Post on 26-Apr-2020
El Agua
Agua: relación
con la
Bioquímica
Agua: Características.
Interviene en la mayoría de las reacciones
químicas de la célula.
La vida evoluciona entorno a las propiedades
del agua.
Agua: Características.
A temperatura ambiente es:
Líquida,
Inodora,
Insípida
Incolora, aunque adquiere una leve tonalidad azul
en grandes volúmenes.
Agua: Características.
Se considera fundamental para la
existencia de la vida.
No se conoce ninguna forma de vida que
tenga lugar en su ausencia completa.
Agua: Características.
Puede estar en 3 estados (sólido, líquido y
gaseoso) a las T° que se dan en la Tierra.
Constituye ente 70 – 90 % del peso de formas
vivas.
Agua: Características.
Se considera inerte y destinada para llenar
espacios en organismos vivos.
Sustancia de gran reaccionabilidad.
Propiedades físicas y químicas diferenciadoras
Agua: Características.
Su geometría y sus propiedades como
disolvente son cruciales para determinar
propiedades en los seres vivos.
Estructura de la molécula de agua
Agua: Características.
Cuando se comparten electrones entre
átomos en un enlace químico, no siempre se
hace equitativamente.
Agua: Características.
Los enlaces en los que los electrones se
comparten desigualmente se llaman polares.
Agua: Características.
IMPORTANTE: La tendencia de un átomo a
atraer electrones hacia sí en un enlace
químico se llama electronegatividad
Electronegatividad de algunos elementos
Elemento Electronegatividad
Oxígeno 3,5
Nitrógeno 3,0
Azufre 2,6
Carbono 2,5
Fósforo 2,2
Hidrógeno 2,1
Agua: Características.
En los enlaces O-H del agua, hay más probabilidad de
encontrar los electrones de enlace cerca del Oxígeno.
La diferencia de electronegatividad da origen a una
carga parcial positiva (δ+) y negativa (δ-).
El enlace O-H es un enlace…?
Agua: Características.
En los enlaces C-H del metano (CH4), la diferencia de
electronegatividad es muy pequeña, por lo tanto, el
enlace es de tipo no polar.
¿?
Una molécula podría tener enlaces polares, pero aún
así ser no polar, ¿Porqué?
Ejemplo: CO2
Agua: Características.
La geometría del agua produce un compartimento
desigual de electrones en los dos enlaces.
Hay mayor probabilidad de que los ė estén en el
extremo de la molécula de oxígeno.
Los enlaces con extremos + o – se llaman DIPOLOS
Agua: Propiedades
La naturaleza polar del agua determina las
propiedades como disolvente.
Compuestos iónicos como el KCl (K+, Cl- en solución) y
compuestos polares tienden a disolverse en agua.
¿Porqué?
Agua: Propiedades
Opera el principio físico de que polos opuestos se
atraen.
El extremo negativo de un dipolo de agua atrae a
un ion positivo (ion-dipolo) o al extremo positivo de
otro dipolo (dipolo-dipolo), provocando disolución.
Agua: Propiedades
Agua: Propiedades
Ión-dipolo: Acción disolvente
Ión-dipolo: Acción disolvente
http://ensinofisicaquimica.blogspot.com/2008/03/dissoluo-de-um-sal-em-gua.html
Ión-dipolo: Acción disolvente
Alcoholes, aminas, -SH, ésteres
(forman enlaces de H)
Compuestos iónicos
Agua: Acción disolvente Es el disolvente universal, debido a su
capacidad para formar puentes de H
Producen disoluciones moleculares con sustancias polares o iónicas
Producen disoluciones iónicas al disolver sustancias salinas.
Agua: Acción insoluble
Sustancias no polares: insolubles en agua.
Hidrófobas.
Ej: hidrocarburos
Un líquido no polar forma un sistema de 2
capas con agua
Ej: Petróleo derramado en el mar
Agua: Interacciones
Existen moléculas con porciones polares y no
polares
Anfipáticas
Agua: Interacciones anfipáticas
Moléculas Anfipáticas.
Ej: Ácido Graso, a pH neutro
forma un anión carboxilato.
¿Qué sector de la molécula
estaría en contacto con el
agua?
Agua: Interacciones anfipáticas
Moléculas Anfipáticas.
En presencia de agua el Oleato de sodio forma
Micelas.
Agua: Interacciones anfipáticas
Monocapas
Micelas
Bicapas
Agua: Interacciones
Agua: Otras Interacciones
Van der Waals
Interacciones entre moléculas no polares.
Son muy débiles
Baja energía, porque la asociación es efímera.
Agua: Otras Interacciones
Puentes de Hidrógeno
Interacción covalente
Dipolo-dipolo
Agua: Puentes de Hidrógeno
Unión covalente de H-O ó H-N, el H adquiere una
carga+ parcial gracias al enlace polar, ¿Porqué?
Unión covalente de H-C, el H no adquiere una
carga+ parcial, ¿Porqué?
Agua: Puentes de Hidrógeno
La carga+ del H le permite interactuar con un par no
compartido de ė de un átomo electronegativo
Los 3 átomos se alinean provocando el máximo de carga
positiva en el H.
Interacción fuerte
Agua: Puentes de Hidrógeno
Los 3 átomos se alinean provocando el máximo de carga
positiva en el H.
Interacción fuerte Donador
Aceptor
Puentes de hidrogeno en el hielo
Puentes de hidrogeno
• Ejemplos típicos de sistemas biológicos
Puentes de hidrogeno de importancia
biológica
Agua: Puentes de Hidrógeno
Disposición geométrica de moléculas de agua
unidas por puentes de H incide en las
propiedades del agua como disolvente.
Agua: Puentes de Hidrógeno
El Angulo de enlace del agua es de 104,45° y el ángulo
entre los pares de ė es similar.
Forma tetraédrica
Agua: Puentes de Hidrógeno
El Angulo de enlace del agua es de 104,45° y el ángulo
entre los pares de ė es similar.
Forma tetraédrica
Agua: Puentes de Hidrógeno
Diferencias entre agua y hielo
Agua: los puentes de H de rompen y se
rehacen continuamente.
Hielo: organización de puentes de H es más
estable
Agua: Puentes de Hidrógeno
Son más débiles que los enlaces covalentes
Tipo de enlace Energía
Kj mol -1 Kcal mol -1
Enlaces covalentes (fuertes)
O-H 460 110
C-H 413 105
Enlaces no covalentes (más débiles)
Puente de H 20 5
Interacción ión-dipolo 20 5
Interacción hidrofóbica 4-12 1-3
Interacción Van der Waals 4 1
Agua: Puentes de Hidrógeno
Comparación de propiedades entre el H2O, NH3 y
CH4. ¿Porqué existe la diferencia?
Sustancia Peso molecular Punto de fusión (°C)
Punto de ebullición (°C)
Agua 18,02 0,0 100,0
Amoniaco 17,03 -77,7 -3,4
Metano 16,04 -182,5 -161,5
Agua: Puentes de Hidrógeno
Las fuerzas de
atracción son más
débiles que las del
agua, debido al
número y fuerza de
sus puentes de H
Agua: Puentes de Hidrógeno
Importancia biológica:
Papel vital en la estabilización de las estructuras
como el ADN, ARN y proteínas.
La complejidad estructural del ARNt depende de
regiones unidas por puentes de H.
Agua: Puentes de Hidrógeno
Importancia biológica:
En proteínas, los puentes de H dan origen a la hélice
α y la lámina β plegada
Disposición de enlace Molécula en las que se da el enlace
Puentes de H formados en H2O
Unión del agua con otras moléculas
Importante en estructuras de proteínas y Ác. nucleicos
Agua: Puentes de H
• La liberación del agua
ordenada favorece la
formación E-S
Agua: Puentes de H
• Unión del agua a la Hemoglobina
Puentes de H
Subunidades α
Subunidades β
Agua: Puentes de H
• Efecto de la osmolaridad
extracelular en el
movimiento del agua
través de una membrana
plasmática
Agua: Ácidos y bases
El comportamiento bioquímico de muchos
compuestos depende de sus propiedades acido-
base (teoría de Bronsted-Lowry).
Ácido: Molécula que actúa donando protones
(iones H)
Base: Molécula que acepta protones.
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
Ácido
Base conjugada Compuesto
Agua: Ácidos y bases
Agua: Ácidos y bases
El grado de disociación de un ácido en el agua
varía desde:
Disociación total: Ácido fuerte
Disociación parcial: Ácido débil
Disociación nula: Ácido muy débil
Agua: Autodisociación
Posee propiedades ácido-base importantes en
muchos procesos biológicos, por su papel
disolvente.
Agua: Autodisociación
El grado de Autodisociación es pequeña, pero
llega a determinar importantes propiedades de
muchos solutos
Existen diversos valores de [H+] y [OH-] en una
solución acuosa.
Concentraciones con notación exponencial son
simplificadas al aplicar logaritmo.
Tal modificación se llama pH.
Agua: pH
Escala de pH:
Ideada por Bioquimico Sorensen.
Evita números engorrosos: 0,0000001
ó 1x10-7 (bajas [H+] en los fluidos
biológicos).
pH
pH de fluidos acuosos
Ejercicios
Calcule la [H+]:
Muestra pH [H+]
Plasma sanguíneo 7,4
Jugo de naranja 3,5
Orina humana 6,2
Amoniaco casero 11,5
Jugo gástrico 1,8
Ejercicios
Calcule la [OH-]:
Muestra pH [OH-]
Saliva 6,5
Fluido intracelular hepático 6,9
Orina humana 6,2
Jugo de tomate 4,3
Jugo gástrico 1,8
Ecuación de Henderson-Hasselbach
Relaciona la Ka de un Ác. débil con el pH
de una solución que contiene ese ácido
como su base conjugada.
pH: ácido-base
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
Ácido
Base conjugada Compuesto
Ecuación de Henderson-Hasselbach
Macromoléculas biológicas pierden su
actividad en pH extremos.
pH: ácido-base
Titulación de ácido acético
Base añadida
0 1
pH
1
2
3
4
5
6
7
8
9
pKa
CH3 COOH CH3 COO- + H+
CH3 COOH
CH3 COO-
Son mezclas de un ácido débil y su base
conjugada.
Resiste cambios de pH
Adición moderada de ácidos o bases
fuertes.
Amortiguadores o buffer
Titulación de un aminoácido
Base añadida
0 1 2
pH
0
2
4
6
8
10
12
14
16
pK
pK
R CH
NH3+COOH
R CH
NH3+
COO-
R CH
NH2
COO-
Importancia fisiológica.
El pH fisiológico en la mayoría de los organismos es
cercano a 7.0
La presencia de iones fosfatos amortigua los
cambios de pH de fluidos intracelulares.
HPO4-2/H2PO4
- es el principal amortiguador
celular.
Amortiguadores o buffer
Importancia fisiológica.
En la sangre los iones fosfatos no son suficientes
para amortiguar cambios de pH.
El sistema amortiguador de la sangre se basa en la
disociación del Ácido carbónico.
H2CO3 H+ + HCO3-
Amortiguadores o buffer
pH: ácido-base
Constantes de disociación de algunos ácidos
Importancia fisiológica.
El pKa del Ácido carbónico es 6,37.
El pH de la sangre = 7,4
Cerca del extremo del intervalo de
amortiguación de este sistema
¿Cómo opera?
Amortiguadores o buffer
Importancia fisiológica.
A través del CO2.
Se disuelve en agua y en fluidos como la sangre
CO2 (g) CO2 (ac)
CO2 (ac) + H2O (l) H2CO3 (ac)
H2CO3 (ac) H+
(ac) + HCO3- (ac)
Amortiguadores o buffer
Importancia fisiológica.
A través del CO2.
Se disuelve en agua y en fluidos como la sangre
CO2 (g) CO2 (ac)
CO2 (ac) + H2O (l) H2CO3 (ac)
H2CO3 (ac) H+
(ac) + HCO3- (ac)
CO2 (g) + H2O (l) H+
(ac) + HCO3- (ac)
Amortiguadores o buffer
Importancia fisiológica.
CO2 (g) + H2O (l) H+
(ac) + HCO3- (ac)
El CO2 transportado a los pulmones para ser
exhalado se convierte en HCO3-
Existe una relación entre el pH sanguíneo y la PCO2 (g)
en los pulmones (importancia de la hemoglobina).
Amortiguadores o buffer
Importancia fisiológica en la amortiguación de la sangre.
Respiración
Un incremento de H+ se compensa con el
aumento del ritmo de la respiración.
H+ (ac) + HCO3- (ac) H2CO3
- (ac)
Amortiguadores o buffer
Importancia fisiológica en la amortiguación de la sangre.
Respiración
Un incremento de H+ se compensa con el
aumento del ritmo de la respiración.
H+ (ac) + HCO3- (ac) H2CO3
- (ac)
Amortiguadores o buffer
El CO2 transportado a los pulmones para
ser exhalado se convierte en HCO3-
Importancia fisiológica en la amortiguación de la sangre.
H2CO3- (ac) CO2 (ac) + H2O (l)
CO2 (ac) CO2 (g) (pulmones)
El CO2 (g) se elimina el ritmo de respiración.
Provoca desplazamiento y equilibrio en todas las
reacciones anteriores.
Amortiguadores o buffer
Recordemos: Importancia fisiológica.
A través del CO2.
Se disuelve en agua y en fluidos como la sangre
CO2 (g) CO2 (ac)
CO2 (ac) + H2O (l) H2CO3 (ac)
H2CO3 (ac) H+
(ac) + HCO3- (ac)
Amortiguadores o buffer
¿Cómo se mantiene el pH de la sangre constante?
Al eliminar el CO2 (g) el CO2 (ac)
H+ (ac) + HCO3- (ac) H2CO3
- (ac)
Se reduce [H+] en la sangre, volviendo al pH
original
Amortiguadores o buffer
¿Qué sucede si respiramos excesivamente
rápido?
Amortiguadores o buffer
¿Qué sucede si respiramos excesivamente rápido?
Eliminación desmedida de CO2 de los pulmones,
elevando el pH de la sangre a niveles nocivos.
Debilidad y desmayos
Amortiguadores o buffer
¿Qué sucede con los atletas al hiperventilarse?
¿Cuál es la relación con la producción del ácido láctico?
Amortiguadores o buffer
¿Qué sucede con los atletas al hiperventilarse?
Elevación del pH sanguíneo.
Periodos cortos de ejercicio, [Ác. Láctico] sanguíneo
Abate el pH sanguíneo
La hiperventilación antes de una competencia,
contrarresta los efectos del ácido láctico adicional
manteniendo el balance de pH.
Amortiguadores o buffer
¿Cuándo se incrementa el nivel de H+ en la sangre?
Amortiguadores o buffer
¿Cuándo se incrementa el nivel de H+ en la sangre?
Dosis altas de Aspirina (ácido acetilsalicílico o AAS )
Amortiguadores o buffer
¿Cuándo se incrementa el nivel de H+ en la sangre?
Exposición a grandes altitudes, produce respuestas
similares a la hiperventilación.
Amortiguadores o buffer
pH de algunos fluidos
Amortiguadores o buffer