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EL AGUA EN LOS PROCESOS BIOLÓGICOS

biología

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EL AGUA EN LOS PROCESOS BIOLÓGICOS

 

Estudiaremos el  porque es la molécula más abundante y porque la inmensa mayoría de las reacciones bioquímicas tienen lugar en un medio acuoso y obedecen a las leyes físico-químicas de las disoluciones acuosas.

-         En primer lugar, el  es líquida en un amplio rango de temperaturas (0-100sC). Esto permite que la vida pueda desarrollarse en condiciones climáticas muy dispares.

-         Presenta una densidad máxima a 4sC. En consecuencia, el hielo flota sobre el  líquida, actuando como aislante térmico, lo que permite que la gran masa de los océanos se mantenga líquida y por tanto, la vida de numerosos seres acuáticos.

-         Elevada constante dieléctrica, que permite la disolución de la mayoría de las sales minerales, ya que debilita las fuerzas electrostáticas entre los iones.

-         Es un dipolo, por lo tanto, sus moléculas tienden a rodear a los iones aislándolos unos de otros, facilitando la disolución de las sales. se dice que estos iones quedan solbatados. El  también solbata otras moléculas polares no iónicas como el etanol.

-         Elevado calor específico, gracias a lo que los animales pueden ganar o perder bastante calor con escasa modificación de la temperatura corporal. Esto explica el papel termorregulador corporal de la sangre.

-         Elevado calor de vaporización. Esto quiere decir que un animal puede eliminar el exceso de calor vaporizando cantidades de  relativamente pequeñas a través de pulmones y piel, pudiendo mantener así la temperatura corporal por debajo de la ambiente.

-         Elevada tensión superficial. Sus moléculas se ordenan de modo que la superficie libre sea mínima. Las sustancias denominadas tensoactivas, como los detergentes, son capaces de disminuir la tensión superficial del agua, lo que facilita la mezcla o inclusión de las grasas en un medio acuoso. Así es como actúan las sales del intestino delgado, que facilitan la disolución de las grasas en este.

-         Una disociación en   y crítica para muchos procesos biológicos. Las células vivas tienen mecanismos bastante eficaces para controlar estas concentraciones.

Muchas de estas propiedades se deben a que sus moléculas se hayan enlazadas por fuerzas intermoleculares  que son especialmente, puentes de H y fuerzas de Van der Waals.

                                                           

                                                               

Disoluciones acuosas

 

Una disolución es una mezcla homogénea de moléculas diferentes (solutos) en un disolvente. En bioquímica la gran mayoría de las disoluciones son acuosas. Al disolverse en agua, estos solutos modifican las propiedades del disolvente como el color, densidad

Algunas de estas propiedades no dependen de la naturaleza del soluto, sino solo del número de partículas disueltas y las denominamos propiedades coligativas de las disoluciones, que son:

-         descenso de la P de vapor

-         descenso crioscópico, o de la temperatura de congelación

-         incremento de la temperatura de ebullición

-         P osmótica

Desde el punto de vista fisiológico destaca la presión osmótica, porque las membranas celulares actúan como membranas semipermeables.

Ejemplo: los eritrocitos, que forman parte de la sangre. Si colocamos uno en agua destilada, este estallará (se lisará) ya que en su interior hay una concentración de soluto, y el agua entrará en su interior hasta equilibrar las concentraciones interna y externa. Se calcula que la presión a soportar por las paredes del eritrocito sería de 7,6 atmósferas.

Cuando forman parte de la sangre no se lisan porque este medio es isotónico respecto del interior del glóbulo rojo.

Para mantener constante la concentración de solutos en el medio interno del organismo, hay diversos mecanismos. Destacan la sed y la filtración renal, reguladas por osmoreceptores conectados con el sistema nervioso central.

Las disoluciones acuosas las diferenciamos en dos tipos: moleculares e iónicas.

En las primeras, las moléculas disueltas mantienen su integridad como en el caso de azúcares, proteínas En las iónicas, las moléculas disueltas se disocian en el disolvente en dos o más iones.

Que un disolución sea una o otra repercute directamente en sus propiedades coligativas, ya que dependen del número de partículas disueltas, y por tanto, como en una disolución iónica, el número de iones es mayor que el de moléculas disueltas, el efecto sobre las propiedades coligativas será mayor, mientras que en el caso de las disoluciones moleculares será mucho menor a causa de que las partículas son tantas como las moléculas disueltas.

Un tercer tipo de disoluciones son las coloidales, que se caracterizan porque las partículas del soluto superan un determinado tamaño, (normalmente un diámetro mayor a 10o una masa superior a 10 kilodalton). Las disoluciones coloidales difieren de las disoluciones verdaderas en algunas propiedades. Por ejemplo, se pueden precipitar por centrifugación a alta velocidad. La superficie de contacto de las moléculas con el agua o interfase adquiere una especial relevancia en este caso, y numerosas técnicas analíticas se basan en las propiedades de estas interfases.

Biomoléculas que dan lugar a coloides son los polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos. Estas macromoléculas presentan ,en su interfase con el agua, grupos polares como el OH o iónicos como el carboxilo o el amino, que ordenan a su alrededor una gran cantidad de moléculas de agua. Como estas macromoléculas son de gran tamaño, incluso las disoluciones concentradas contienen un número pequeño de moléculas, por lo tanto las propiedades coligativas de las disoluciones coloidales son poco observables. Sin embargo, la P osmótica sí es importante, y presenta algunas peculiaridades en los siguientes casos:

-         cuando el coloide es iónico

-         cuando el compartimento que contiene el coloide está limitado por una membrana semipermeable

-         cuando al otro lado de la membrana semipermeable existe un soluto iónico difusible

En estos casos el coloide sí origina una presión osmótica que se debe, por una parte, a la presencia de las macromoléculas coloidales, pero también a la existencia en este compartimento  de un exceso de partículas iónicas difusibles que son atraídas por el coloide. A esta presión se le denomina presión coloidosmótica, debida a que el coloide tiene carga y por lo tanto atrae a iones que son los que crean la P.

Esto sucede en biología en muchos lugares como entre el plasma y el líquido intersticial, separados por el endotelio del capilar.

Las moléculas que se disocian decimos que son electrolitos y diferenciamos

-         los electrolitos fuertes, cuando la disociación es total,y

-         los débiles, cuando la disociación es solo parcial

Equilibrios iónicos

 

El agua es un electrolito débil que se disocia en muy baja proporción de la siguiente manera: . Solamente una molécula de cada  está disociada, y esto presenta un gran interés en biología.

. En agua pura, , es decir, que el agua pura tiene un PH = 7.

Cualquier sustancia que haga variar una de las concentraciones de los iones hará que la concentración del otro tipo iónico se modifique de modo que el producto siga siendo constante.

 El interés fisiológico del PH se refleja en varios aspectos. En primer lugar, el funcionamiento armónico  de muchos procesos del organismo requiere la actuación concertada de muchas encimas, y la acción catalítica de estas dependen del PH. Además en el interior de las células se producen gradientes locales de PH que se usan en el almacenamiento de energía química en forma de ATP, como sucede por ejemplo entre la mitocondria y el citosol.

Por otra parte, proceso como el intercambio de gases en los pulmones está regulado por cambios muy suaves de PH en el interior del eritrocito.

En resumen, en bioquímica tendremos que tener en cuenta el tipo de disolución que usemos y el PH.

La mayoría de los ácidos y bases que tienen interés fisiológicos son, al igual que el agua, electrolitos débiles y están solo parcialmente disociados. Por ejemplo, el ácido acético se va a disociar según esta ecuación: . En el equilibrio, la constante de equilibrio es: .  Igualmente  sucede con otros ácidos y bases débiles.

Para los ácidos y bases débiles, K es muy baja y con lo que se trabaja es con el pK (-log K). En la escala de pK los ácidos débiles tienen valores menores a 7 y las bases mayores a 7. Cuando el ácido se encuentra disociado al 50% la concentración de la forma no disociada es igual  a la concentración de la forma disociada y por lo tanto podemos decir que PH=pK . También podemos definir el pk como el PH al que el 50% del ácido está disociado.

El pK de los ácidos y bases débiles se puede determinar mediante las curvas de titulación. Lo más importante de las curvas es que muestran como un ácido débil y su anión pueden actuar como tampones.

Un sistema tampón o amortiguador es usado por el organismo para protegerse de variaciones bruscas de PH.

NOTA: además de tampones o amortiguadores podemos encontrarnos con el término inglés “Buffers”.

Estas disoluciones contienen en proporciones análogas las formas disociada y no disociada de un ácido o base débil, que conseguimos mezclando en proporciones adecuadas un ácido débil y base fuerte, o base débil y ácido fuerte, de forma que lo que se origina es una mezcla de un electrolito y una sal fuerte. Cualquier factor externo que tienda a variar la concentración de desplazará el equilibrio hasta que la nueva concentración de  sea similar a la inicial. A efectos cualitativos, los sistemas tampón se rigen por la ecuación de Héndersson – Hasselbach, que es .

Las disoluciones reguladoras cumplen una serie de normas:

El PH de una reguladora no depende de las concentraciones absolutas de ácido y base o sal si no de la proporción entre las formas disociada y no disociada, con lo que a una disolución tampón podemos añadir agua sin modificar su PH. Aunque no varía, lo que ocurre es que las disoluciones más concentradas tienen mayor capacidad de tamponamiento. Además la amortiguación es máxima cuando el PH del medio coincide con el pK del amortiguador. Si la diferencia entre el PH y el pK es mayor a 2 entonces no hay capacidad amortiguadora.

Una base débil actuará como tampón al añadir un ácido fuerte siempre que al reaccionar entre sí quede algún exceso de base.

En el organismo tenemos una serie de amortiguadores fisiológicos, de los cuales destacan los fosfatos. En los tejidos el fosfato se haya combinado con azúcares, lípidos o ácidos nucleicos. El ácido fosfórico tiene 3 átomos de H disociables. Su disociación es gradual y cada uno de ellas posee un pK específico. Pues bien, solo la disociación del segundo protón tiene interés fisiológico ya que su pK es 6,86 , cercano al PH fisiológico.

Otro importante es el sistema del bicarbonato, ya que el ácido carbónico se haya en equilibrio con el  y por tanto la concentración de ácido carbónico en sangre se modifica variando la ventilación pulmonar. Por último, el amortiguador más importante fisiológicamente son las proteínas, que contienen grupos funcionales que son ácidos y bases débiles con una amplia gama de pKs, de manera que funcionan como buenos amortiguadores casi a cualquier PH. Por su abundancia en la sangre y su papel en la respiración, la hemoglobina destaca como amortiguador entre las proteínas. Su peculiaridad más importante en este sentido es que su pK varía según esté o no oxigenada, lo que le confiere una capacidad amortiguadora adicional.         

                los aminoácidos, constituyentes de proteínas poseen un grupo carboxilo y otro amino.                                                                                                                      

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