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29/08/2015
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EL AGUA
BioquímicaEnfermeríaDocente: Ximena Carolina Pulido
Objetivos
⦁ Conocer la estructura, propiedades físico-químicas del
agua, y las formas en que interaccionan las moléculas
entre ellas y con otras moléculas.
⦁ Explicar los conceptos de equilibrio ácido-base,
Ionización del agua e importancia de las soluciones
tampón.
Contenido temático
• Estructura y propiedades del agua
• El agua es un disolvente biológico ideal.
• Moléculas de agua forman puentes de hidrógeno.
• La interacción con el agua afecta la estructura de lasbiomoléculas.
• El agua es un nucleófilo excelente
• Ionización
• Solución Tampón
Adaptación de los organismosvivos al medio acuoso yaprovechamiento de laspropiedades del agua
El agua proporciona un entornofluido: permite la movilidad de lasmoléculas y su interacción en losprocesos metabólicos.
Importancia del agua para los seres vivos
Tomado de: http://www.h4hinitiative.com/es/hidratacion-y-salud/el-agua-un-elemento-clave-en-nuestro-cuerpo
Tejido % agua
Sangre 83
Riñon 82.7
Músculo 75.6
Cerebro 74.8
Piel 72.0
Esqueleto (hueso)22.0
Tejido adiposo 10.0
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El agua constituye el 60% del peso total de nuestroorganismo
Compartimento de líquidos corporales.
La expresión de líquidos corporales se refiere al agua y a sus sustancias disueltas
Disuelve sustancias y las mantiene en suspensióncoloidal.
La sangre es un ejemplo desuspensión.
Plasma55%
(Glóbulos rojos o eritrocitos)
Compuesta porglóbulo blancosplaquetas
• Proteínas 7 % (Albúminas 54%,globulinas 38%, fibrinógeno 7%,otras 1%)
• Agua 91,5%• Solutos 1,5% (electrolitos,
nutrientes, gases, sustanciasreguladoras , productos dedesecho).
Células 45 %
En el varón adulto medio de70 kg, el agua corporal totales alrededor del 60% delpeso corporal o unos 42 L.este porcentaje puedevariar dependiendo de laedad, el sexo y el grado deobesidad.
El agua en el ser humano
Principal componente de muchos alimentos,teniendo cada alimento su propio y característicocontenido de este componente.
Fuente: Sikorski Z. E Chemical and functional properties of food components. Third edition. CRC Press. Florida, USA, 2007
El agua en los alimentos
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Fuente: Gil A. Tratado de Nutrición, 2010.
El agua en los alimentos
Fuente: Badui S. Química de alimentos. Cuarta edición. Pearson Educación.México, 2006
Tabla 1. Contenido aproximado de agua de alguna bebidas y alimentos (%)
El agua es el disolvente de la vida
Baña nuestras células
Disuelve y transporta compuestos en la sangre
Separa moléculas cargadas
Disipa el calor
Medio para las reacciones metabólicas.
El agua como reactivo
El agua es a la vez eldisolvente en el que tienelugar las reaccionesmetabólicas y un reactivoque intervienen muchosprocesos bioquímicos
El agua como lubricante
Componente importante del moco y otroslíquidos lubricantes de todo el cuerpo.
Lubricación es importante en: el tórax(cavidades pleurales y pericárdica) y elabdomen (cavidad peritoneal), losórganos internos se tocan y se deslizanuno sobre otro.
Articulaciones, donde huesos, ligamentosy tendones se frotan entre sí.
Tubo digestivo: moco y otras secrecionesacuosas humedecen los alimentos.
Fuente:http://sedientosdesaber.blogspot.com/2012/12/mas-propiedades-y-funciones-del-agua.html
Fuente:http://es.slideshare.net/LizaniaPolancoHerrera/el-nivel-qumico-de-organizacin-cap-2
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Características estructurales
Dos átomos de hidrógeno y un de oxígeno unidos en forma covalente
Estructura tetraédrica de los pares de electrones
Molécula angular con un angulo de 105º
Molécula polar
Posibilidad de formar enlaces de hidrogeno (~ 5 kcal/mol)
El puente de hidrógeno afecta notablemente los puntos de ebullición y la solubilidad
Estructura y propiedades del agua
Tomado de: Nelson D.L. and Cox M. M. Lehninger Principles of Biochemistry. Fourth Edition. 2004
Polaridad
Puentes de hidrógeno
Red tridimensional
Agua
OH
H
0.0965 nm
0.0965 nm
104.5º
1s 2s 2p 2p 2p
1s sp3 sp3 sp3 sp3
Estructura electrónicadel oxígeno
Cada molécula polar de agua se encuentra coordinadatetraédricamente coordinada con otras cuatro moléculaspolares de agua a través de enlaces por puentes dehidrogeno
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Enlaces de hidrógeno en el agua
O
H
HHO
H
O
H
HH
OH
OHH
Sólido
Líquido
Gases
O
O
O
O
O
O
H
H H
H
H
H
HH
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
O
OO
O
OO
O
O O
O
O
O
OO
H
H
H
H H
H
H
H
H
HH
c
Fuente: http://www.tv411.org/en-espanol/ciencia/agua-ciencia-leccion/activity/3/3
Diferentes interacciones moleculares pueden formar puentes de hidrógeno
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Enlaces covalentes
Interacciones nocovalentes: puentesde Hidrógeno y lasinteracciones de Vander Waals entre lasbases apiladas.
Diferentes fuerzas estabilizan la doble hélice del DNA
• Puntos de fusión y ebullición elevada
• Constante dieléctrica elevada
• Carácter dipolar
• Calor específico (Ce) y Calor de vaporización (Qvsp) elevados
• Densidad anómala (máxima a 4 ̊C)
Propiedades fisicoquímicas del agua
Agua 0º 100ºMetanol -98º 65ºEtanol -117º 78ºn-Propanol -127º 97ºAcetona -95º 56ºHexano -98º 69ºBenceno 6º 80ºCloroformo -63º 61º
Punto fusión, ºC
Puntoebullición, ºC
Agua 80Metanol 33Etanol 24Acetona 21.4Benceno 2.3Hexano 1.9
Constante dieléctrica a 20 ̊C, D
Es una medida de la tendencia del disolvente aoponerse a las fuerzas electrostáticas de atracciónentre iones con carga opuesta.
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Agua 540Metanol 263Etanol 204n-Propanol 164Acetona 125Hexano 101Benceno 94Cloroformo 59
Calor de vaporización, DHvap (cal/g)
Energía necesaria para transformar un Kg de agua líquida en vapor a 100 ̊C
c
Acción disolvente del agua
El agua es el disolvente universal en los medio intra yextracelular debido a su naturaleza polar y su tendenciaa formar puentes de hidrógeno.
Molécula hidrófilas
Alcoholes, aminas, -SH, ésteres(capaces de formar puentes de hidrógeno)
Compuestos iónicos
La habilidad de los iones y otras moléculas para disolverse en el agua es debida a lapolaridad de ésta última. Por ejemplo, el cloruro sódico en su forma cristalina ydisuelto en agua.
El agua disuelve sustancias no iónicas con carácter polar
(azúcares, alcoholes, aldehídos, cetonas, aminoácidos etc.)
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Ejemplos de biomoléculas polares, no polares y anfipáticas
formas ionica a pH 7
Molécula anfipáticas
Propiedades hidrófilas e hidrófobas
Ácidos grasos y detergentes
Solubilidad de gases en agua
Las moléculas de agua son transportadas a través de lamembrana semipermeable impulsado por las diferenciasde la presión osmótica.
El movimiento de agua se realiza desde un punto en quehay mayor concentración a uno de menor. De acuerdo almedio en que se encuentre una célula, la ósmosis varía.
Factor importante en la vida de la mayoría de las células.
Osmosis
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Osmosis y medida de la presión osmótica
Presión osmótica:Presión que se requierepara detener elmovimiento del soluto através de una membranasemipermeable desde unsolvente puro a unasolución.
Directamente proporcionala la concentración departículas en la solución.A medida que aumenta laconcentración departículas, la presiónosmótica tambiénaumenta.
Las soluciones isotónicas tienenconcentraciones equivalentes desustancia
Las soluciones hipertónicas sonaquellas, que con referencias alinterior de la célula, contienenmayor cantidad de solutos (y por lotanto menor potencial de agua).Crenación – Plasmólisis.
Las hipotónicas son aquellas, queen cambio contienen menorcantidad de solutos (o, en otraspalabras, mayor potencial de agua).Citólisis - Turgencia.
Efecto de la osmolaridad extracelular en el movimiento del agua a través de una membrana
Forma normal del eritrocito
Eritrocito que experimenta
hemólisis
Eritrocito que experimenta
crenaciónPrácticamente, todas las reacciones químicas que sedan en el organismo o en una célula tiene lugar en unmedio acuoso, en el que el comportamiento de lasmoléculas depende de su estado de ionización
Por ello es importante conocer:
Equilibrio ácido-baseIonización del aguaImportancia de las soluciones tampón
Equilibrio ácido-base
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El agua pura está ligeramente ionizada
H2O H+ + OH-
Ion hidrógeno (protón)
Ion hidroxilo
Ion hidronio
En el agua pura se disocia solamenteuna molécula de cada 554 millones
Aunque la disociación del agua esreversible y estadísticamente rara, esmuy importante para la vida, ya quelos iones producto son muy reactivos.
Salto de protones a cortadistancia a través de una seriede moléculas de agua unidaspor puentes de hidrógenotienen como resultado elmovimiento netoextremadamente rápido de unprotón a una gran distancia.
[H+][OH-]Kd =
[H2O]
H2O H+ + OH-
Kd[H2O] = [H+][OH-] = 1x10-14
Producto iónico del agua
Keq =
=Kw
1,8x10-16
55.5M a 25 °C
El agua pura esligeramenteionizable(electrolito muydébil)
Concepto de pH
- Logaritmo cambiado de signo de la concentración de hidrogeniones
- Dado el producto iónico del agua,[H+][OH-] = 10-14
la neutralidad ácido-base tiene lugar cuando[H+] = [OH-] = 10-7 ; pH = 7
pH = - log [H+] pOH= -log [OH-] pH + pOH= 14
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La acidez de una soluciónestá determinada por suconcentración en iones H+ (se expresa en unidadesde pH)
Escala de pH
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pH
pH = – log [H+]
Un cambio en una unidadde pH representa uncambio de 10 veces la[H+] o la [OH-]
Escala de pH
Ácidos y basespueden ser:
pH y la actividad enzimática
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Determinación del pH
Potenciometro o pHmetro
Cinta indicadora de pH
Ácidos y Bases
Ácidos y Bases (teoría de Bronsted-Lowry)
Ácido: especie química que tiende aceder protones
Base: especie química que tiende aaceptar protones
AH A- + H+
B + H+ BH+
Ácido fuerte en solución acuosa
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Ác. Clorhídrico HCl Cl-
Ác. Fórmico H-COOH H-COO-
Ác. Acético CH3-COOH CH3-COO-
Ác. Carbónico:Disociación 1 H2CO3 HCO3
-
Disociación 2 HCO3- CO3
2-
Ác. Fosfórico:Disociación 1 H3PO4 H2PO4
-
Disociación 2 H2PO4- HPO4
2-
Disociación 3 HPO42- PO4
3-
Amoníaco NH4+ NH3
Metilamina CH3NH3+ CH3NH2
ÁcidoBase
conjugada
Ácidos y basespueden ser:
Fuerte: se disociacompletamente en solución
Débil: se disocia solo parcialmenteH2CO3,CH3COOH,CH3CH(OH)COOH, HCOOH
Ácidos y bases
pueden ser:
HCl, HBr, HI, H2SO4NaOH, LiOH, KOH
Solución amortiguadora o tampón o buffer
Sustancia que evita cambiosbruscos en el pH de unasolución, al añadir un ácido ouna base.
Los tampones reacciona con unácido (o base) relativamente fuertepara reemplazarlo por otro débil.
El buffer principal del líquidoextracelular es el bicarbonato-ácido carbónico
Concepto de pKa
- Logaritmo cambiado de signo de la constante de equilibrio de disociación de un ácido de Bronsted
- Es propio de un grupo, no de una molécula
- Cuando pH = pKa, [ácido] = [base]
- La capacidad tampón es máxima en las proximidades del pKa
- Un ácido es tanto más fuerte cuanto más bajo es su pKa; una base es tanto más fuerte cuanto más alto es su pKa.
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Ác. Fórmico 3.75Ác. Acético 4.76Ác. Fosfórico:
Disociación 1 2.14Disociación 2 7.20Disociación 3 12.40
Amoníaco 9.25Metilamina 10.60
pKa de algunos sistemas ácido-base
Los ácidos más fuertes tienentales como el fosfórico y elcarbónico tiene constantes dedisociación más altas.
Los ácidos más débiles talescomo el monohidrógeno fosfato(HPO42-) tiene constantes dedisociación más bajas.
Un par ácido-base conjugado consiste en un dador de protones y un aceptor de protones
Región tamponante
OH- añadido (equivalentes)
Porcentaje titulado
Curva de titulación del ácido acético
Curva de titulación proporciona el pKade los ácidos débiles
Intervalo de tamponamiento: pH 3,76 - 5,76
Funcionamiento del sistema tampón
Los tampones son sistemas que tienden a resistir cambios en su pH cuando se añaden pequeñas cantidades de ácido (H+) o base (OH-)
El par ácido acético-acetato como sistema tampón
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Equilibrio ácido-base
La regulación de pH a nivel celular, es necesaria para la supervivencia.
EL metabolismo genera iones hidrógeno
La concentracción de estos iones influye en casi todos los sistemas enzimáticos del organismo.
Los ácidos y bases entran continuamente en la sangre
Fuente: https://sites.google.com/site/dietamotak/dieta-motak Fuente: http://rafadiazmd.org/2013/09/27/como-prevenir-errores-cuando-prescriben-medicamentos/
Fuente: http://web-salud.blogspot.com/2014/05/metabolismo-lento-obesidad.html
Equilibrio ácido-base
Metabolismo de carbohidratos y lípidos
Metabolismo de proteínas.
produceproduce
Grandes cantidades de CO2
(ácido volátil)
Ácidos no volátiles (clorhídricoHCl, sulfúrico H2SO4 , fosfóricoH3PO4, láctico C3H6O3)
Normalmente se elimina porlos pulmones. Son tamponados por el
bicarbonato y excretados porlos riñones.
Tamponamiento contra cambios de pH en los sistemas biológicos
• La regulación del pH es una actividad universal y esencialde los seres vivos.
• Tampones biológicos: sistemas acuosos queamortiguan las variaciones en el pH cuando se añadenpequeñas cantidades de ácido o de base.
• Los tampones biológicos son mezclas de ácidos débiles ysus bases conjugadas o mezclas de sus bases débiles y susácidos conjugados.
Valores de pH fisiológico
Sangre: entre 7,35 y 7,45 (7,4)
Intracelular: 7,1 (entre 6,9 y 7,4)
Entre 6,8 y 7,8 pueden mantenerse la actividadmetabólica del hígado, loslatidos del corazón y la conducción de losimpulsos nerviosos.
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Valores de pH de los fluidos corporales
Plasma sanguíneo
Líquido intersticial
Citosol
Saliva
Jugo gástrico
Jugo pancreático
Jugo intestinal
Orina
Sudor
Principales sistemas de amortiguadores del organismo
Funcionamiento del sistema tampón
Los tampones son sistemas que tienden a resistir cambios en su pH cuando se añaden pequeñas cantidades de ácido (H+) o base (OH-)
El par ácido –base conjugada como sistema tampón
HA A- + H+
[H+][A-]
[HA]Ka =
-log [H+] = -logKa - log [A-]
[HA]
pH = pKa + log [base]
[ácido]
Ecuación deHenderson-Hasselbach
Expresión sencillarelaciona pH, pK yconcentración de tampón
[H+] =[A-]
[HA]Ka
pH= pKa + log [A-]
[HA]
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Tampón Bicarbonato
Sangre
Pulmones
Tampón Bicarbonato
Sangre
hiperventilación hipoventilación
Riñones
Pulmones
Valores fisiológicos normales en la sangre arterial
pH: 7.35 (45nEq de H+/L) - 7,45 (35nEq de H+/L)(7,4 corresponde a una concentración de H+ de 0,00004 mEq/L= nEq/L)
Pa CO2: 35-45 mmHg
HCO3- : 22-26 mEq/L en la sangre arterial
Diferencias entre alcalosis yacidosis
Diferencias entre acidosis yalcalosis metabólica orespiratoria
Mecanismos que mantienen el pH de los líquidos corporales.
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Tipo ACIDOSIS RESPIRATORIO
ALCALOSISRESPIRATORIA
ACIDOSIS METABÓLICA
ALCALOSIS METABÓLICA
pH
pCO2
HCO3-
Compensación Los riñones eliminan hidrogeniones y retienen bicarbonato
Los riñones retienen hidrogeniones y eliminanbicarbonato
Los pulmones hiperventilan para eliminar CO2
Los pulmones hipoventilanpara elevar la pCO2 y compensar la alcalosis
Trastornos del equilibrio ácido-base. Trastornos del equilibrio ácido-base.
Causas clínicas de las alteraciones ácido-base
Un hombre de 47 años de edad con historial de intermitente vómito y pérdida de peso, con taquicardia e hipotensión, su pH era 7,55 y pCO2 48 mmHg, su concentración de bicarbonato era 35, presentaba hipopotasemia.
CASO CLÍNICO
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Un hombre de 47 años de edad con historial de intermitente vómito y pérdida de peso, con taquicardia e hipotensión, su pH era 7,55 y pCO2 48 mmHg, su concentración de bicarbonato era 35, presentaba hipopotasemia.
Este paciente presenta alcalosis metabólica causada por la pérdida de hidrogeniones a través del vómito y de allí radica también el pCO2 alto debido a una compensación con acidosis respiratoria
CASO CLÍNICOBibliografía
Baynes J. W., Dominiczak M.H. Bioquímica médica. Tercera edición.
Saunders Elsevier, 2011
Murray R. M, Bender D. A., Botham K. M., Kennelly P. J., Rodwell V.W. Weil P.
A. Bioquímica de Harper. 27ª. edición, manual moderno, 2007
Nelson D. L., Cox M. M. Bioquímica Lehninger, 4 edición, omega S. A.
Barcelona 2004.