PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS.

AGUA.

EL AGUA Y LA VIDA.• Para la mayoría de los seres vivos el agua es un componente fundamental y también el de

mayor abundancia en los organismos, participa en todas las estructuras orgánicas y sirve como una fase continua en la cual se llevan a cabo las reacciones bioquímicas de la vida.

Estructura molecular.• La molécula de agua (H2O) está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.

• El agua tiene una geometría tetraédrica debido a que su átomo de oxígeno tiene una hibridación sp3.

• Los dos átomos de hidrogeno de cada molécula llevan cargas positivas parciales. El átomo de oxígeno lleva una carga negativa parcial.

Puentes de Hidrogeno.• El puente de hidrógeno es un enlace que se establece entre moléculas capaces de generar

cargas parciales.

• La presencia de cargas parciales positivas y negativas hace que las moléculas de agua se comporten como imanes en los que las partes con carga parcial positiva atraen a las partes con cargas parciales negativas. De tal suerte que una sola molécula de agua puede unirse a otras 4 moléculas de agua a través de 4 puentes de hidrógeno.

Propiedad disolvente del agua.• El agua es el disolvente biológico ideal. Disuelve con facilidad una gran diversidad de

constituyentes de los seres vivos. Entre los ejemplos se incluyen los iones (p. ej., Na+, K+ y Cl+), los azúcares y muchos aminoácidos. Su incapacidad para disolver otras sustancias, como los lípidos y determinados aminoácidos, hace posible las estructuras supramoleculares (p. ej., las membranas) y numerosos procesos bioquímicos (p. ej., el plegamiento proteico).

CONSTANTE DE EQUILIBRIO E IONIZACIÓN.Aunque una gran parte de las propiedades del agua como disolvente se pueden explicar en función de la molécula H2O sin carga, debe tenerse también en cuenta el pequeño grado de ionización del agua en iones hidrógeno (H+) y en iones hidroxilo (OH-).

Las moléculas de agua líquida poseen una capacidad limitada para formar un ion hidrógeno (H+) y un ion hidroxilo (OH-). El H+ no existe realmente en disolución acuosa. En agua un protón se combina con una molécula de agua para formar H3O+, denominado corrientemente ion hidronio.

La constante de equilibrio para la ionización reversible del agua es:

Donde Keq es la constante de equilibrio de la reacción. Como la concentración molar del agua pura (55.5M) es considerablemente mayor que la de cualquier soluto, se considera también una constante. (La concentración del agua [H2O] se obtiene dividiendo el número de gramos en 1 litro de agua, 1000g, por el peso molecular del agua, 1.8 g/mol.) Tras sustituir este valor en esta ecuación, puede volver a escribirse como sigue:

El término Keq X 55.5 se denomina producto iónico del agua (Kw). Como la constante de equilibrio para la ionización reversible del agua es igual a 1.8 x 10-6 M (a 25 °C) , la relación anterior da

Esto significa que el producto de [H+] y [OH-] en cualquier disolución de agua (a 25 °C) es siempre 1 x 10-14. Como [H+] es igual a [OH-] cuando se disocia el agua pura,

Así, la concentración de ion hidrógeno en agua pura es igual 1 x 10-7.

ACIDOS Y BASES.Muchas biomoléculas poseen propiedades ácidas o básicas. Hay varias definiciones posibles de estas clases importantes de compuestos iónicos. Sin embargo, para nuestros fines, aun ácido puede definirse como un donador de iones hidrógeno, y una base como un aceptor de iones hidrogeno. Los ácidos (p.ej. HCl) y bases (p.ej. NaOH) fuertes se ionizan casi completamente en agua:

Sin embargo, muchos ácidos y bases, no se disocian completamente. Los ácidos orgánicos (compuestos con grupos carboxilo) no se disocian completamente en agua, y se denominan ácidos débiles. Las bases orgánicas poseen una capacidad pequeña, aunque mensurable, para combinarse con los iones hidrógeno. Muchas bases débiles comunes contienen grupos amino.

La reacción siguiente describe la disociación de un ácido orgánico:

Obsérvese que el producto desprotonado de la reacción de disociación se denomina base conjugada. Por ejemplo, el ácido acético (CH3COOH) se disocia para formar la base conjugada acetato (CH3COO-).

AMORTIGUADORES FISIOLÓGICOS.Los tres amortiguadores más importantes del organismo son el bicarbonato, el fosfato y las proteínas. Cada uno de ellos está adaptado para resolver problemas fisiológicos específicos del organismo.

Amortiguador fosfato.El amortiguador fosfato consta de un par ácido débil-base conjugada H2PO4

-/HPO42-

Aunque el Ph de 7.4 de la sangre está dentro de las capacidades de este sistema amortiguador, las concentraciones de H2PO4

- y HPO42- de la sangre son demasiado bajas

para tener un efecto importante. En su lugar, el sistema fosfato es un amortiguador importante en los líquidos intracelulares.

Amortiguador bicarbonato.El amortiguador bicarbonato, uno de los amortiguadores más importantes de la sangre, posee tres componentes. El primero, el dióxido de carbono, reacciona con el agua para formar ácido carbónico:

El ácido carbónico se disocia rápidamente para formar iones H+ y HCO3-:

Dado que la concentración en sangre de H2CO3 es muy baja, las ecuaciones anteriores pueden simplificarse en:

Las concentraciones de CO2 y de HCO3- no son excepcionalmente elevadas. A pesar de

estos inconvenientes, el sistema amortiguador bicarbonato es importante, ya que pueden regularse ambos componentes. La concentración de dióxido de carbono se ajusta mediante cambios de la velocidad de respiración.

Los riñones regulan la concentración de bicarbonato. Sí disminuye la concentración de bicarbonato (HCO3

-), los riñones eliminan H+ de la sangre, desplazando el equilibrio hacia la derecha al aumentar [HCO3

-]. El ácido carbónico que se pierde en este proceso se repone rápidamente hidratando CO2, un producto de desecho del metabolismo celular. Cuando se producen cantidades excesivas de HCO3

- , se eliminan por el riñon. La adición de ácido al sistema bicarbonato del organismo, desciende [HCO3

-] y se forma CO2. Dado que el exceso de CO2 se exhala, el cociente de HCO3

- a CO2 permanece esencialmente inalterado.