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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.


A temperatura ambiente es:

Líquida,

Inodora,

Insípida

Incolora, aunque adquiere una leve tonalidad azul

en grandes volúmenes.


Se considera fundamental para la

existencia de la vida.

No se conoce ninguna forma de vida que

tenga lugar en su ausencia completa.


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.


Se considera inerte y destinada para llenar

espacios en organismos vivos.

Sustancia de gran reaccionabilidad.

Propiedades físicas y químicas diferenciadoras


Su geometría y sus propiedades como

disolvente son cruciales para determinar

propiedades en los seres vivos.

Estructura de la molécula de agua


Cuando se comparten electrones entre

átomos en un enlace químico, no siempre se

hace equitativamente.


Los enlaces en los que los electrones se

comparten desigualmente se llaman polares.


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


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…?


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


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


http://ensinofisicaquimica.blogspot.com/2008/03/dissoluo-de-um-sal-em-gua.html












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?


Moléculas Anfipáticas.

En presencia de agua el Oleato de sodio forma

Micelas.


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?


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


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


Disposición geométrica de moléculas de agua

unidas por puentes de H incide en las

propiedades del agua como disolvente.


El Angulo de enlace del agua es de 104,45° y el ángulo

entre los pares de ė es similar.

Forma tetraédrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:120px-Tetrahedron-slowturn.gif


El Angulo de enlace del agua es de 104,45° y el ángulo

entre los pares de ė es similar.

Forma tetraédrica


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


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


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


Las fuerzas de

atracción son más

débiles que las del

agua, debido al

número y fuerza de

sus puentes de H


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.


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


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.



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-


pH: ácido-base

Constantes de disociación de algunos ácidos


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?



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)



A través del CO2.


CO2 (g) CO2 (ac)


H2CO3 (ac) H+

(ac) + HCO3- (ac)

CO2 (g) + H2O (l) H+

(ac) + HCO3- (ac)



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).


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)



Respiración

Un incremento de H+ se compensa con el

aumento del ritmo de la respiración.


- (ac)


El CO2 transportado a los pulmones para

ser exhalado se convierte en HCO3-


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.


Recordemos: Importancia fisiológica.

A través del CO2.


CO2 (g) CO2 (ac)


H2CO3 (ac) H+

(ac) + HCO3- (ac)


¿Cómo se mantiene el pH de la sangre constante?

Al eliminar el CO2 (g) el CO2 (ac)


- (ac)

Se reduce [H+] en la sangre, volviendo al pH

original


¿Qué sucede si respiramos excesivamente

rápido?


¿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


¿Qué sucede con los atletas al hiperventilarse?

¿Cuál es la relación con la producción del ácido láctico?


¿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.


¿Cuándo se incrementa el nivel de H+ en la sangre?



Dosis altas de Aspirina (ácido acetilsalicílico o AAS )


http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b0/Aspirin-skeletal.png


Exposición a grandes altitudes, produce respuestas

similares a la hiperventilación.


pH de algunos fluidos


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