BOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS: EL AGUA

1) LAS UNIDADES DE LA MATERIA VIVA

Los bioelementos o elementos biogénicos son aquellos elementos químicos que forman las
moléculas características de los seres vivos. De todos los elementos presentes en la tabla periódica
unos 70 aparecen en los seres vivos, de estos unos 27 son componentes esenciales para las diferentes
formas de vida, y solamente 16 se hallan en todas las clases de organismos. Los bioelementos se
clasifican en primarios, secundarios y oligoelementos.

Los bioelementos primarios:

Los 6 bioelementos más abundantes en los seres vivos son: C, H, O, N, P y S. Representan el 96%
total de la materia viva. El C, H y O son los componentes mayoritarios de las biomoléculas: H20,
glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Estos elementos comparten una serie de
características:

o Su masa atómica es baja, por lo que los enlaces que forman son fuertes, confiriendo
estabilidad a las moléculas biológicas de las que forman parte.
o Los enlaces que forman son enlaces covalentes, formados por electrones compartidos y por
tanto, las moléculas originadas son estables.
o La mayoría son polares y solubles en agua.
o Son moléculas dinámicas que reaccionan, es decir, pueden oxidarse y reducirse, forman parte
de procesos energéticos esenciales para la vida.

Funciones de los bioelementos primarios:

C,H Constituyen las cadenas hidrocarbonadas, que son la base de las biomoléculas.
O Presente en la mayoría de los compuestos orgánicos. Forman parte del agua.
Interviene en procesos energéticos fundamentales como la respiración celular.
N Forma parte de los aminoácidos, de algunos fosfolípidos y de las bases nitrogenadas de
los ácidos nucleicos.
S El grupo –SH forma parte de ciertos aminoácidos, da estabilidad a las proteínas al
formar puentes de disulfuro.
P Forman parte de los fosfolípidos y de nucleótidos. También está presente en las sales
minerales de esqueletos y dientes.

El carbono es el bioelemento primordial

El carbono es el bioelemento primordial que constituye la columna vertebral de las biomoléculas y

en general de todos los compuestos orgánicos.

El C es especialmente importante debido a:

o Tetravalencia: El C tiene 4 electrones que comparte para formar cuatro enlaces covalentes
simples con átomos o grupos funcionales diferentes. Al unirse de esta forma, el átomo de C
ocupa el centro de un tetraedro cuyos cuatro vértices corresponden a las cuatro valencias. Las

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 moléculas orgánicas resultantes son tridimensionales, y es importante destacar que su forma
en el espacio va a estar muy relacionada con la función que desempeñan.
o Diversidad de enlaces: Enlaces simples, dobles o triples que originan cadenas carbonadas
estables de tamaño y formas variables. Estas cadenas carbonadas constituyen el esqueleto de
las biomoléculas, permitiéndose formar estructuras espaciales complejas y estables.
o Formación de grupos funcionales: Estos les darán propiedades concretas a las moléculas
que los posean. La mayoría van a formar parte de compuestos polares y solubles en agua.
o Versatibilidad: Ningún otro elemento químico puede formar moléculas estables de tamaños
y formas tan diferentes, ni con tal variedad de bioelementos primarios. Ello explica que, a
pesar de su relativa escasez en la corteza terrestre, sea el elemento en el que se basa la
química de los seres vivos.

Los bioelementos secundarios

Aunque son menos que los primarios, son imprescindibles para los seres vivos. Representan el
3% del total de la materia viva. En el medio acuoso se encuentran ionizados. Son fundamentales
para regular múltiples procesos fisiológicos como el paso de sustancias a través de las
membranas. Son: Na +, K+, Ca2+, Mg2+, Cl -.

Funciones de los bioelementos secundarios:

Na+, K+, Cl- Mantiene la salinidad, determinan los gradientes de membrana,

imprescindibles para la transmisión del impulso nervioso.
Ca2+ Importante en la contracción muscular, en la coagulación sanguínea y en la
transmisión del impulso nervioso. Como CaC3 (precipitada) forma parte de
caparazones y esqueletos.
Mg2+ Aparece en la clorofila y en muchas encimas.

Los oligoelementos (o elementos traza)

Son funciones catalíticas que aparecen en muy baja proporción (menos del 0,1%). Son necesarios
para el correcto funcionamiento del organismo. Se clasifican en:

o Esenciales: aparecen en la mayoría de organismos: Fe, Cu, Zn, Mn, I, Ni, Co.
o No esenciales: Si, F, Cr, Li, B, Mo, Al.

Funciones de los oligoelementos o elementos de traza.

Fe Forman parte de la hemoglobina y la mioglobina.

Cu, Zn, Cofactores enzimáticos.
Mn
I Interviene en la síntesis de le tiroxina (hormonal)
Si Proporciona resistencia y elasticidad en el tejido conjuntivo.
Li Estabilizador del estado de animo.

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 2) TIPOS DE ENLACES EN LAS BIOMOLÉCULAS.

Hay dos tipos de enlaces:

 Enlaces INTRAmoleculares:
 Enlace iónico: se produce por la atracción electrostática de átomos con cargas opuestas,
resulta de la pérdida de electrones por parte de un átomo (ión positivo o catión) y la ganancia
por parte de otro (ión negativo o anión). En solución los iones están libres mientras que en
estado sólido unos iones se rodean de otros de carga opuesta, formando un entramado
llamado estructura cristalina.
 Enlace covalente: se produce entre átomos que comparten uno o más pares de electrones,
cuya electronegatividad es igual (se originan moléculas apolares como el N2, 02, H2) o unos
átomos atraen más que otros los electrones (se originan moléculas polares, con un polo
positivo y otro negativo, formando dipolos moleculares, como el H2O o el NH3)

 Enlaces INTER moleculares:

 Puentes de hidrógeno: cuando un átomo de hidrógeno está unido covalentemente a un
elemento muy electronegativo (O,N); éste atrae hacia él a los electrones compartidos en el
enlace covalente.
 Interacciones iónicas: se producen entre moléculas con grupos funcionales con cargas
eléctricas opuestas.
 Fuerzas de Van der Waals: son interacciones hidrofóbicas que se establecen entre grupos o
moléculas apolares, que tienden a agruparse juntas en un medio acuoso aislándose lo más
posible del agua. Actúan a distancias muy cortas y son importantes en la formación de las
membranas celulares.

Los bioelementos se unen entre sí para formar moléculas que llamaremos biomoléculas: las
moléculas que constituyen los seres vivos.
Estas moléculas se han clasificado tradicionalmente en los diferentes principios inmediatos,
llamados así porque podían extraerse de la materia viva con cierta facilidad, por métodos físicos
sencillos como: evaporación, filtración, destilación, disolución, etc.

Desde el punto de vista químico podemos distinguir:

 Biomoléculas Inorgánicas: No son exclusivas de los seres vivos y tienen estructura química
sencilla. Son el agua, las sales minerales y algunos gases (O2 y CO2) que se intercambian
con el medio ambiente en la fotosíntesis y la respiración.
 Biomoléculas Orgánicas: Son moléculas exclusivas de la materia viva y se caracterizan por
estar formadas por cadenas hidrocarbonadas. Son los glúcidos, los lípidos, las proteínas y los
ácidos nucleicos. Casi todas las biomoléculas son polímeros, constituidos por la repetición de
subunidades llamadas monómeros.

Fórmulas de las biomoléculas:

o Desarrollada o estructural: indicando todos los átomos y enlaces covalentes de la molécula.
o Semidesarrollada: indicando únicamente los enlaces de la cadena carbonada.
o Empírica: indicando únicamente el número de átomos de cada elemento de la molécula.
o Simplificadas: la cadenas carbonatadas se representan mediante una línea quebrada en la que
no se indican carbonos e hidrógenos pero sí enlaces dobles u otras variaciones que posee.

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Los principios inmediatos pueden tener función estructural, como las proteínas y las sales minerales
de los huesos, o los lípidos de las membranas plasmáticas; función energética, de reserva o almacén,
como las grasas; y función reguladora o biocatalizadora, es decir, aceleradora de las
reacciones bioquímicas, como las proteínas enzimáticas.

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BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS: EL AGUA

3) SIN AGUA NO ES POSIBLE LA VIDA

Importancia del agua

o Es el componente mayoritario de los seres vivos: 70% de media.
o La vida se originó hace más de 3600 m.a. en medio acuático.
o Medio de disolución y medio de reacción de los procesos químicos.
o Medio vital: en la célula, en los organismos unicelulares y seres acuáticos.
o Sustancia fundamental en los procesos metabólicos claves: Fotosíntesis y respiración.

Estructura del agua

El agua es una molécula con una estructura química muy sencilla, que determina unas propiedades
fisicoquímicas muy particulares. La molécula del agua es un dipolo permanente, con una parte
positiva (δ+), correspondiente a los dos H y otra parte negativa (δ-), correspondiente al O. Aunque
es eléctricamente neutra, las moléculas de agua tienen carácter polar debido a un exceso de carga
negativa sobre el átomo de oxígeno. Debido a su polaridad, las moléculas de agua establecen
puentes de hidrógeno. En la molécula de agua ambos H se sitúan a los lados del O, el ángulo de los
dos H es de 104,5º. H-O-H

Propiedades del agua

o El agua es líquida entre 0-100ºC: Los puentes de hidrógeno creados en el seno del agua
unen las moléculas entre si, crea una estructura reticular e impide su evaporación, de este
modo, el agua es líquida a temperatura ambiente, mientras que otras moléculas con un peso
molecular similar (CO2, SO2, NO2) o composición química similar (NH3, CH4) son gases a
esa misma temperatura.
o Alto poder disolvente o acción disolvente: el agua es el líquido que más sustancias disuelve
(disolvente universal). Las sustancias que se disuelven en medio acuoso se denomina
hidrofílicas y son polares (con o sin carga neta), las sustancias que no se disuelven en medio
acuoso se denominan hidrofóbicas (apolares); mientras que las que se disuelven tanto en
disolventes acuosos como disolventes orgánicos apolares se llaman anfipáticas (sustancia
con una parte polar y otra apolar).
El agua puede formar enlaces por puente de H con moléculas siempre que tengan grupos
polares, por ejemplo: monosacáridos, aminoácidos, nucleótidos… y causar su disolución. Si
tiene cargas netas, como una sal, entonces produce su disociación.
Debido a la polaridad de la molécula de agua, se puede interponer entre los iones de redes
cristalinas de los compuestos iónicos, lo que origina una disminución importante de la
atracción entre ellos y en definitiva, provoca su disolución. El anión (ejemplo Cl-) es rodeado
por los H (tienen carga parcial+) de varias moléculas de agua y el catión (ejemplo Na+) es
rodeado por los O (tienen carga parcial -) de varias moléculas de agua. Este proceso se
denomina solvatación.

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 Tipos de sustancias según su solubilidad en agua:
Sustancias hidrofílicas Sustancias hidrofóbicas Sustancias anfipáticas
Moléculas polares y Moléculas no polares. Moléculas que tienen
sustancias iónicas Las moléculas apolares no zonas polares que se
pueden establecer puentes de disuelven, y zonas
H por lo que las moléculas de apolares, que no se
agua se organizan a su disuelven.
alrededor formando una
estructura a modo de jaula. Las
moléculas apolares repelidas por
el agua incrementan su
cohesión al aumentar las fuerzas
que las mantienen
juntas. INTERACCIÓN
HIDROFÓBICA

 Reactividad química: La molécula de agua no solo es medio de disolución, sino que

también interviene en las reacciones. El agua puede disociarse en iones, dado que 2
moléculas de agua originan OH- y H3O+, aunque la constante de disociación tiene un valor
bajísimo. Este ion hidronio H3O+, actúa como dador de H+ (ácido muy débil) y el ion
hidroxilo, OH-, como aceptor de H+, es decir como una base muy débil. También participa
como agente hidrolizarte de macromoléculas, rompiéndolas en monómeros.
-Bajo grado de ionización del agua: el agua puede actuar como reactivo.
- Ionización del agua, concepto de pH: pH= -log 10^-7= 7

 Elevada fuerza de cohesión y adhesión:

Cohesión: Capacidad de mantenerse junta sustancias iguales.
Adhesión: Capacidad que presenta una molécula de unirse a otra molécula o a una superficie
que presente cargas.
La elevada cohesión se explica porque al formarse los puentes de hidrogeno se mantienen las
moléculas de agua unidas, dando lugar a una estructura compacta, lo que otorga al agua una
elevada tensión superficial. Al estar muy cohesionadas las moléculas, el agua es un líquido
prácticamente incompresible, su volumen no disminuye apreciablemente aunque se aplique
cierta presión (Esqueleto hidrostáticos en las células vegetales o movimientos
citoplasmáticos).

 Alto calor específico y elevado calor latente de vaporización:

Calor específico: Cantidad de calor (medido en calorías o julios) que es necesario comunicar
a un gramo de una sustancia para aumentar su temperatura 1oC.
Calor latente de vaporización: Numero de calorías que hay que comunicarle a una sustancia
para pasar 1 gramo del estado líquido al gaseoso.
Calor específico y calor latente de vaporización, son elevados porque es necesario romper
los puentes de hidrogeno para liberar las moléculas al estado gaseoso. Se requiere un aporte
considerable de energía, que se toma del entorno, por lo que la evaporación del agua absorbe
mucho calor y disminuye la temperatura de la célula (o del individuo).

 Mayor densidad a 4ºC. En estado líquido el agua es más densa que en forma de hielo. Se
puede explicar si recordamos que en el hielo, cada molécula de agua establece cuatro puentes
de hidrogeno con las moléculas vecinas, originando una estructura reticular abierta, en la que

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 las moléculas se encuentran más separadas que en estado líquido. Por eso, el hielo es más
ligero y pueda flotar sobre el agua líquida.

Funciones del agua

Las funciones del agua son consecuencia de sus propiedades.

-Función disolvente: La propiedad del alto poder disolvente del agua es crucial para que se puedan
arrastrar, transportar y disolver nutrientes y desechos en los líquidos de los seres vivos Además, para
que sucedan las reacciones químicas del metabolismo de los seres vivos es indispensable que las
sustancias que van a reaccionar estén disueltas en el medio líquido y así puedan interaccionar, de esta
forma es fácil poner en contacto los enzimas y sustratos.

-Función bioquímica: además de ser el medio acuoso el lugar donde se producen las reacciones
metabólicas de los seres vivos, los seres vivos utilizan químicamente el agua en dos tipos de
reacciones fundamentales: la fotosíntesis y las reacciones de hidrólisis. En la fotosíntesis, la
molécula de agua es destruida (proceso llamado fotólisis del agua) usando la energía luminosa
obteniéndose oxígeno molecular, electrones y protones.
En las reacciones de hidrólisis, el agua tiene la capacidad de romper moléculas orgánicas en otras
más simples, por ejemplo los enlaces O-glucosídico o peptídico o éster se rompen al añadir una
molécula de agua.

-Función estructural: la incompresibilidad del agua es debida a la propiedad de la elevada fuerza

de cohesión (unión) de las moléculas de agua. Al no poder comprimirse llega a actuar como
esqueleto hidrostático en algunos animales invertebrados, permite la turgencia en plantas y las
deformaciones citoplasmáticas y además, la alta cohesión de las moléculas de agua también permite
la función mecánica amortiguadora en las articulaciones de los animales, ya que constituye el líquido
sinovial que disminuye el roce entre los huesos. Además, gracias a la adhesión se producen los
fenómenos de capilaridad, que permiten el ascenso de la savia bruta por el xilema.

-Función termorreguladora: la propiedad del elevado calor específico del agua permite que ésta se
caliente y se enfríe muy lentamente, evitando los cambios bruscos de temperatura, por lo tanto, el
agua actúa en los seres vivos regulando su temperatura. Esto es muy importante porque la
temperatura corporal debe mantenerse más o menos estable en los seres vivos.
Las moléculas de agua al evaporarse absorben mucho calor del entorno debido al alto calor de
vaporización para romper todos los enlaces por puente de H y así poder evaporarse, refrescando el
entorno. Esto permite la disminución de temperatura que experimentamos cuando se nos evapora el
sudor, por eso el sudor actúa como refrigerante.

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BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS: SALES MINERALES

4) SALES MINERALES

Son moléculas inorgánicas presentes en todos los seres vivos, pero no pueden ser producidas ni
degradadas por los mismos. Según su solubilidad en agua se clasifican en:
• Sales en estado sólido.
• Sales en disolución

Sales minerales en estado sólido

Funciones
Son sales que se encuentran precipitadas y constituyen estructuras sólidas e insolubles con funciones
esqueléticas o de protección:
- Carbonato cálcico en conchas de moluscos.
- Fosfato cálcico en los huesos y dientes.
- Dióxido de silicio en exoesqueletos (Diatomeas, esponjas con espículas silicuas y estructura de
sostén en algunos vegetales(gramíneas)).

Sales en disolución
Son sales que aparecen disociadas en sus iones correspondientes, tanto en medios intracelulares
como extracelulares. Las principales son:
cationes: Na+, K+, Ca2+, Mg2+ y NH4+.
aniones: Cl-, SO4, NO3, PO4, HPO4, H2PO4-, CO3 y HCO3.
Las sales minerales disueltas en agua siempre están ionizadas.

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 Sales minerales solubles en agua
Funciones
Funciones catalíticas. Algunos iones, como el Cu+, Mn2+, Mg2+, Zn+,... actúan como cofactores
enzimáticos. Los iones de Na+, K+, Cl- y Ca2+, participan en la generación de gradientes
electroquímicos, imprescindibles en el mantenimiento del potencial de membrana y del potencial de
acción en la sinapsis neuronal.
Dar estabilidad a muchas moléculas. En el cuadro se presentan algunos ejemplos significativos.
Funciones osmóticas. Intervienen en los procesos relacionados con la distribución de agua entre el
interior celular y el medio donde vive esa célula.
Función tamponadora. Intervienen en la regulación del equilibrio acido-base, a fin de mantener
constante el pH del medio interno.

 Ósmosis y presión osmótica

Si tenemos dos disoluciones acuosas de distinta concentración separadas por una membrana
semipermeable (deja pasar el disolvente pero no el soluto), se produce el fenómeno de la
osmosis que sería un tipo de difusión pasiva caracterizado por el paso del agua a través de la
membrana semipermeable desde la disolución más diluida (hipotónica) hacia la más
concentrada (hipertónica), este cambio continuará hasta que las dos disoluciones
adquieran la misma concentración (isotónicas o isoosmóticas).

Se entiende por presión osmótica la presión que sería necesaria para detener el flujo
de agua a través de la membrana semipermeable.

La membrana plasmática de la célula puede considerarse como semipermeable, y por ello

las células deben permanecer en equilibrio osmótico con los líquidos que las bañan.

o Equilibrios osmóticos

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  Reguladoras de pH:

Para los seres vivos resulta de mucha importancia mantener constantes sus niveles internos de
pH. De no ser así, muchas reacciones químicas cambiarían su sentido de reacción, o muchas
enzimas precipitarían con lo que se provocarían graves trastornos e incluso la muerte.
Los límites aceptables para la vida humana se sitúan entre 6 y 8 en el medio interno. Contamos
con los llamados sistemas amortiguadores, tampón o buffer, que son compuestos en
disolución que neutralizan los cambios de pH del medio cuando, como resultado de las
reacciones metabólicas se producen sustancias acidas o básicas que harían variar
el pH.
En nuestro organismo destacan dos sistemas tampón:
 Tampón bicarbonato.
En el plasma sanguíneo, el CO2 procedente del metabolismo celular se combina de forma
reversible con H2O, dando H2CO3. El ácido carbónico es un ácido débil que puede
disociarse en los iones H+ y HCO3(bicarbonato)

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 Cuando se produce un aumento de la concentración de iones H+ (al haber sustancias acidas)
el equilibrio se desplaza hacia la izquierda (elimina los H+ neutralizando la acidez) y se
elimina hacia el exterior el exceso de CO2 producido. Si por el contrario disminuye la
concentración de H+ (al aumentar la concentración de OH- debido a la presencia de
sustancias básicas) el equilibrio se desplaza hacia la derecha tomando CO2 de la sangre
(aumenta los H+ neutralizando la basicidad).

 B. Tampón fosfato.

El sistema amortiguador de fosfato actúa en el citoplasma de las células y consiste en:

El sistema amortiguador de fosfato resiste cambios en el pH desde 5,8 hasta 7,8. Por tanto, es
muy efectivo para los sistemas biológicos que realizan reacciones alrededor de pH 7.0.Cuando se
produce un aumento de la concentración de H+, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda
(elimina exceso de H+); si se produce una disminución de H+, el equilibrio se desplaza hacia la
derecha (se forma H+ para neutralizar el exceso de OH- al unirse ambos formando H2O).

5) LA MATERIA VIVA EN ESTADO COLODIAL

Los fluidos en los seres vivos constan de una fase dispersante o disolvente, que es el agua, y de
una fase dispersa o soluto.
En una disolución denominamos disolvente a la sustancia de la mezcla que se encuentra en
mayor proporción y soluto a la sustancia o sustancias que se encuentran en menor proporción.
El soluto está formado por partículas que pueden presentar distintos tamaños; según este tamaño
los fluidos se pueden clasificar en disoluciones verdaderas o dispersiones coloidales.

o Disolución verdadera: son aquellas disoluciones en las que las particulas de soluto
tienen un tamano muy pequeno (<1nm). Por ejemplo las sales minerales o pequenas
moleculas organicas como glucosa, aminoacidos…
Cuando son sales minerales se llaman disoluciones iónicas y cuando son pequenas
moleculas sin carga se llaman disoluciones moleculares.
Estas disoluciones son mezclas homogeneas, es decir, mezclas uniformes ya que su
composicion, estructura o propiedades se mantienen constantes en cualquier punto de
su masa.
o Disolución coloidal o dispersión coloidal: son las disoluciones que contienen
particulas de soluto de tamano grande (entre 1nm y 1𝛍m). Por ejemplo polisacaridos,
proteinas…. Estas particulas de soluto se llaman coloides. Estas mezclas son
heterogeneas, es decir, no son uniformes, ya que su composicion, estructura o
propiedades difieren de unas partes a otras de su masa, y a pesar del gran tamano de
las particulas, estas no sedimentan porque poseen grupos polares, haciendo enlaces
por puente de H con las moleculas de agua que las rodean.
En conclusion: los fluidos de los seres vivos, sangre, linfa, líquido intracelular…,
como contienen partículas de todos los tamaños, se parecen más a una dispersión
coloidal que a una disolución verdadera.

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 Las dispersiones coloidales pueden presentar dos estados físicos:
 Estado de sol, en las que presentan aspecto líquido, ya que las moléculas de soluto se
encuentran en menor cantidad que las del disolvente.
 Estado de gel, lo presentan las dispersiones con aspecto semisólido o gelatinoso cuando
las moléculas de solventes están “atrapadas” entre las de soluto, que son más abundantes
y se entrelazan formando una red continua. Es una dispersión más concentrada que la de
estado sol.
En la célula los estados de sol y gel se pueden alternar según las variaciones de
concentración de las partículas coloidales, por ejemplo por deshidratación se pierde agua
aumentando la concentración de coloides, y los lugares en los que se encuentren.
También cambian los estados de sol y gel con las variaciones en el pH, la temperatura y
presión. En ocasiones el cambio es irreversible y no es posible la transformación a la
inversa.

Para separar las partículas coloidales del resto se puede:

 Sedimentarlas por ultracentrifugación: Mediante una fuerza centrífuga
equivalente a miles de veces la fuerza de la gravedad, se separan las partículas de
una mezcla según sus masas, aunque estas sean muy similares.
 Adsorción: es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas son atrapadas o
retenidos en la superficie de un material.
 Diálisis: es el proceso de separación de partículas según su masa molecular
(tamaño), gracias a una membrana dializadora que tan solo deja pasar agua y
otras moléculas pequeñas pero no las grandes.

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