Curso 2015-16

TEMA 2

El medio acuoso: Agua, pH, iones.

Disoluciones y concentración.

Equilibrio hídrico e iónico. Aspectos

hormonales y patológicos

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Estructura molecular del agua. Puente de Hidrógeno

• Carácter tetraédrico, O con hibridación sp3, el átomo de O en el centro y los dos átomos de hidrógeno en dos de los vértices. Hacia los otros 2 vértices se sitúan los otros 2 orbitales, cada uno de ellos ocupado por un par de electrones.

• En consecuencia, la molécula de agua es un dipolo eléctrico, sin carga neta.

• El enlace por puente de hidrógeno se forma entre el hidrógeno (d+) unido covalentemente al O que “puentea” con otro átomo de O con d- de otra molécula.

• Este enlace es débil, se puede romper y re-formar con rapidez con otros átomos. Hay intercambios constantes.

• En el agua líquida y el hielo se forman estructuras en racimo y/o redes que hacen del agua una sustancia de propiedades anormales.

• La estructura molecular del agua, su naturaleza dipolar y la posibilidad de formar puentes de hidrógeno condicionan sus propiedades físico-químicas (curva de densidad/temperatura alterada, punto de fusión y ebullición muy altos, altos valores de sus constantes físicas etc).

d+

A0.96

104.5°

d+

d-

o

H

H

2

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H H

H H

H H

H

H

HH

O

O

O

OO

H2O

(H2O)n

Destacan:

1. El agua actúa como componente estructural de macromoléculas, como

proteínas, polisacáridos, etc., y estabiliza sus estructuras,

fundamentalmente a través de la formación de puentes de hidrógeno con

ellas.

2. El agua es un buen disolvente de muchas sustancias, tanto iónicas

como polares, lo que permite que se produzcan en su seno las reacciones

bioquímicas, y es además un excelente medio de transporte en el organismo.

3. El agua es sustrato o producto de muchas reacciones de las vías

metabólicas. Actua como co-sustrato en las reacciones catalizadas por

hidrolasas e hidratasas, en la gran mayoría de las oxidasas, y suele intervenir

en otras muchas.

4. El agua tiene carácter termorregulador, pues permite mantener la

temperatura corporal por su alto calor específico, y refrigera por sudoración tras

ejercicio intenso o tras exposición a temperaturas elevadas debido a su alto

calor de vaporización.

Funciones bioquímicas y fisiológicas del agua

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Los seres humanos mantienen la homeostasis acuosa, como la de otros componentes. Los valores

diarios (24h) de intercambio recomendados como “normales” en adultos y verano son:

a) Ingestión media (2500-3000 mL)

Bebida: 1500 mL.

Alimentos: 1000 mL.

Oxidación metabólica: 500 mL.

b) Excreción (2500-3000 mL)

Orina: 1500 mL (diuresis).

Respiración: 600 mL.

Transpiración, evaporación: 800 mL.

Heces: 100 mL.

El agua corporal se clasifica en intracelular y extracelular. • El agua intracelular, aprox. un 70% del total se puede ser Agua libre, o ligada a estructuras y

entidades macromoleculares.

• El agua extracelular constituye un 30% del y puede ser plasmática, en la que se incluye la del

plasma y de la linfa, y que supone un 7% del total o intersticial (23% restante) que comprende la presente

en el líquido intersticial, en el líquido cefalorraquídeo, en el humor ocular, etc.

El agua intracelular y extracelular están en equilibrio según los contenidos en iones y biomoléculas

(presión osmótica y oncótica) y por la existencia de las acuaporinas (canales de agua existentes en las

membranas celulares)

Ingestión y excreción del agua

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ALTERACIONES DEL EQUILIBRIO HÍDRICO

El volumen de los compartimentos acuosos está muy bien regulado a nivel

neuroendocrino con la intervención de 3 hormonas para la diuresis.

• Intervienen la vasopresina (aumenta la reabsorción renal del agua), la

aldosterona (aumenta la reabsorción renal del sodio) y el factor o péptido

natriurético atrial o auricular, con efectos combinados, que globalmente

favorece la eliminación urinaria de sodio y agua, así como el descenso de la

presión arterial.

• Por tanto, las 2 primeras bajan diuresis y el factor natriurético la sube.

• Los desequilibrios dan lugar la deshidratación y la sobrehidratación, menos común. Los

trastornos hídricos pueden venir acompañados de alteraciones en la concentración iónica.

Así, pueden ser isotónicos, hipertónicos e hipotónicos. En general, el organismo puede

tolerar hasta una alteración del 10% en el contenido de agua. Por encima, puede ser incluso

mortal, sobretodo las no isotónicas (beber agua sin sales, de deshielo, o agua de mar).

• Los síntomas de deshidratación: náuseas, dolor de cabeza, debilidad, vértigo, taquicardia,

vasoconstricción, hipotensión, etc.

• En la sobrehidratación pueden aparecer: náuseas y dolor de cabeza, edema, hipertensión,.

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CONCENTRACIONES. FORMAS DE EXPRESIÓN

Principales formas de expresar la concentración de solutos.

Molar (moles/litro) y sus divisores (mM, mM, nM, pM).g /l o su igual mg/mlg /100 ml o g/dl, frecuente en bioquímica clínica para parámetros sanguíneos.

Principio de dilución: Ci Vi = Cf Vf (el producto de volumen por la concentración de cada soluto no varía en diluciones).

El cociente Vf/Vi se llama factor de dilución (ej. Dilución 10, 100 veces, etc.).

Líquido intersticial Líquido intracelular

Na+ 142.0-139.0 14.0

K+ 4.2 - 4.0 140.0

Ca+2 1.3 - 1.2 0.0

Mg+2 0.8 - 0.7 20.0

Cl– 108.0 4.0

HCO3– 24.0 - 28.3 10.0

SO42– 2.0 - 2.0 11.0

HPO42-, H2PO4

- 2.0 - 2.3 140.0

Todos los valores se expresan en milimoles/litro (mM). La suma es casi igual (isotónico). Cantidades menores o mayores causan hipotonía o hipertonía.

RESUMEN IMPORTANTE: Mucho mas K+ dentro de la célula, mucho más Na+ y Cl- fuera.6

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CANTIDAD DE IONES EN FLUIDOS CORPORALES

Arrhenius, Ionización del agua, muy escasa pero medible: H2O H+ + OH–

A 25 ºC, la Keq es 1.8 x10-16 M y la molaridad del agua es 55.5 M, así que:

Kw = [H+] x [OH–] = 10–14 M2 Producto iónico del agua.

[H+] = [OH–] = 10-7

Disolución ácida [H+] > 10-7 y [OH–] < 10-7

Disolución básica [H+] < 10-7 y [OH–] > 10-7

Los valores de concentración de protones e hidroxilos son incómodos para el trabajo

habitual, así que en 1909, Sörensen, bioquímico danés, estableció la escala de pH,

pH = – log [H+]

En función del pH, las disoluciones pueden clasificarse en:

– Neutras: si el valor del pH es igual a 7 porque [H+] = 10-7 .

– Ácidas: si el valor del pH es inferior a 7 porque [H+] > 10-7 .

– Básicas: si el valor del pH es superior a 7 porque [H+] < 10-7

ÁCIDOS, BASES y pH

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pH DE LOS LÍQUIDOS Y FLUIDOS FISIOLÓGICOS

• Sangre arterial 7.40• Sangre venosa 7.35

• Líquido intersticial 7.35

• Líquido intracelular 6.0 a 7.4 (6.9-7.2, rango estrecho más habitual)

• Jugo gástrico 1.0 a 3.5

• Jugo pancreático 8.0 a 8.3• Bilis 7.8

• Jugo intestinal 7.5 a 8.0

• Leche materna 7.4

• Semen 7.5

• Orina 4.5 a 8.0

• Sudor 3.8 a 5.6

• Saliva 6.0 a 7.0

• Lágrima 5.5 a 6.5

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Ácidos y bases débiles

• Los ácidos/bases fuertes se disocian de forma completa: HCl H+ + Cl–

Por tanto, una disolución de HCl de concentración 10–5 M, [H+] = 10-5 M

Sin embargo, casi todos los ácidos y bases que regulan el pH del cuerpo humano son ácidos o bases débiles. Se disocian parcialmente.

• La Disociación viene regida por la constante de disociación o ionización del ácido o de la base, Ka o Kb.

• Por ejemplo, el ácido láctico. El equilibrio viene expresado como:

• Láctico (LacH) Lactato (Lac–) + H+

Ka = [Lac–] [H+] / [LacH]

pKa = –log Ka

• Los valores de pKa de los ácidos débiles oscilan entre 3 y 6.

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Disoluciones reguladoras o tampones

La homeostasis ácido-base fisiológica es fundamental. En sangre, valores por debajo de 7.4 producen acidosis y por encima alcalosis. Acidosis <7 o alcalosis >7.8, pueden causar la muerte.

El cuerpo utiliza 3 estrategias:

• a) Amortiguadores fisiológicos (disoluciones reguladoras).

• b) Ventilación pulmonar para expulsar CO2 (ácido)

• c) Filtración renal para expulsar bicarbonato (básico) o protones (ácido)

Las disoluciones reguladoras, amortiguadoras, tampón, o «buffer» están formadas por:

a) Por un ácido débil y la sal de su base conjugada. P. ej.: ácido acético/acetato sódico.

b) Por una base débil y la sal de su ácido conjugado. P. ej.: amoníaco/cloruro amónico.

AH A– + H+ Ka = [A–] [H+] / [AH]

Para obtener la ecuación de Henderson-Hasselbalch,

[H+] = Ka [AH] / [A–] log [H+] = log Ka - log [A–] / [AH]

pH = pKa + log [A–] / [AH]

pH = pKa + log [Sal] / [Ácido] 10

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Alcalosis y acidosis: Alteraciones patológicas del pH plasmático. Hay metabólicas y respiratorias

a) Acidosis metabólicaCausas. 1) Hipoaldosteronismo (Enfermedad de Addison).

• 2) Gran aporte de ácidos (producción metabólica excesiva, p.ej. la diabetes mellitus, en ayuno o en ejercicio anaeróbico).

• 3) Defecto renal en la excreción de protones o reabsorción de bicarbonato (insuficiencia renal; acidosis tubular renal).

• 4) Pérdidas de bicarbonato (diarreas alcalinas; fístulas intestinales).

Compensación. El organismo recurre a hiperpnea o taquipnea (ventilación pulmonar profunda y rápida). Elimina más CO2 y aumenta el pH.

Tratamiento. El tratamiento clínico más sencillo consiste en la administración oral de bicarbonato sódico.

b) Acidosis respiratoriaCausas. Insuficiencia en la ventilación pulmonar (enfisema; neumonía) o ingestión de depresores respiratorios (barbitúricos).

Compensación. El riñón aumenta la reabsorción de bicarbonato con lo que el pH interno aumenta.

Tratamiento. El mejor es aumentar la ventilación, utilizando respiración asistida. Se puede utilizar el bicarbonato sódico oral.

a) Alcalosis metabólicaCausas. 1) Hiperaldosteronismo (Síndrome de Conn).

2) Aumento de las pérdidas de ácidos (Vómitos continuos de origen gástrico, con pérdida de HCl).

3) Administración de diuréticos (aumento excreción de H+).

4) Ingestión de compuestos alcalinos (fármacos para tratamiento de gastritis o úlceras gastroduodenales).

Compensación: Bradipnea o hipopnea (disminución de ventilación pulmonar). Retención de CO2, disminuyendo el pH.

Tratamiento. Administración de cloruro amónico por vía oral. También se ha utilizado lisina y arginina.

b) Alcalosis respiratoriaCausas. Hiperventilación pulmonar. Se elimina CO2, con lo que aumenta el pH. Debido a estímulo del centro respiratorio

(trastornos de ansiedad; neurosis; crisis nerviosas) o a hipoxia (respiración en altitud; anemia; insuficiencia cardiaca).

Compensación. Mayor la eliminación renal de bicarbonato y retención de protones. También por mayor producción metabólica de láctico y pirúvico.

Tratamiento. Aumento de la inspiración del CO2. En la práctica, un plástico que cubra las vías respiratorias (fosas nasales y boca) para que se respire aire enriquecido en CO2.

En determinadas ocasiones pueden producirse trastornos mixtos del equilibrio ácido-base. Un ejemplo con alteraciones seriadas es el que puede aparecer en los estados de embriaguez. A la acidosis metabólica temprana, debida a la cetoacidosis, y hay vómitos y jadeo le sigue una alcalosis metabólica y respiratoria por los vómitos (perdida acidez gástrica) la hiperventilación (pérdida CO2).

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Ósmosis y presión osmótica

En la situación inicial (izquierda), dos disoluciones de diferente concentración se encuentran separadas

por una membrana semipermeable (poro de tamaño pequeño que no dejar pasar macromoléculas como

las proteínas).

Las moléculas de disolvente y los iones pequeños atraviesan la membrana desde la disolución menos

concentrada a la más concentrada. Este fenómeno se denomina ósmosis (del griego, osmos, impulso).

Ello crea una presión osmótica que se iguala por la presión debida a la mayor altura que alcanza el nivel

de uno de los compartimentos. La presión osmótica en el laboratorio se puede medir por la presión

hidrostática que evita que atraviese la membrana una mayor cantidad de disolvente (derecha).

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Diálisis

• La diálisis es el proceso en el que se logra la separación de los macrosolutos de una disolución por filtración con una membrana de tamaño de poro selectivo utilizando el fenómeno de ósmosis.

• La membrana debe permitir el paso de moléculas de disolvente (agua) y de iones difusibles (Cl-, Na+ etc.), pero no el de las macromoléculas.

• Las diálisis naturales se producen en varias partes del organismo. Un par de ejemplos son la filtración renal y los intercambios entre plasma y líquido intersticial. En clínica, la diálisis tiene una aplicación, la hemodiálisis, en pacientes que sufren problemas renales y no pueden llevar a cabo para la necesaria purificación de la sangre (eliminación de metabolitos más o menos tóxicos producto del metabolismo).

• Para iones y moléculas cargadas, estos procesos pueden sufrir desviaciones por efecto de la necesaria neutralidad eléctrica a ambos lados (Efecto Gibbs-Donnan). Equilibrios en los cuales no todas las sustancias llegar a igualar sus concentraciones.

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RESUMEN del TEMA

1. El agua es la biomolécula más abundante de los seres vivos. En el ser humano constituye un aprox. el 70% del peso del cuerpo humano. No puede existir vida sin agua.

2. La hibridación sp3 del O de la molécula de agua determina sus propiedades físicas y químicas, de las que la principal es su capacidad de establecer enlaces por puente de hidrógeno.

3. Es un buen termorregulador debido a sus elevados valores de calor específico, calor de vaporización y conductividad calorífica.

4. Es un buen disolvente de sustancias iónicas, polares y anfipáticas.

5. Los organismos deben presentar homeostasis en su contenido en agua, controlado por hormonas.

6. Tras un cambio en el pH del plasma o un fallo de la regulación hídrica, el organismo sufre graves situaciones patológicas (acidosis, alcalosis, deshidratación etc).

7. Las disoluciones acuosas presentan propiedades coligativas que dependen del número de partículas de soluto (es decir de su concentración). Repasar molaridad, normalidad y masa/volumen.

8. Es un electrolito débil de comportamiento anfótero. La escala de pH permite la cuantificación de la acidez y basicidad de las disoluciones acuosas.

9. La ecuación de Henderson-Hasselbalch permite conocer el estado de ionización de ácidos y bases débiles, grupo al que pertenecen la práctica totalidad ácidos y bases implicados en los procesos vitales.

10. Las disoluciones coloidales son sistemas heterogéneos sin separación de fases. Los solutos coloidales presentan movimiento browniano, efecto Tyndall y efecto Gibbs-Donnan. La presión osmótica ejercida por las disoluciones coloidales se denomina presión oncótica.

11. Los fluidos y tejidos corporales presentan un contenido en iones característico para cada estructura. Las variaciones en la concentración adecuada de estos iones también conducen a la aparición de patologías. Dos ejemplos de desequilibrio en las concentraciones de sodio y potasio son a enfermedad de Addison y el síndrome de Conn.

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