Untitled

Introducción

• El agua es la sustancia más abundante en los organismos vivos
• Las macromoléculas de la célula adaptan diversas estructuras en respuesta a la interacción con el agua
• En el ser humano adulto el agua comprende el 60-70%
• Diversos factores afectan el porcentaje de agua en el cuerpo humano, incluyendo edad, sexo y cantidad de tejido adiposo

Distribución del agua en el cuerpo humano

• El agua se distribuye de forma diferente en el cuerpo humano
• El cerebro contiene 75% de agua
• La sangre posee un 83% de agua
• El hígado incluye un 68% de agua
• Los riñones tienen 83% de agua
• La piel contiene un 72% de agua
• El corazón tiene un 79% de agua
• Los pulmones contienen un 79% de agua
• El bazo incluye un 76% de agua
• El tejido adiposo tiene un 10% de agua
• Los músculos tienen un 76% de agua
• El esqueleto contiene un 22% de agua

Estructura del agua

• La estructura del agua es casi un tetraedro
• Si está quieta, a 0°C, forma 4 enlaces de hidrógeno
• En agua líquida, a 25°C, tiene energía térmica y forma un promedio de 3.4 enlaces de hidrógeno
• El agua tiene forma de V
• El ángulo entre cada enlace de H es de 104.5°
• Existe una distribución desigual de los electrones en la molécula

Enlace de Hidrógeno

• La energía de disociación de enlace es de 23 KJ/mol (470 KJ/mol [O-H])
• La naturaleza del enlace cuenta con 10% covalente (traslape en orbitales) y 90% electrostático
• La vida media es de 1-20 ps.
• Al disociarse un puente de hidrógeno, uno nuevo se forma en 0.1 ps

Enlace de Hidrógeno y Cohesión Interna

• La energía requerida para convertir 1 g de líquido en su temperatura de ebullición bajo presión atmosférica a su estado gaseoso manteniendo la temperatura
• Es una medida directa de la energía requerida para superar las fuerzas de atracción en la fase líquida
• Se relaciona con la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de una sustancia en 1 °C
• El hielo es menos denso debido al ordenamiento de las moléculas del agua

Agua y entorno acuoso

• H2O (sólido) → H2O (líquido) ΔH = +5.9 kJ/mol
• H2O (líquido) → H2O (gas) ΔH = +44.0 kJ/mol

Interacción del agua con solutos polares

• Soluto polar es un átomo electronegativo (N u O) – H
• El enlace se forma con otra molécula con diferencia de electronegatividad, intermoleculares (agua-agua, agua-biomolécula)
• No ocurre con C-H
• Se puede predecir la solubilidad de biomoléculas

Interacciones Electrostáticas del Agua

• Son interacciones electrostáticas que constituyen la fuerza más fuerte de las fuerzas no covalentes
• La sumatoria atenúa la fuerza de las interacciones electrostáticas

Solubilidad en agua

• Los gases apolares no son solubles en agua
• La disolución de compuestos apolares es termodinámicamente desfavorable
• Las moléculas de agua ordenan e impiden enlaces de hidrógeno

Moléculas anfipáticas

• Las moléculas anfipáticas tienen una cabeza hidrofílica y una cola hidrofóbica
• Las micelas forman una región apolar agrupada, con región polar en contacto con el disolvente
• Las moléculas anfipáticas incluyen proteínas, pigmentos, vitaminas y fosfolípidos

Interacciones van der Waals

• Es la interacción entre dos átomos no cargados que pueden formar dipolos transitorios
• El radio de van der Waals es una medida de lo que un átomo permite acercarse a otro

Fuerzas No Covalentes

• Las fuerzas no covalentes incluyen las interacciones carga-carga
• También incluye puentes de hidrógeno
• Además, incluyen fuerzas de Van del Waals
• También incluye interacciones hidrófobas

Interacciones débiles

• Son cruciales para la estructura y función de macromoléculas, se forman y rompen continuamente
• Generan un efecto acumulativo
• El tamaño grande de la molécula implica más interacciones
• La presencia de estas interacciones se ve en el proceso de enzima-sustrato, ADN y ARN, y el plegamiento de una proteína, Ag-Ac.

Solutos y propiedades coligativas

• Los solutos afectan las propiedades coligativas de las disoluciones, como la presión de vapor, el punto de ebullición, el punto de fusión y la presión osmótica
• En las disoluciones, la concentración del agua es menor que en el agua pura
• Dependen únicamente del número de partículas del soluto, no del tamaño

Concentración celular y difusión

• Existe menor movilidad de solutos en citoplasma.
• La viscosidad del interior del citoplasma es mayor
• Las moléculas cargadas se unen de manera transitoria
• Las colisiones entre moléculas inhiben la difusión

El agua como Nucleófilo

• Es un nucleófilo (amantes de los núcleos)
• Con cargas negativas o ricos en electrones
• Por lo general oxígeno, nitrógeno, azufre y carbono
• También es un electrófilo (amantes de los electrones), con cargas positivas

Ionización del agua

• El agua pura está ligeramente ionizada: H2O + H+ + OH-
• Al añadir un ácido débil, H+ aumenta, al agregar una base débil, H+ disminuye
• Exite Salto protónico : La ionización del agua se puede medir al evaluarse su conductividad eléctrica
• Los protones saltan de una molécula a otra por largas distancias

Producto iónico del agua

• Keq = [H+][OH-]/[H2O] = 1.8 x 10^-16 M at 25°C
• En agua pura, a 25°C: [H2O] = 55.5 M
• Sustituyendo: Keq = [H+][OH-]/[55.5 M]
• (55.5 M)(Keq) = [H+][OH-] = Kw = [H+][OH-] = (55.5 M)(1.8 × 10-16 M)
• = 1.0 × 10-14 M^2

pH Neutro

• [H+] = [OH-]
• Kw - [H+][OH-] = [H+]2 = [OH-]2
• [H+] = √Kw = √1 × 10^-14 M^2
• K - [H+] = [OH-] = 10^-7 M
• El producto iónico del agua es constante, sirve para determinar [H+] y [OH-]; si sabemos uno, podemos saber el otro

Escala de pH

• pH = log 1/[H+] = -log[H+]
• En una solución neutra, donde [H+] = [OH-], pH = log 1/(1.0 × 10^-7) = 7.0
• Es logarítmica, un aumento de 1 unidad es igual a un aumento de 10 veces

Ionización de ácidos

• Los ácidos se ionizan en solución acuosa
• Los ácidos y bases fuertes se ionizan completamente
• Los ácidos y bases débiles no están completamente ionizados
• Los ácidos y bases débiles están presentes en todos los sistemas biológicos

Par ácido-base conjugado

• Ácidos y bases de Brönsted-Lowry
• Un dador de protón y su aceptor par ácido-base conjugado
• ¿Cómo se determina la fuerza de un ácido débil?
• Mayor Ka, menor pKa y mayor fuerza; por tanto, a menor Ka, mayor pKa y menor fuerza

Determinación del pKa

• En disolución:
  • H2O ⇌ H+ + OH-
  • HAc ⇌ H+ + Ac-
• Kw = [H+][OH-] = 1 × 10^-14 M^2
• Ka = [H+][Ac-]/[HAc] = 1.74 × 10^5 M

Tampones Biológicos

• Sistemas acuosos que tienden a resistir cambios de pH.
• Los organismos mantienen un pH constante
• Regulados por mezclas de ácidos débiles y sus bases conjugadas.

Propiedades de los Tampones y Determinación

• Los tampones son mezclas de ácidos débiles y sus bases conjugadas
• K = [H+][OH-]
• También llamado Acetic acid (CH3COOH)
• Reaccionan HAC ⇌ Ac¯
• También denominado Acetate (CH3COO¯)
• Se determina fuerza de un ácido débil

Henderson-Hasselbalch

• Es importante para comprender la acción de los tampones en organismos vivos
• Se ve por la reacción: K = a = [H+][A-]/[HA]
• Para resolver:[A-]/[HA]
• ¿Qué ocurre cuando [HA] = [A-]? Región buffer

Cálculo de Henderson-Hasselbalch

Puede calcular:

• El pKa a partir del pH y la relación molar
• Calcula el pH a partir del pKa y la relación molar
• La relación molar a partir del pH y del pKa

Tamponamiento contra cambios de pH

• Los organismos tienen pHs característicos y constantes
• Utilizan proteínas, aminoácidos (ácidos débiles o bases débiles)

Sistema tampón del fosfato

• Actúa en el citoplasma de las células con la reacción: H2PO4 ⇌ H+ + HPO4 2-

Tampones biológicos, Acidosis y Alcalosis

• Los tampones son: Aquellos elementos en el que la homeostasis se lleva acabo y de ese modo evita la acidosis y la alcaliosis: una forma de llevar control sobre todo lo que entra al organismo
• Ecuación de Henderson-Hasselbalch:
  • Describe la relación entre el pH, el pKa y las concentraciones de ácido y base en una solución tampón
• Se encuentra en:
  • Tampones celulares
  • Tejidos
• Su alteralcion resulta en:
  • Acidosis
  • Alcalosis

Agua como reactivo

• Interviene en reacciones de condensación
• También involucra en reacciones de hidrólisis