agua en los procesos biológicos

M. EN C. MARTHA EUGENIA MORALES VÁZQUEZ

MARZO 19 DE 2010

Procesos bioquímicos se dan en:◦ Entorno líquido

◦ Movilidad molecular, interacción química en degradación y síntesis

Agua: más abundante y más adecuado

Mckee T y Mckee J, (2003); Mathews, Van Holde y Ahern (2007)

Constituido por:◦ H2O, peso molecular: 18

◦ Estado líquido, con respecto a otros de mismo peso

Forma enlaces de hidrogeno.


El calor de evaporación y punto de ebullición son muy elevados:◦ Estado líquido de 0 a 100ºC

(temp. terrestre).

Hielo (sólido) forma red tetraédrica, cuando se funde (lento) muestra:◦ Agua líquida es mas densa

que sólida. (moléculas se acercan más)


Densidad: 0.997 g/cm3 a 23°C (917 a 0°C 1000 5°C: negativa)

Punto de Fusión/ebullición: 0ºC/100ºC (más que el organismo presentes en el planeta)

Constante dieléctrica: 78.54 (la más polar, ioniza fácilmente y forma enlaces intermoleculares fuertes)

Tensión superficial: 71.97 dina/cm (alta, por puentes de hidrógeno)

Excelente nucleófilo (↑ reacciones metabólicas)


Están dadas por su carácter dipolar(covalente) y los puentes de hidrógeno (iónico).

Moléculas del organismo requieren medio acuoso: el agua disolvente universal (medio intra y extracelular).

A mayor proporción de átomos electronegativos en la molécula orgánica, mayor disolución en el agua. (solvatación del ion)

Existen tres tipos de moléculas:◦ Hidrófilas, hidrófobas, anfipáticas.


Son aquellas solubles en agua o solvatablespor el agua:

Forman puentes de hidrógeno.

Moléculas con grupos funcionales como: OH, NH2, SH, C=O, R-COO-R (esteres), COOH.

Moléculas con enlaces iónicos. NaCl.


Los hidrocarburos son poco o insolubles en agua: No polares, No iónicos.

Agua forma estructuras de clatrato (jaulas) alrededor de la molécula no polar, (por baja entropía de la mezcla).

La moléculas hidrófobas tienden a agruparse.


Son moléculas que tienen compuestos hidrofilicos e hidrofobicos en si mismos.

Ejemplo: ácidos grasos, y detergentes.

Tiene la cabeza polar (hidrófila) y estructura no polar o cola (hidrófoba).


Pueden formar 4 tipos de estructuras en el agua:◦ Monocapa

◦ Micela

◦ Bicapa

◦ Vesícula bicapa


Ósmosis: ◦ proceso espontáneo en el que el solvente pasa de

un lado de menor concentración de soluto a otro mayor, a través de una membrana semipermeable.


Presión osmótica:

La presión que se requiere para detener el flujo de agua a través de la membrana


Formula para calcular la presión osmótica:


PROPIEDAD IÓNICA DEL AGUA:

PRODUCTO IÓNICO ÁCIDOS Y BASES

La mayoría de reacciones bioquímicas ocurren en medio acuoso, los compuestos incluyen iones como K+ Cl-

Mg2+ y Na+, y moléculas orgánicas con grupos ionizables.

Importante revisar las propiedades iónicas del agua como disolvente.


El agua es NEUTRA, pero tiende a ionizarse (ligeramente), actuando como ácido débil y base muy débil.

◦ H2O + H2O H3O+ (hidronio)+ OH- (hidroxilo).

◦ Para efectos prácticos el proceso de ionización se describe: H2O H+ (hidronio)+ OH- (hidroxilo)

◦ Recordar que H+ no se encuentra libre. La probabilidad de ocurrencia de H+ es de 1.8 X10-9.


Primero se calcula la concentración molar del agua:

18 g/lt (1000 gr) 18 1000 = 55.56 M (mol/lt)

Y ya que:

(1.8 X 10-9 ) (55.56 mol/lt) = 1.0 X 10-7 mol/lt

El equilibrio anterior se expresa mediante el producto iónico del agua que es 10-14 M2, a 25 ºC, que resulto de multiplicar:◦ [H+] [OH-] = Kw = 1 X 10-14 M2

◦ M = moles/lt

Puesto que el producto iónico es una constante [H+] [OH-] no puede variar independientemente.

Al agregar un ácido o una base aumentan los valores de [H+] [OH-] respectivamente.


Ejemplo: el agua pura a 25º C las concentraciones son:

◦ [H+] = [OH-] = 1 X 10-7 M, solución Neutra, ni ácida ni básica.

Si aumentamos la temperatura (37ºC) en una sol. neutra ambas serán de 1. 6 X 10-7 M


Para no trabajar con las potencias negativas de 10, esto se simplifica al valor de 0 a 14 expresado como pH (potencial de Hidrógeno).◦ pH = -log [H+]

Cuanto más alta sea [H+] menor el pH y por tanto es una solución ácida.

Cuanto mas baja sea [H+] y una alta [OH-] mayor el pH y por tanto es una solución básica.


Propiedades de los disolventes

BRONSTEAD LOWRY:◦ Ácidos como donadores de protones (H+)y Bases como

aceptores de protones (H+).

Ácido fuerte se disocia casi totalmente:

◦ HCl Cl- + H+,

◦ ∴ [H+] es igual a la [HCl] agregado.

Igualmente una base fuerte se ioniza fácilmente:

◦ NaOH Na+ + OH-,

◦ OH- poderosos aceptores de protones.


En el organismo interactúan ácidos y bases débiles (menor ionización).

Reacción de disociación de un ácido débil:◦ HA (ácido débil) H+ + A- (base conjugada)

◦ Ejemplo: Ácido carbónico H2CO3 (ácido débil) y ion

bicarbonato HCO3- (base conjugada).

Cuanto más fuerte sea el ácido más débil será su base conjugada.


oEn los ácidos se mide su capacidad de donar electrones (Ka y Pka) o fuerza ácida.

oConstante de equilibrio (Ka)

de disociación en un ácido:

oA un ↑ Ka, mas es la disociación y ∴ más fuerte el ácido.

oLa fuerza de los ácidos se expresa como pKa:


Los ácidos débiles y sus bases conjugadas, son amortiguadores habituales.◦ Estos son los que soportan cambios de pH, debido al equilibrio

entre los componentes (ácido débil + sal de la base conjugada)

◦ H+ + CH3COO- Na+ CH3COOH + Na +


H2O

H3O+

La regulación del pH es una actividad universal y esencial de los seres vivos.◦ Sangre pH: 7.4 (7.35-7.45)

◦ Acidosis: por debajo de 7.35; (aumento de los ácidos orgánicos en sangre que provoca coma)

◦ Alcalosis: por arriba de 7.45; (ingestión excesivo de fármacos alcalinos que provoca convulsiones y paro respiratorio)

Los amortiguadores ayudan mantener la concentración de H+


La capacidad de un amortiguador para mantener el pH depende de:1. Concentración molar (Relación: ácido-base conjugada )

2. El cociente de sus concentraciones (cuanto hay de c/u).

La capacidad amortiguadora es proporcional a la concentraciones de los componentes.

Cuanto más componentes mas capacidad de aceptar [H+] [OH-] sin cambiar el pH


AMORTIGUADOR BICARBONATO

Es el más importante de la sangre y se compone de:◦ CO2 + H2O H2CO3

El ácido carbónico se disocia fácilmente:◦ H2CO3 H+ + HCO-

3

Dado que las concentraciones de ácidos carbónico es muy baja se resume a:◦ CO2 + H2O H+ + HCO-

3


Mathews, Van Holde y Ahern (2007); Bioquímica. Editorial Addison-Wesley. 3ra edición. Cap. 2: “La matriz de la vida: interacciones débiles en medio acuoso”, pp38.

Mckee T y Mckee J, (2003); Bioquímica: la base molecular de la vida. Editorial McGrawHill/Interamericana, 3ra Edición. Cap. 3: “Agua: el medio de la vida”. pp: 65

agua en los procesos biológicos

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