Agua y Tampones en los Agua y Tampones en los Sistemas BiológicosSistemas Biológicos

Dr. Giuliano Bernal DossettoDr. Giuliano Bernal DossettoDepartamento de Ciencias BiomédicasDepartamento de Ciencias Biomédicas

Facultad de MedicinaFacultad de MedicinaUniversidad Católica del NorteUniversidad Católica del Norte

AguaAgua CComponente químico predominante en los omponente químico predominante en los organismos vivos (70 a 80% de los seres vivos es organismos vivos (70 a 80% de los seres vivos es HH22O).O).

Es capaz de disociarse en protones Es capaz de disociarse en protones (H(H++)) e iones e iones hidroxilo hidroxilo (OH(OH--)) escala de pH escala de pH

Los productos de ionización del agua influencian la Los productos de ionización del agua influencian la estructura, autoensamble y propiedades químicas y estructura, autoensamble y propiedades químicas y estructurales de las diversas macromoléculas.estructurales de las diversas macromoléculas.

Interacciones no-covalentes responsables de la Interacciones no-covalentes responsables de la fuerza y especificidad en el reconocimiento de fuerza y especificidad en el reconocimiento de biomoléculas son influenciadas por las propiedades biomoléculas son influenciadas por las propiedades solventes del agua.solventes del agua.

Estructura de la molécula de AguaEstructura de la molécula de Agua

Naturaleza dipolar del H2O

Puente de Hidrógeno

• Los puentes de hidrógeno permiten que las biomoléculas se Los puentes de hidrógeno permiten que las biomoléculas se disuelvan fácilmente en el agua.disuelvan fácilmente en el agua.

• Los puentes de hidrógeno son débiles comparados con los Los puentes de hidrógeno son débiles comparados con los enlaces covalentes, sin embargo su gran número es la razón enlaces covalentes, sin embargo su gran número es la razón de la estabilidad del agua.de la estabilidad del agua.

• Los puentes de hidrógeno, interacciones iónicas, fuerzas de Los puentes de hidrógeno, interacciones iónicas, fuerzas de van der Waals entre otras, son capaces de influenciar la van der Waals entre otras, son capaces de influenciar la estructura tridimensional de proteínas, ácidos nucleicos y estructura tridimensional de proteínas, ácidos nucleicos y lípidos de membrana.lípidos de membrana.

• Los puentes de hidrógeno también existen entre otras Los puentes de hidrógeno también existen entre otras moléculas en donde átomos electronegativos de O o N estén moléculas en donde átomos electronegativos de O o N estén cercanos a un hidrógeno covalentemente unido a otro átomo cercanos a un hidrógeno covalentemente unido a otro átomo electronegativo.electronegativo.

Puentes de hidrógeno en la Puentes de hidrógeno en la molécula de aguamolécula de agua

Common hydrogen bonds in biological systems

Representative hydrogen bonds of importance in biological systems

Propiedades solventes del aguaPropiedades solventes del agua La naturaleza polar y la capacidad de formar puentes de La naturaleza polar y la capacidad de formar puentes de

hidrógeno, son las características principales de la hidrógeno, son las características principales de la capacidad solvente del agua.capacidad solvente del agua.

NaCl se disuelve en agua debido a las interacciones de los NaCl se disuelve en agua debido a las interacciones de los iones Naiones Na++ y Cl y Cl--..

Muchas moléculas orgánicas que contienen grupos polares Muchas moléculas orgánicas que contienen grupos polares débiles son solubles en agua debido a la atracción de débiles son solubles en agua debido a la atracción de estos grupos con las cargas polares del agua.estos grupos con las cargas polares del agua.

Las moléculas amfipáticas se disuelven en agua si la Las moléculas amfipáticas se disuelven en agua si la atracción de su región polar hacia el agua es mas fuerte atracción de su región polar hacia el agua es mas fuerte que la interacción hidrofóbica de la porción no polar de la que la interacción hidrofóbica de la porción no polar de la molécula.molécula.

Water dissolves many crystalline salts by hydrating their component ions

Disposición de moléculas anfipáticas en HDisposición de moléculas anfipáticas en H22O: O:

Formación de Bicapas lipídicas y micelasFormación de Bicapas lipídicas y micelas

Disposición de moléculas anfipáticas en HDisposición de moléculas anfipáticas en H22O: O:

Estabilización de sustrato en reacciones enzimáticasEstabilización de sustrato en reacciones enzimáticas

OsmosisOsmosis Corresponde al movimiento de agua a través de una Corresponde al movimiento de agua a través de una

membrana semipermeable, guiada por diferencias en la membrana semipermeable, guiada por diferencias en la presión osmótica.presión osmótica.

Las membranas plasmáticas son más permeables al agua Las membranas plasmáticas son más permeables al agua que a la mayoría de otras moléculas pequeñas o iones.que a la mayoría de otras moléculas pequeñas o iones.

Las soluciones de igual osmolaridad se denominan Las soluciones de igual osmolaridad se denominan isotónicasisotónicas..

En una solución En una solución hipertónicahipertónica la célula pierde agua la célula pierde agua intentando equilibrar sus concentraciones iónicas.intentando equilibrar sus concentraciones iónicas.

En una solución En una solución hipotónicahipotónica la célula absorbe agua hasta la célula absorbe agua hasta prácticamente explotar.prácticamente explotar.

The effect of extracellular osmolarity on water movement across a plasma membrane

Ionización del HIonización del H22OO

El HEl H22O tiene la propiedad de disociarse O tiene la propiedad de disociarse

parcialmente en:parcialmente en:

HH22OO HH++ ++ OHOH--

Sin embargo, los protones en forma libre no Sin embargo, los protones en forma libre no existen en solución acuosa. Dos moléculas de existen en solución acuosa. Dos moléculas de agua forman un ión hidronio y un ión hidroxilo:agua forman un ión hidronio y un ión hidroxilo:

22HH22OO HH33OO++ + OH+ OH--

Disociación de moléculas en aguaDisociación de moléculas en agua

La Constante de Equilibrio para cualquier La Constante de Equilibrio para cualquier soluto en Hsoluto en H22O está dada por la Reacción:O está dada por la Reacción:

AA ++ BB CC ++ DDdonde A y B son los reactantes y C y D son los donde A y B son los reactantes y C y D son los productos.productos.

La constante de equilibrio estará dada por la La constante de equilibrio estará dada por la siguiente ecuación:siguiente ecuación:

]][[

]][[

BA

DCKeq

Constante de ionización del HConstante de ionización del H22OO

Para el HPara el H22O, esta ecuación quedará como sigue:O, esta ecuación quedará como sigue:

La concentración molar del agua pura es de La concentración molar del agua pura es de 55.5 M, y el grado de ionización es tan bajo que 55.5 M, y el grado de ionización es tan bajo que se desprecia, por lo tanto tenemos que:se desprecia, por lo tanto tenemos que:

][

]][[

2OH

OHHKeq

5.55

]][[

OHH

Keq

Constante de ionización del HConstante de ionización del H22OO

La constante de ionización del HLa constante de ionización del H22O es 1.8x10O es 1.8x10-16-16 M, por M, por tanto la ecuación queda:tanto la ecuación queda:

Redistribuyendo:Redistribuyendo:

5.55

]][[108.1 16

OHHx

]][[5.55*108.1 16 OHHx

]][[101 14 OHHx

pHpH

[H[H++] = [OH] = [OH--] ] == 1 x 101 x 10-7-7

pHpH = -log [H= -log [H++]] == log 1/[Hlog 1/[H++]]

pOHpOH = -log [OH= -log [OH--]] == log 1/[OHlog 1/[OH--]]

pHpH ++ pOH pOH == 1414

Escala de pHEscala de pH

Acidez y Acidez y alcalinidadalcalinidad

Moléculas biológicamente importantes son Moléculas biológicamente importantes son ácidos o bases débiles.ácidos o bases débiles.

Según Brønsted y Lowry un ácido es un dador de protones, mientras que una base es un aceptor de los mismos.

Los ácidos orgánicos son débiles puesto que se disocian parcialmente, estableciendo un equilibrio entre las especies.

Ión amonio (NH4+) es un ácido débil pues puede ceder el H+

para formar NH3, mientras que H2PO4- y HPO4

2- son bases o ácidos dependiendo de si ceden o aceptan protones.

H3O+(ac) + A-

(ac) HA(ac)

[HA]

]O][H[AK 3

a

Ácidos mono y polipróticosÁcidos mono y polipróticos

Soluciones Tampones, Buffers o Soluciones Tampones, Buffers o amortiguadoras del pHamortiguadoras del pH

Una solución amortiguadora se caracteriza por la capacidad para resistir cambios en el pH cuando se le adicionan cantidades limitadas de ácido o de base.

Las soluciones amortiguadoras contienen un ácido débil y su base conjugada o una base débil y su ácido conjugado.

Así, una solución amortiguadora contiene ambas especies, un ácido y una base en equilibrio.

Para entender la acción de una solución amortiguadora, considérese una que contiene cantidades equimolares de un ácido débil [HA] y su base conjugada [A-]. Cuando se adiciona un ácido fuerte al amortiguador, suministra iones hidrógeno que reaccionan con la base [A-].

H+(ac) + A-

(ac) HA(ac)

Por otro lado si se adiciona una base fuerte, suministra iones hidróxido, los que reaccionan con el ácido HA.

OH-(ac) + HA(ac) H2O(l) + A-

(ac)

• Una solución amortiguadora resiste los cambios en Una solución amortiguadora resiste los cambios en el pH por medio de su capacidad para combinarse el pH por medio de su capacidad para combinarse con ambos iones, Hcon ambos iones, H++ y OH y OH--. .

• El pH de estas soluciones puede determinarse El pH de estas soluciones puede determinarse mediante la siguiente relación, conocida como la mediante la siguiente relación, conocida como la ecuación de Henderson-Hasselbalchecuación de Henderson-Hasselbalch

Ecuación de Henderson-Ecuación de Henderson-HasselbalchHasselbalch

TamponesTampones

Comparación de las curvas de titulación Comparación de las curvas de titulación de tres ácidos débilesde tres ácidos débiles

Sistemas amortiguadores del Sistemas amortiguadores del pH corporalpH corporal

Los sistemas amortiguadores de interés Los sistemas amortiguadores de interés clínico son los del plasma y eritrocitos.clínico son los del plasma y eritrocitos.

Entre los tampones fisiológicos destacan:Entre los tampones fisiológicos destacan:

Bicarbonato-ácido carbónicoBicarbonato-ácido carbónico

HemoglobinaHemoglobina

Proteínas plasmáticasProteínas plasmáticas

Fosfato plasmático y eritrocitarioFosfato plasmático y eritrocitario

El sistema tampón del bicarbonato

Tampón hemoglobinaTampón hemoglobina La hemoglobina tiene una concentración de 15g/dl, y La hemoglobina tiene una concentración de 15g/dl, y

cada molécula de Hb posee 38 residuos de His.cada molécula de Hb posee 38 residuos de His.

Existe en dos formas: Hb OExiste en dos formas: Hb O22--/H Hb O/H Hb O22 y Hb y Hb-- / H Hb / H Hb

La transformación de Hb oxigenada en Hb desoxigenada La transformación de Hb oxigenada en Hb desoxigenada da como resultado la liberación de Hda como resultado la liberación de H++

El sistema amortiguador Hb actúa principalmente sobre El sistema amortiguador Hb actúa principalmente sobre el ácido carbónico producido durante procesos el ácido carbónico producido durante procesos metabólicos.metabólicos.

Hb OHb O22-- ++ HH22COCO33 H Hb + OH Hb + O22 + HCO + HCO33

--

Hemoglobina: Reacción de disociación de Hemoglobina: Reacción de disociación de histidina histidina

pKa del aminoácido igual a 6,0

pH ÓPTIMO DE ALGUNAS ENZIMASpH ÓPTIMO DE ALGUNAS ENZIMAS

Acidosis Metabólica: Concentración de Acidosis Metabólica: Concentración de Bicarbonato en la sangreBicarbonato en la sangre

En un adulto normal el pH sanguíneo se mantiene a 7.4, En un adulto normal el pH sanguíneo se mantiene a 7.4, si este disminuye bajo 7.35, la condición se conoce si este disminuye bajo 7.35, la condición se conoce como como acidosis metabólicaacidosis metabólica..

Un pH cercano a 7.0 tiene severas consecuencias y Un pH cercano a 7.0 tiene severas consecuencias y puede llevar a la muerte.puede llevar a la muerte.

En la acidosis metabólica los valores clínicos de interés En la acidosis metabólica los valores clínicos de interés son: pH sanguíneo, [HCOson: pH sanguíneo, [HCO33

--] y [CO] y [CO22].].

pH sanguíneo = 7.4pH sanguíneo = 7.4

[HCO[HCO33--] = 24.0 mM] = 24.0 mM [CO [CO22] = 1.20 mM] = 1.20 mM

Causas mas frecuentes de acidosis Causas mas frecuentes de acidosis metabólicametabólica

CetoacidosisCetoacidosisAcidosis lácticaAcidosis lácticaEnvenenamiento por salicilatos, metanol, etcEnvenenamiento por salicilatos, metanol, etc Insuficiencia renalInsuficiencia renalDisfunción de túbulos renalesDisfunción de túbulos renalesPérdida de bases por diarreaPérdida de bases por diarrea

Alcalosis metabólicaAlcalosis metabólica

Exceso primario de bicarbonatoExceso primario de bicarbonatoAumenta pH sanguíneo, así como los Aumenta pH sanguíneo, así como los

niveles plasmáticos de bicarbonato, ácido niveles plasmáticos de bicarbonato, ácido carbónico y la presión parcial de COcarbónico y la presión parcial de CO22..

pH urinario elevadopH urinario elevadoCausas comunes:Causas comunes:

VómitosVómitos Tratamiento con diuréticosTratamiento con diuréticos Depleción de potasioDepleción de potasio