste en una matriz sólida a la que se ha acoplado el antígeno (mostrado en azul) (generalmente covalentemente). Como matriz se pueden usar agarosa, sephadex, derivados de celulosa u otros polímeros.

Paso 2

El suero se pasa sobre el inmunoadsorbente. Mientras no se supere la capacidad de la columna, aquellos anticuerpos en la mezcla específicos para el antígeno (que se muestra en rojo) se unirán (no covalentemente) y se retendrán. Los anticuerpos de otras especificidades (verdes) y otras proteínas séricas (amarillas) pasarán sin obstáculos.

Paso 3

Elución. Se hace pasar un reactivo a la columna para liberar los anticuerpos del inmunoadsorbente. A menudo se usan tampones que contienen una alta concentración de sales y/o pH bajo para interrumpir las interacciones no covalentes entre anticuerpos y antígeno. Un agente desnaturalizante, tal como urea 8 M, también romperá la interacción alterando la configuración del sitio de unión al antígeno de la molécula del anticuerpo.

Otro enfoque, más suave, es eluir con una forma soluble del antígeno. Estos compiten con el inmunoadsorbente por los sitios de unión al antígeno de los anticuerpos y liberan los anticuerpos a la fase fluida.

Paso 4

Diálisis. El eluato se dializa luego contra, por ejemplo, solución salina tamponada con el fin de eliminar el reactivo utilizado para la elución.

Electroforesis

La electroforesis utiliza una corriente eléctrica continua para separar los componentes de una mezcla por la carga eléctrica diferente.

Ejemplo de Electroforesis

Las proteínas en el suero sanguíneo se pueden separar por electroforesis.

• Se aplica una gota de suero en una banda a una lámina delgada de material de soporte, como papel, que ha sido empapada en una solución salina ligeramente alcalina.
• A pH 8.6, que se usa comúnmente, todas las proteínas están cargadas negativamente, pero algunas con más fuerza que otras.
• Una corriente continua puede fluir a través del papel debido a la conductividad del tampón con el que se humedece.
• A medida que fluye la corriente, las proteínas séricas se mueven hacia el electrodo positivo.
• Cuanto más fuerte es la carga negativa sobre una proteína, más rápido migra.
• Después de un tiempo (típicamente 20 min), la corriente se apaga y las proteínas se tiñen para hacerlas visibles (la mayoría son incoloras por lo demás).
• Las proteínas separadas aparecen como bandas distintas.
• El más destacado de estos y el que se mueve más cerca del electrodo positivo es la albúmina sérica.
• Las otras proteínas son las diversas globulinas séricas.

Sustancias Puras

Algunas de las sustancias puras aisladas de las mezclas no se pueden descomponer más. El oxígeno (O ₂) es un ejemplo. Es uno de los elementos; los bloques fundamentales de construcción de la materia. La mayoría de las sustancias puras son compuestos. La sal de mesa, cloruro de sodio (NaCl), es un ejemplo; el agua (H ₂ O) es otro. Si pasamos una corriente eléctrica a través de NaCl fundido, se formarán dos nuevas sustancias:

• sodio, un metal brillante tan reactivo que debe ser almacenado fuera del contacto con el aire
• cloro, un gas venenoso amarillento.

En esta operación, un compuesto se ha descompuesto en sus elementos constitutivos. Obsérvese las diferencias entre separar los componentes de una mezcla y los de un compuesto. La descomposición del NaCl requirió un gran aporte de energía ya que los fuertes enlaces iónicos que mantienen unidos los átomos de Na y Cl deben romperse. La relación de los pesos de los dos productos siempre son 23 partes de sodio a 35.5 partes de cloro. Esto refleja la invarianza de la relación (1:1 en este caso) del número de átomos en un compuesto y los pesos relativos (23: 35.5) de los átomos en la sal de mesa. Las propiedades de los componentes del compuesto no son las mismas que las del propio compuesto. Tanto el sodio como el cloro son peligrosos para la vida; su compuesto, el cloruro de sodio, es un ingrediente vital de todas las dietas animales.