Bioelementos y Biomoléculas

El agua

Carola Maldonado Vera, PhD

Agosto 2013

Objetivos

• Identificar las propiedades físico-químicas y biológicas del agua

• Conocer las funciones biológicas, bioquímicas y fisiológicas del agua

• Conocer importancia fisiológica de las soluciones amortiguadoras

Bioelementos y Bioemoléculas

EL AGUA:

El agua, una molécula simple y extraña, es considerada como el

líquido de la vida.

Es la sustancia más abundante en la biosfera, dónde la encontramos en sus tres estados y es además el componente mayoritario de los seres vivos, pues entre el 65 y el 95% del peso de la mayor parte de las formas vivas es agua.

Importancia del Agua• El agua es la biomolécula más abundante

en el ser humano.

• Constituye un 65-70% del peso del cuerpo. Se debe mantener alrededor de estos valores, de lo contrario, el organismo sufriría graves situaciones patológicas.

• La importancia del estudio del agua estriba en que casi todas las reacciones bioquímicas del organismo tienen lugar en medios acuosos.

Naturaleza del Agua

• Presente en la Tierra desde hace más de 3.800 mill. años, ocupando tres cuartas partes de la superficie del planeta.

• Formada por tres átomos, dos de hidrogeno y 1 de oxígeno, H2O, la unidad mínima en que ésta se puede encontrar.

• La forma en que estas moléculas se unen entre sí determinará la forma en que el agua se encuentra, como líquidos, sólido o gas.

Estructura del AguaLa molécula de agua está formada por dos átomos de H unidos a un átomo de O por medio de dos enlaces covalentes.

La disposición tetraédrica de los orbitales del oxígeno determina un ángulo entre los enlaces H-O-H aproximadamente de 104'5

El oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y atrae con más fuerza a los electrones de cada enlace.

El resultado es que la molécula de aguaaunque tiene una carga total neutra,presenta una distribución asimétrica desus electrones, lo que la convierteen una molécula polar.

H = 1.84 D (10-18 esu) 105o

O H 0.96 Å

alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa , mientras que los núcleos de hidrógeno quedan desnudos, desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, con una densidad de carga positiva.

La carga parcial negativa del oxígeno de una molécula de agua, ejerce una atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otras moléculas adyacentes.

Así se establecen interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua, formándose enlaces o puentes de hidrógeno,

Aunque son uniones débiles, el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan otras cuatro molécula unidas por puentes de hidrógeno permite que se forme en el agua (líquida o sólida) una estructura de tipo reticular, responsable en gran parte de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de sus propiedades físicoquímicas.

El Agua posee unas extraordinarias propiedades

físicas y químicas que van a ser responsables de su importancia

biológica

Propiedades fisico-químicas del agua

Cohesión: fuerza que se establece entre las moléculas del mismo tipo

Adhesión: fuerza que se establece entre las moléculas de distinto tipo

Tensión superficial: se define como la fuerza por unidad de longitud L que actúa a través de cualquier línea en la superficie del líquido, y que tiende a contraer dicha superficie.

Capilaridad: fenómeno que ocurre en tubos de diámetro muy pequeño, que inicialmente se encuentran vacios, consistente en que el agua sube espontáneamente por los mismos en función del nivel de agua que lo rodea

Constituyente del citoplasma

Disolvente de gases, iones y solutos que debido a la permeabilidad de las membranas celulares establece un sistema continuo por toda la célula

Metabolito en muchas reacciones químicas, p.e. de hidrólisis, ATPasas, reacciónes redox de respiración y fotosíntesis, etc.

Turgencia celular. Ayuda a dar forma a la célula e interviene en determinados movimientos y procesos de crecimiento

Esencial para la Termorregulación gracias al calor especifico y calor de vaporización del agua.

Las propiedades de tensión-cohesión y capilaridad permiten el transporte en los organismos vivos.

Propiedades biológicas del agua

Funciones Bioquímicas y Fisiológicas del Agua

• El agua actúa como componente estructural de macromoléculas, como proteínas, polisacáridos, etc., ya que estabiliza su estructura, fundamentalmente a través de la formación de puentes de hidrógeno.

• El agua, como disolvente universal de sustancias, tanto iónicas como anfipáticas y polares no iónicas, permite que en su seno se produzcan casi todas las reacciones bioquímicas, y es además un excelente medio de transporte en el organismo.

Funciones Bioquímicas y Fisiológicas del Agua

• El agua es el sustrato o el producto de diversas reacciones enzimáticas. Puede actuar como cosustrato en reacciones catalizadas por hidrolasas e hidratasas, o puede ser el producto de reacciones catalizadas por oxidasas. Participa como reactante o como producto en infinidad de vías metabólicas.

• El carácter termorregulador del agua permite conseguir un equilibrio de temperatura en todo el cuerpo, la disipación de cantidades elevadas de calor metabólico, etc.

La capacidad disolvente es la responsable de sus funciones:

• Medio donde ocurren las reacciones del metabolismo

• Sistemas de transporte

• Control de pH de líquidos corporales

El Agua en el cuerpo humano

• En un sujeto adulto sano puede representar casi el 60% del peso corporal total.

• El agua se puede considerar distribuida en dos grandes compartimientos:

El Extracelular El Intracelular

• El agua extracelular, representa cerca del 40 % del agua corporal total. Este compartimiento incluye dos sub-compartimientos importantes: el plasma sanguíneo que representa cerca del 5 % de la masa corporal, y el líquido intersticial que representa cerca del 15 % de la masa corporal.

• El agua intracelular, representa cerca del 60 % del agua corporal total. Existen otros subcompartimientos menores, tales como la linfa, que representa cerca del 2% de la masa corporal.

• Existe otra fracción importante de líquido, denominada líquido transcelular, aquí se incluyen los líquidos de las secreciones digestivas, líquido cefalorraquídeo, líquido sinovial, líquido intraocular y líquidos de espacios serosos (peritoneal, pleural, pericárdico). En conjunto representa aproximadamente del 1 al 3% de la masa corporal.

El agua es un electrolito débil:

• Ello se debe a la naturaleza de su estructura molecular. Libera el mismo catión que los ácidos (H+; ion hidrógeno o protón, o ion hidronio) y el mismo anión que las bases (OH-; ion hidroxilo).

• Por tanto, el agua es un anfolito o sustancia anfótera, es decir, puede actuar como ácido o como base.

Los organismos vivos no soportan variaciones del pH mayores de unas décimas de unidad y por eso han desarrollado a lo largo de la evolución sistemas de tampón o buffer, que mantienen el pH constante mediante mecanismos homeostáticos.

Los sistemas tampón consisten en un par ácido-base conjugada que actúan como dador y aceptor de protones respectivamente.

El agua y el pH

Agua y HomeostasisUn aspecto fundamental en la fisiología de todos los organismos es la homeostasis o capacidad para mantener una situación de equilibrio dinámico favorable.

En este fenómeno tiene gran importancia los sistemas amortiguadores que equilibran la presencia de sustancias ácidas y básicas para mantener el pH dentro de los límites fisiológicos.

El pH de casi cualquier sistema vivo es aproximadamente igual a 7. La mayoría de las enzimas y otras sustancias dejan de funcionar con un pH inadecuado, por eso es muy importante mantener el pH interno de las células en 7.

un amortiguador sirve para mantener el pH

Soluciones buffers , tampones o “amortiguadoras”

• Son soluciones que no varían apreciablemente el pH, al agregar pequeñas cantidades de ácido o base.

• Un amortiguador resiste el cambio de pH, porque contienen tanto una especie ácida que neutraliza los iones OH-, como una básica que neutraliza los iones H+ . Estas especies ácida y básica no se deben consumir entre sí.

Estas soluciones poseen dos características importantes

• Capacidad amortiguadora : cantidad de ácido o base que el tampón es capaz de neutralizar , antes de que cambie su pH. Depende de las cantidades de ácido y su base conjugada de las que está formado el tampón.

Mientras mayor es la cantidad del par ácido-base conjugada, mayor es la resistencia al cambio de pH.

• pH: depende de la Ka del ácido y de las concentraciones relativas de ácido y base del amortiguador mediante la ecuación de Henderson-Hasselbach.

se utiliza para calcular el pH de trabajo de un buffer.

En todo momento podemos relacionar el pH con la proporción de ácido y su base conjugada ([HA] y [A-]) mediante esta ecuación

pH = pK + log [base conjugada]

[Acido]

Ecuación de Hendersson-Hasselbach

HA (ac) A- (ac) + H+ (ac)Ácido Base conjugada protón

HA (ac) A- (ac) + H+ (ac)HA (ac) A- (ac) + H+ (ac)Ácido Base conjugada protón

Todo par conjugado ácido-básico tiene capacidad de tamponamiento para valores de pH próximos a su pK.

La región tamponante propia de cada par conjugado se extiende aproximadamente 0,5 unidades de pH a ambos lados de su punto medio, en el que se igualan los valores de pH y pK. Más allá de estos límites el par conjugado no tiene capacidad de tamponamiento.

HA (ac) A- (ac) + H+ (ac)Ácido Base conjugada protón

HA (ac) A- (ac) + H+ (ac)HA (ac) A- (ac) + H+ (ac)Ácido Base conjugada protón

¿ En qué zona de pH una solución funcionará como buffer o tampon?

Depende del par conjugado ácido débil y la sal de ese ácido débil , o del par base débil y la sal de esa base débil. La solución será mejor amortiguadora en la zona de pH que sea más cercana a su valor de pKa.

Su máxima capacidad amortiguadora, ocurre cuando:

[aceptor de protones] = [dador de protones]

Es decir, cuando pH = pKa

Soluciones amortiguadoras o buffers biológicos más importantes

Muchas biomoléculas poseen grupos funcionales ionizables que contribuyen al poder tamponante de los fluidos biológicos; sin embargo, existen dos sistemas tampón que, por estar presentes en muchas formas de vida, tienen una especial relevancia:

Intracelular:• Sistema tampón fosfato diácido –f osfato monoácidoH2PO4

- - HPO4-2

• También contribuyen Glucosa 6 P, ATP, proteínas intracelulares.

Extracelular: ( sangre y líq. Intersticiales)• El más importante: sistema tampón ácido carbónico -

bicarbonato. ( H2CO3-HCO3-)

• También contribuyen proteínas extracelulares.

Sistema tampónfosfato diácido –fosfato monoácido

regula el pH en el citoplasma de todas las células

H2PO4- - HPO4

-2 pKa alrededor de 7.0

El sistema tampón del fosfato, con un pK de 6,86, presenta clara capacidad de tamponamiento al pH celular, que está próximo a la neutralidad.

Sistema tampón ácido carbónico -bicarbonato

actúa en la sangre y en los líquidos intersticiales

H2CO3-HCO3- pKa alrededor de 4.0

Es curioso que el sistema tampón del bicarbonato, con un pK de 3,77, tenga capacidad de tamponamiento para valores de pH próximos a 7.

Esta capacidad reside en que el ácido carbónico, aún estando casi totalmente disociado a estos valores de pH, puede reponerse a partir del CO2 disuelto en la sangre, que a su vez está en equilibrio con el CO2 gaseoso presente en los pulmones

La acción conjunta de estos tres equilibrios químicos es la responsable del poder tamponante a pH fisiológico del tampón bicarbonato.

Caso Clínico

CONCENTRACIÓN DE BICARBONATO EN SANGRE EN UNA ACIDOSIS METABÓLICA

En los adultos normales, los amortiguadores de la sangre mantienen el pH sanguíneo en un valor de alrededor de 7,40; el estado que se alcanza cuando el pH desciende por debajo de 7,35 se denomina acidosis.

Un pH sanguíneo cercano a 7,0 puede provocar serias complicaciones y posiblemente la muerte. Por tanto, en caso de acidosis, y particularmente si es causada por un cambio metabólico, es importante controlar los parámetros ácido-base de la sangre del paciente.

Los datos de interés clínico comprenden el pH y las concentraciones de HCO3- y CO2, siendo sus valores normales:

pH = 7,40; [HCO3-] = 24,0 mM y [CO2] = 1,20 mM.

Los valores sanguíneos de un paciente con acidosis metabólica eran pH = 7,03 y [CO2] = 1,10 mM. ¿Cuál es la concentración de HCO3- en la sangre del paciente y qué cantidad de HCO3-, respecto a la normal, se ha utilizado para amortiguar el exceso de ácido causante de la enfermedad?

1. La ecuación de Henderson-Hasselbach:

El pKa para el sistema [HCO3-]/[CO2] es 6,10. Sustituyendo en la ecuación los valores dados.

pH = 6.1 + log [HCO3

-]1,1 mM

pH = pKa + log [HCO3-]

[CO2]pH = pKa + log [HCO3

-][CO2]

CO2 + H2O HCO3- + H+ CO2 + H2O HCO3- + H+

[HCO3-] = 9.4 mM

2. Puesto que el valor de [HCO3-] normal es 24 mM, se ha producido una disminución de 14,6 mmol de HCO3- por litro de sangre en este paciente.

Es importante poner de relieve que si se hubiera perdido mucho más HCO3

- se llegaría a un punto en el que este importante amortiguador no sería capaz de amortiguar más ácido en la sangre y el pH disminuiría rápidamente.

GRACIAS