Bioquímica y Biología Molecular para Ciencias de la Salud (PDF)

03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 29 UN PROTAGONISTA EXCEPCIONAL: EL AGUA 3 3.1 EL AGUA...

03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 29 UN PROTAGONISTA EXCEPCIONAL: EL AGUA 3 3.1 EL AGUA El agua es la biomolécula más abundante de los seres vivos. En el ser humano constituye un 65-70% del peso del No puede existir vida sin agua. Para que los procesos vitales cuerpo, debiéndose mantener alrededor de estos valores. De tengan lugar es necesaria la presencia del agua, ya que casi lo contrario, tras un fallo de la regulación hídrica, el organis- todas las reacciones bioquímicas de los organismos tienen mo sufriría graves situaciones patológicas (Recuadro 3-1). lugar en medios acuosos. Las propiedades físicas y químicas Aunque el contenido total es prácticamente constante, del agua, derivadas de su particular estructura, permiten que la existe una gran variabilidad en la proporción de agua, según vida pueda desarrollarse. Es un disolvente casi universal (sólo los distintos tejidos. En general, los más activos presentan las moléculas apolares son insolubles en agua), lo que posibili- una proporción más elevada (tejido embrionario, vísceras y ta que las biomoléculas puedan reaccionar y ser transportadas órganos, en el intervalo 60-90%). En los tejidos envejecidos en un medio acuoso. Además, la propia molécula de agua (fases avanzadas del desarrollo) y en los tejidos poco activos, puede intervenir como reactivo o producto en muchas de las la proporción disminuye (33% en el tejido esquelético y 30% reacciones bioquímicas que ocurren en los seres vivos. Su débil en el adiposo). ionización proporciona el entorno ácido-básico adecuado para todos estos procesos. Con su disociación, el agua posibilita la 3.1.1 Estructura molecular del agua disociación de compuestos iónicos, lo que permite que los dife- rentes iones puedan desempeñar sus funciones en todos los La estructura de la molécula de H2O tiene carácter tetraédrico, organismos. Asimismo, es un excelente termorregulador cor- con una hibridación sp3 del átomo de oxígeno, situado en el poral, lo que posibilita que la temperatura de los organismos centro, y con los dos átomos de hidrógeno dispuestos en dos homeotermos se mantenga constante. de los vértices de dicho tetraedro (Fig. 3-1). Las dos restantes Recuadro 3-1. Cuando ocurre un desequilibrio y cación en su concentración normal es ALTERACIONES DEL los mecanismos de regulación no pue- el catión sodio. En general, el organis- EQUILIBRIO HÍDRICO den resolver el problema, se producen mo puede tolerar hasta una alteración alteraciones del equilibrio o metabo- del 10% en el contenido de agua. Por El control del volumen de los comparti- lismo hídrico, como son la deshidrata- encima de este porcentaje puede mentos acuosos, su presión osmótica, ción o disminución del volumen acuo- sobrevenir la muerte del individuo, composición, etcétera, es un proceso so y la sobrehidratación o exceso de sobre todo en casos de deshidratación, muy bien regulado, en el que intervie- volumen acuoso en el organismo. en los que para compensar la pérdida nen, entre otras, la hormona de la neu- Estos trastornos hídricos pueden venir de agua intersticial se ha de recurrir al rohipófisis, vasopresina (reabsorción acompañados de alteraciones en la agua intracelular o plasmática, que es renal del agua), la hormona de la corte- concentración extracelular de electró- vital para el correcto funcionamiento za suprarrenal, aldosterona (reabsorción litos. Así, pueden producirse hidrata- del organismo. Los síntomas de una renal del sodio) y el factor o péptido ciones o deshidrataciones isotónicas deshidratación pueden ser: debilidad, natriurético auricular (ANP), hormona (si no existe modificación en la pre- vértigo, náuseas, dolor de cabeza, liberada por las paredes auriculares del sión osmótica de los electrólitos), taquicardia, vasoconstricción, hipo- corazón, con efectos combinados, que hipertónicas (si se da un aumento en la tensión, entre otros. En una sobrehi- globalmente favorecen la eliminación concentración) e hipotónicas (si hay dratación pueden aparecer: edema, urinaria de sodio y agua, así como el una disminución). En estos casos, el dolor de cabeza, náuseas, hiperten- descenso de la presión arterial. ion que usualmente sufre una modifi- sión, etcétera. 03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 30 30 | El escenario bioquímico H + H H δ O O H H H 104.5° o O + H H H − δ δ 0.96 A H O O H H Figura 3-1. Estructura de la molécula de agua. Tiene carácter Figura 3-2. Enlaces por puentes de hidrógeno de una molécu- tetraédrico, con el átomo de oxígeno en el centro y los dos áto- la de agua. Cada molécula de agua puede interaccionar por mos de hidrógeno en dos de los vértices del tetraedro. Hacia los puentes de hidrógeno con otras cuatro moléculas de agua. otros dos vértices se sitúan los otros dos orbitales, ocupados cada uno de ellos por un par de electrones. direcciones de enlace corresponden a los otros dos orbitales, ocupados cada uno de ellos por una pareja de electrones. El ángulo entre los dos átomos de hidrógeno (HOH) es de 104.5° y la distancia de enlace entre oxígeno e hidrógeno (O—H) es de 0.96 Å. La mayor electronegatividad del oxígeno con res- pecto al hidrógeno, determina una distribución asimétrica de la carga electrónica, con mayor densidad electrónica sobre el oxígeno y, por tanto, un déficit electrónico sobre los hidróge- nos. En consecuencia, la molécula de agua es un dipolo eléc- trico, sin carga neta. Esta estructura molecular y su naturaleza dipolar condi- cionan muchas de las propiedades físicas y químicas del agua, debido fundamentalmente a la posibilidad de estable- Figura 3-3. Estructura del agua en estado sólido (hielo). El cimiento de puentes de hidrógeno entre moléculas acuosas y entramado del agua sólida se origina por la disposición espacial de éstas con otras moléculas. Un enlace por puente de hidró- tetraédrica de la molécula de agua, constituyendo una unidad geno se efectúa entre un átomo electronegativo y el átomo de estructural, denominada tetrahidrol, que se repite de forma con- hidrógeno unido covalentemente a otro átomo electronegati- tinua. vo. Este enlace es mucho más débil que los enlaces covalen- tes, formándose y rompiéndose con mayor rapidez que estos últimos. Cada molécula de agua puede interaccionar por parpadeantes: racimos abiertos, que cambiarían de forma, puentes de hidrógeno con otras cuatro moléculas de agua constituidos por moléculas de agua unidas por enlaces de (Fig. 3-2). En estado sólido (hielo) parece que esta disposi- hidrógeno en continua formación y escisión. ción de moléculas constituiría una unidad estructural espa- cial tetraédrica, a veces denominada estructura de tetrahi- 3.1.2 Propiedades físicas y químicas del agua drol, que se repetiría continuamente formando el entramado del agua sólida (Fig. 3-3). Como se ha mencionado, la estructura molecular del agua y Para el agua líquida se han propuesto muchos modelos la capacidad de formar puentes de hidrógeno constituyen el estructurales. El más aceptado es el modelo de los racimos fundamento de las propiedades físicas y químicas del agua. 03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 31 Un protagonista excepcional: el agua | 31 Las siguientes son las principales: puentes de hidrógeno con grupos polares de otras moléculas 1. Densidad máxima a 4 °C. Este comportamiento anó- no iónicas. Así, puede disolver compuestos tales como alco- malo permite que el hielo flote en el agua. Y, con ello, la exis- holes, ácidos, aminas y glúcidos. tencia de vida marina en los casquetes polares ya que el hielo 8. Capacidad de hidratación o solvatación de iones. El flotante actúa como aislante térmico, impidiendo que la masa carácter dipolar del agua determina que sus moléculas oceánica se congele. rodeen a los distintos iones, aislándolos del resto. A este 2. Elevada temperatura de ebullición. En comparación fenómeno se le denomina hidratación o solvatación de iones con otros hidruros del grupo del oxígeno (H2S, H2Se, etc.), la y facilita, a su vez, la separación de iones de diferente carga, temperatura de ebullición del H2O es mucho más elevada lo que contribuye a la solubilización de compuestos iónicos. (100 °C a 1 atmósfera, frente a los –60.7 °C del H2S). Esto La esfera de solvatación o hidratación puede producir cam- hace que el agua se mantenga líquida en un amplio margen bios en el radio iónico efectivo de un ion: así, por ejemplo, el de temperatura (0-100 °C), lo que posibilita la vida en dife- catión sodio sin hidratar presenta menor radio iónico (0.096 rentes climas, incluso a temperaturas extremas. nm) que el del catión potasio (0.133 nm); sin embargo, cuan- do se encuentran hidratados, el radio iónico efectivo del 3. Elevado calor específico (1 cal/g · °C: calor necesario sodio (0.256 nm) es mayor que el del potasio (0.198 nm), para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 °C concreta- debido a las moléculas de agua que lo hidratan, rodeando al mente desde 15 a 16 °C). Este alto valor permite que en el ion. organismo ocurran importantes cambios de calor con escasa modificación de la temperatura corporal. Por ello, el agua es 9. Disolvente de moléculas anfipáticas. El agua solubi- un excelente mecanismo regulador de la temperatura del liza compuestos anfipáticos (se llaman así aquellos que pre- organismo, fundamentalmente a través de la circulación san- sentan en su estructura grupos polares y apolares simultá- guínea, evitando alteraciones peligrosas. neamente). Esta solubilización lleva consigo la formación de micelas, con los grupos apolares o hidrófobos en su inte- 4. Elevado calor de vaporización. Por término medio el rior y los grupos polares o hidrófilos orientados hacia el número de enlaces por puente de hidrógeno, con una energía exterior para contactar con el agua. Ésta y las propiedades de enlace de 2.8 Kcal/mol, es 4 para el agua sólida, 3.5 para anteriores determinan que el agua sea considerada como el la líquida y 0 para la gaseosa. Ello significa que su calor de disolvente universal, sobre todo en lo que se refiere al orga- fusión equivale a 80 cal/g y que el de vaporización es nismo, permitiendo la realización de procesos de transpor- de unas 540 cal/g. Este valor elevado permite eliminar el te, nutrición, ósmosis, etcétera, cuya ausencia haría impo- exceso de calor, por evaporación de cantidades relativamen- sible el desarrollo de la vida. te pequeñas de agua. Ello posibilita, cuando es necesario, man- tener la temperatura del organismo más baja que la del medio 10. Elevada tensión superficial. Determina una elevada ambiente. Por tanto, la vaporización continua de agua por la cohesión entre las moléculas de su superficie y facilita su piel y los pulmones (unos 500 mL diarios por la respiración) función como lubricante en las articulaciones. La tensión constituye un excelente mecanismo regulador de la tempera- superficial disminuye con la presencia en el líquido de cier- tura. La evaporación del sudor (unos 700 mL diarios) también tos compuestos que reciben el nombre genérico de tensioac- contribuye a este mantenimiento, con lo que globalmente ello tivos (jabones, detergentes, etc.), que facilitan la mezcla y supone la eliminación total de unas 620 kcal diarias. emulsión de grasas en el medio acuoso; así, las sales biliares ejercen esta acción tensioactiva en el intestino delgado, faci- 5. Elevada conductividad calorífica. Permite una ade- litando la emulsión las de grasas y, con ello, la digestión. cuada conducción de calor en el organismo, contribuyendo a Asimismo, el epitelio alveolar secreta una sustancia fosfoli- la termorregulación, al mantener constante e igualar la tem- pídica (derivada de la lecitina) que hace disminuir la tensión peratura en las diferentes zonas corporales. superficial del agua que reviste los alveolos. De no existir 6. Elevada constante dieléctrica (∈ = 80 a 20 °C). esta macromolécula, no se podría producir la expansión pul- Implica que el agua sea un buen disolvente de compuestos monar, colapsándose las estructuras alveolares. iónicos y sales cristalizadas. El elevado valor de esta cons- 11. Transparencia. Esta propiedad física no afecta direc- tante supone que las moléculas de agua se oponen a la atrac- tamente al ser humano, pero es importante para que se origi- ción electrostática entre los iones positivos y negativos, debi- ne el proceso de fotosíntesis en la masa oceánica y fondos litando dichas fuerzas de atracción. marinos. Como éste es el comienzo de una cadena trófica que 7. Disolvente de compuestos polares de naturaleza no finaliza en la nutrición humana, la transparencia acuosa con- iónica. Ello sucede por la capacidad del agua de establecer tribuye al adecuado desarrollo de la vida. 03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 32 32 | El escenario bioquímico 12. El agua es un electrólito débil. Ello se debe a la natu- a) Ingestión media (3000 mL) raleza de su estructura molecular. Libera el mismo catión Bebida: 1500 mL que los ácidos (H+ o H3O+; ion hidrógeno o protón, o ion Alimentos: 1000 mL hidronio) y el mismo anión que las bases (OH –; ion hidroxi- Oxidación metabólica: 500 mL lo). Por tanto, el agua es un anfólito o sustancia anfótera, es decir, puede actuar como ácido o como base. b) Excreción (3000 mL) Respiración: 600 mL El equilibrio de disolución es: Transpiración, evaporación: 800 mL + – H2O O H3O + OH Orina: 1500 mL Heces: 100 mL aunque se puede simplificar expresándolo como: + – H2O O H + OH 3.1.5 Compartimentación acuosa corporal El hecho de que el agua se comporte como un electrólito Según su compartimentación, el agua corporal se puede cla- débil viene determinado porque el equilibrio se encuentra sificar en agua intracelular y extracelular. La primera existe muy desplazado hacia la izquierda. A 25 °C, la concentración de – en el interior de la célula, tanto en el citosol como en el resto protones y de iones hidroxilo es aproximadamente de 10 7 M. de las estructuras celulares, y constituye un 70% del total del agua existente en el organismo. 3.1.3 Funciones bioquímicas y fisiológicas del agua Esta agua intracelular se puede clasificar a su vez en: Las funciones bioquímicas y fisiológicas que el agua desem- — Agua libre, de la que puede disponer la célula de peña en el organismo se basan en las propiedades fisicoquí- inmediato y con facilidad. micas anteriores. Entre ellas destacan: — Agua ligada o asociada, que es la que se encuentra unida a estructuras y entidades macromoleculares. 1. El agua actúa como componente estructural de macro- moléculas, como proteínas y polisacáridos, entre El agua extracelular constituye un 30% del contenido total otros, ya que estabiliza su estructura, fundamental- del agua en el organismo y se puede clasificar en: mente a través de la formación de puentes de hidróge- — Agua plasmática, en la que se incluye el agua del no. plasma y de la linfa, y que supondría un 7% del total. 2. El agua, como disolvente universal de sustancias, — Agua intersticial, que comprende el agua presente en tanto iónicas como anfipáticas y polares no iónicas, el líquido intersticial, en el líquido cefalorraquídeo, permite que en su seno se produzcan casi todas las en el humor ocular, etcétera. Supone un 23% del total reacciones bioquímicas, y es, además, un excelente del agua del organismo. medio de transporte en el organismo. 3. El agua es el sustrato o el producto de diversas reac- El cálculo del volumen de los compartimentos acuosos cor- ciones enzimáticas. Puede actuar como cosustrato en porales tiene un gran interés para la detección y el estudio de reacciones catalizadas por hidrolasas e hidratasas, o diversas situaciones patológicas, y se realiza inyectando en el puede ser el producto de reacciones catalizadas por plasma sustancias que se distribuyen selectivamente en los oxidasas. Asimismo, participa como reactante o como diferentes compartimentos. Por ejemplo, el agua deuterada producto en infinidad de vías metabólicas. (2H2O) o el agua tritiada (3H2O) se reparte uniformemente 4. El carácter termorregulador del agua permite conse- por todos los compartimentos acuosos y se utiliza para medir guir un equilibrio de temperaturas en todo el cuerpo, el agua corporal total; la inulina (polisacárido de fructosa de la disipación de cantidades elevadas de calor metabó- origen vegetal) queda restringida a los espacios extracelula- lico, la refrigeración corporal tras un ejercicio intenso res y se usa para determinar el volumen de líquido extracelu- o la exposición a temperaturas elevadas, etcétera. lar. La albúmina marcada (125I-albúmina) solamente se dis- tribuye en el plasma y sirve para medir el volumen plasmático. El volumen de agua intracelular se calcula por 3.1.4 Ingestión y excreción del agua diferencia entre el agua corporal total y el volumen de agua En los seres humanos, los valores considerados como nor- extracelular. De forma análoga, el volumen de líquido inters- males son los siguientes, aunque pueden existir grandes ticial se calcula por diferencia entre el volumen de líquido variaciones de ellos en determinadas circunstancias: extracelular y el volumen plasmático. 03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 33 Un protagonista excepcional: el agua | 33 3.2 DISOLUCIONES forma general y poco precisa, si la concentración de soluto es baja, hablaremos de disolución diluida; si es alta, de disolu- Una disolución se puede definir como una combinación ción concentrada y, si se encuentra en el límite de solubilidad, homogénea de varios componentes, con composición varia- la denominaremos disolución saturada. No obstante, para ble. El concepto de disolución se diferencia de otros relacio- definir correctamente la concentración de una disolución, nados, como mezclas, compuestos, suspensiones, dispersio- debemos recurrir a alguna de las siguientes expresiones: nes y emulsiones. Así, una mezcla es un sistema heterogéneo de composición variable, que está formado por dos o más a) Expresiones en forma de porcentaje porciones diferentes, separadas por superficies netas, que 1. Tanto por ciento en peso: unidades de peso de definen la separación brusca de sus propiedades respectivas. soluto en 100 unidades de peso de disolución Cada porción homogénea que constituye una mezcla se (p. ej., una disolución al 5% en peso implicaría que denomina fase. Una fase es un material homogéneo, unifor- existen 5 g de soluto en 100 g de disolución). me en toda su extensión, no sólo en su composición química, 2. Tanto por ciento en volumen: unidades de volumen sino también en su estado físico (p. ej., la mezcla de agua y de soluto en 100 unidades de volumen de disolu- arena está constituida por dos fases). ción (p. ej., una disolución al 5% en volumen impli- También podemos diferenciar las disoluciones de los caría que existen 5 mL de soluto en 100 mL de compuestos, que presentan una naturaleza homogénea, pero disolución). cuya composición es invariable. 3. Tanto por ciento en peso/volumen: unidades de Una suspensión se puede definir como una mezcla hete- peso de soluto en 100 unidades de volumen rogénea que puede separarse fácilmente por filtración; en de disolución (p. ej., una disolución al 5% en ella, el tamaño de las partículas es grande, de forma que peso/volumen implicaría que existen 5 g de soluto puede sedimentar con mucha facilidad. Por el contrario, una en 100 mL de disolución). En general, si la con- verdadera disolución no sedimenta, ni siquiera mediante centración de una disolución se menciona en tanto fuerzas centrífugas. por ciento escuetamente, sin aludir a unidades de Entre ambos extremos existen sistemas en los que las peso o volumen, se considera un porcentaje partículas son tan pequeñas que pasan a través de todos los peso/volumen. filtros corrientes, son invisibles al microscopio óptico y no se depositan después de un largo reposo, pudiendo sedimentar b) Expresiones en forma absoluta tras ultracentrifugación. Estas pseudodisoluciones se deno- minan dispersiones o disoluciones coloidales y se definen Existen muchos tipos. Los más utilizados son: el como sistemas heterogéneos sin separación de fases. Si las número de gramos por litro de disolución (g/L); fases de una dispersión coloidal son líquidas, esa dispersión el número de miligramos por mililitro de disolución recibe el nombre de emulsión. (mg/mL), equivalente a la anterior; o las expresiones Los componentes de una disolución suelen denominarse volumen:volumen, que indican la proporción de volu- soluto y disolvente. Soluto es la sustancia que se disuelve y men de cada componente puro que integra una disolu- constituye la denominada fase discontinua de la disolución. ción. En la práctica sanitaria, quizás la más utilizada Disolvente es el medio en el que se disuelve el soluto y cons- es la que refleja el número de gramos o miligramos tituye la fase continua. En el caso común de disoluciones de existentes en 100 mL de disolución (g/100 mL o sólidos en líquidos, el soluto es el sólido y el disolvente es el mg/100mL). líquido. Sin embargo, la ambigüedad puede aparecer cuando se trata de disoluciones con componentes líquidos y gaseo- c) Expresiones químicas sos. En general, en estos casos se denomina disolvente al 1. Molaridad (M): número de moles de soluto exis- componente presente en mayor proporción. Además, las tentes en un litro de disolución. disoluciones pueden clasificarse según el número de compo- 2. Molalidad (m): número de moles de soluto exis- nentes que las integran; así, puede hablarse de disoluciones tentes en un kilogramo de disolvente. binarias, ternarias, cuaternarias, etcétera. 3. Normalidad (N): número de equivalentes-gramo de soluto existentes en un litro de disolución. 4. Fracción molar (X): número de moles de un com- 3.2.1 Expresiones de la concentración ponente de la disolución, con respecto al número Para expresar la composición de una disolución es necesario total de moles de todos los componentes que inte- referirse a la concentración relativa de sus componentes. De gran la disolución. 03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 34 34 | El escenario bioquímico 3.3 ÁCIDOS, BASES Y pH Estos valores de concentración son los correspondientes a una disolución neutra. Si al agua pura se añade un ácido, la Los electrólitos (sustancias cuya disociación iónica en solu- concentración de protones aumenta con respecto a la de + ción hace que puedan conducir la corriente eléctrica) se cla- hidroxilos, de forma que para una disolución ácida [H ] > – sifican en ácidos, bases y sales. Las sales, a su vez, pueden 10–7 y [OH ] < 10–7, aunque el producto de ambas concentra- ser ácidas, básicas o neutras. ciones sigue siendo 10–14. De forma análoga, la adición de + – Svante Arrhenius denominó ácidos a las sustancias que al una base determina [H ] < 10–7 y [OH ] > 10–7, condiciones + disociarse dan lugar a protones libres (H ) (p. ej., el HCl); que se dan en el caso de una disolución básica. – bases, a las que al disociarse originan iones hidroxilo (OH ) Así, por ejemplo, una disolución 1 M de NaOH, total- (p. ej., el NaOH); y sales neutras, a los compuestos que ori- mente disociada, como corresponde a una base fuerte (véase – + ginan iones distintos al ion hidrógeno y al ion hidroxilo (p. más adelante), presenta un valor de [OH ] = 1 M y de [H ] = ej., el NaCl). 10–14 M. Por el contrario, una disolución 1 M de HCl total- Sales ácidas serían aquéllas en las que existe una sustitu- mente disociada, como corresponde a un ácido fuerte, tendría – + ción parcial de los protones por cationes (HKSO4, sulfato un valor de [OH ] = 10–14 M y de [H ] = 1 M. ácido de potasio), mientras que sales básicas serían aquéllas Los valores ínfimos de concentración de protones e en las que se da una sustitución parcial de los hidroxilos por hidroxilos son incómodos para el trabajo habitual. Por ello, aniones (Mg(OH)I, yoduro básico de magnesio). en 1909, Söreh Peter Sörensen, bioquímico danés, estableció Otra de las teorías históricas es la que se debe a Brönsted la denominada escala de pH (abreviatura de potencial de y Lowry. En ella se propone que ácido es toda sustancia que hidrógeno, ya que el pH varía proporcionalmente al potencial puede ceder protones, mientras que base es toda sustancia de un electrodo de hidrógeno introducido en la disolución). capaz de aceptar protones. El pH se define como el logaritmo decimal de la concen- Con posterioridad, Lewis extendió la teoría de acidez y tración molar de iones hidrógeno, hidrogeniones o iones basicidad a consideraciones electrónicas. Así, ácido sería toda hidronio, con el signo cambiado: sustancia que puede aceptar un par de electrones y base + pH = –log [H ] toda sustancia capaz de ceder un par de electrones. Análogamente, se define el pOH como el logaritmo decimal de la concentración molar de iones hidroxilo, con el signo 3.3.1 Ionización del agua. Escala de pH cambiado. Lógicamente, a partir de la constante del produc- Como se indicaba anteriormente, el agua es un electrólito débil to iónico del agua se deduce que en una disolución cualquie- cuyas moléculas se disocian en muy pequeña cantidad (tan sólo ra, la suma de los valores de pH y de pOH es 14. 1 molécula de cada 5.53 · 108, a 25 °C). Aunque ya se señaló En función del pH, las disoluciones pueden clasificarse que lo que verdaderamente ocurre es un equilibrio en el que en: está implicado el ion hidronio, esa disociación puede expresar- se en forma del siguiente equilibrio químico equivalente: — Neutras: si el valor del pH es igual a 7. + – — Ácidas: si el valor del pH es inferior a 7. H2O O H + OH — Básicas: si el valor del pH es superior a 7. Tal equilibrio de disociación hace que el agua, de acuerdo con las teorías de acidez y basicidad expuestas, se comporte Así, por ejemplo, una disolución de HCl de concentración – como una sustancia anfótera o anfiprótica, ya que actúa al 10 3 M presentará una concentración de iones hidrógeno – – mismo tiempo como ácido y como base. igual a 10 3 y su pH será igual a –log 10 3, es decir, su pH De acuerdo con el equilibrio de disociación del agua que será 3. Por tanto, se tratará de una disolución de carácter se acaba de formular, y teniendo en cuenta que a 25 °C la ácido. constante de este equilibrio es 1.8 · 10-16 M y que la concen- tración molar del agua es 55.5 M , se cumple que: 3.3.2 Ácidos y bases débiles + – –14 2 Kw = [H ] · [OH ] = 10 M Los ácidos y las bases que hemos mencionado hasta el que es la expresión de la denominada constante del producto momento, forman parte del grupo de los denominados ácidos iónico del agua. Como es lógico, en el agua pura las concen- y bases fuertes. Se denominan así los ácidos o bases que en traciones molares de iones hidrógeno e hidroxilo son iguales: disolución se encuentran totalmente disociados, coincidien- do, por tanto, la concentración del ácido o la base con la de + – [H ] = [OH ] = 10–7 iones hidrógeno o iones hidroxilo, respectivamente. 03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 35 Un protagonista excepcional: el agua | 35 – + Así, por ejemplo, una disolución de HCl de concentra- Por otra parte, dado un equilibrio AH I A + H , el par –5 ción 10 M origina una [H+] = 10–5 M, teniendo en cuenta – AH/A puede ser considerado como un sistema ácido-base – que se produce la siguiente disociación completa: conjugado. Así, AH sería el ácido, mientras que A sería su HCl j H + Cl + – base conjugada. Es evidente que a mayor fuerza del ácido, más débil es su base conjugada, y viceversa. Para un sistema Sin embargo, en su mayor parte, los ácidos y las bases que ácido-base conjugado se puede deducir con facilidad que regulan el pH del cuerpo humano, que mantienen los poten- pKa + pKb = pKw = 14. ciales de acidez en las estructuras correspondientes y el del medio extracelular en un valor próximo a 7.4, y los que 3.3.3 Disoluciones reguladoras desempeñan funciones importantes en el metabolismo son ácidos o bases débiles, es decir, se encuentran poco diso- Como hemos mencionado anteriormente, los valores de pH en ciados. Según el grado de disociación, los ácidos o las bases el organismo deben permanecer casi constantes (en torno a serán más o menos fuertes; así, serán más fuertes cuanto 7.4 en el medio extracelular) (Tabla 3.1). Por debajo de 7.0 o mayor sea su disociación. Esta disociación viene regida por por encima de 7.8, puede sobrevenir la muerte del individuo. la denominada constante de disociación o ionización del Por esta razón, el mantenimiento de la homeostasis ácido-base ácido o de la base, representadas por lo general como Ka o fisiológica es fundamental. Para lograr esta constancia de pH, Kb. el cuerpo humano utiliza tres estrategias diferentes: Veamos un caso particular, por ejemplo, el del ácido acé- a) Amortiguadores fisiológicos (disoluciones reguladoras). tico. Se trata de un ácido débil en el que lógicamente, al no b) Ventilación pulmonar. estar completamente disociado, la concentración de hidroge- c) Filtración renal. niones que libera es menor que la concentración del ácido. El equilibrio del ácido acético viene expresado como: Podemos definir disolución reguladora, disolución amorti- Acético (AcH) O Acetato (Ac ) + H – + guadora, tampón, o buffer como la disolucion formada: aunque en realidad el equilibrio que se establece es: a) Por un ácido débil y la sal de su base conjugada; por – + ejemplo, ácido acético/acetato sódico. AcH + H2O O Ac + H3O b) Por una base débil y la sal de su ácido conjugado; Aplicando la ley de acción de masas a este equilibrio, que- por ejemplo, amoníaco/cloruro amónico. daría: – + [Ac ] · [H3O ] Tabla 3-1. Valores de pH de los líquidos corporales K = ——————— [AcH] · [H2O] Sangre arterial 7.40 y, ya que la concentración de agua se puede considerar cons- Sangre venosa 7.35 tante, la englobamos en el valor de K y obtenemos la expre- sión: Líquido intersticial 7.35 – + [Ac ] · [H3O ] 6.0 a 7.4 (6.9 a 7.2, Ka = —————— Líquido intracelular rango más habitual) [AcH] Jugo gástrico 1.0 a 3.5 Estas constantes de disociación de ácidos o bases débiles suelen tener valores bajos, de orden exponencial negativo. Jugo pancreático 8.0 a 8.3 Así, para el ácido acético a 25 °C es de 1.76 · 10–5. Por ello, Bilis 7.8 se utiliza una forma de expresión análoga a la escala de pH, Jugo intestinal 7.5 a 8.0 definiendo el pKa como el logaritmo decimal de la constan- te de disociación del ácido, con el signo cambiado. De igual Orina 4.5 a 8.0 forma, se define el valor del pKb. Sudor 3.8 a 5.6 pKa = –log Ka; pKb = –log Kb Leche materna 7.4 Así, para el ácido acético el valor del pKa es de 4.75. Saliva 6.0 a 7.0 Es fácilmente deducible que el pKa de un ácido puede Semen 7.5 definirse como el valor del pH para el que el 50% del ácido se encuentra disociado. 03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 36 36 | El escenario bioquímico En ambos casos, se trata de disoluciones que admiten la o lo que es igual: adición de ácido o base sin que se modifique apreciablemen- [Sal] te el pH de la disolución. Se define capacidad amortiguado- pH = pKa + log ——— ra de una disolución reguladora la cantidad de ácido o base [Ácido] que, añadida a dicha disolución, produce una variación máxi- expresión final de la ecuación de Henderson-Hasselbalch. ma de una unidad en el pH. Siguiendo con los ejemplos ante- De forma análoga, para una disolución básica, se puede riores, una buena disolución reguladora contendría, en pro- deducir la expresión de Henderson-Hasselbalch como: porciones análogas un ácido débil y su forma disociada (su base conjugada) procedente de la sal correspondiente. [Base] pH = pKa + log ——— El equilibrio, como ya se ha expresado anteriormente [Sal] sería: De la expresión de Henderson-Hasselbalch se puede deducir – + AH I A + H [3.1] una serie de hechos: De acuerdo con el principio de Le Chatelier-Braun, la 1. El valor de pH de una disolución reguladora depende adición de ácido desplazaría el equilibrio hacia la izquierda, de la proporción relativa de ácido/sal o base/sal; no mientras que la adición de base lo haría hacia la derecha, al depende de sus concentraciones absolutas. consumirse los iones hidrógeno para formar agua. En ambos 2. Sin embargo, estas concentraciones absolutas sí que casos, al final del proceso, la concentración de iones hidró- influyen en la capacidad de amortiguación. Al aumen- geno libres tenderá a ser igual a la inicial. tar la concentración de la disolución reguladora, Aplicando la ley de acción de masas al equilibrio anterior, aumenta la capacidad para amortiguar los cambios de podemos obtener la ecuación de Henderson-Hasselbalch, uti- pH. lizada para el estudio y cálculo de los equilibrios ácido-base de 3. La amortiguación es máxima cuando el pH del medio las disoluciones reguladoras. En efecto, si consideramos un coincide con el pKa de la disolución. Esto sucede ácido débil AH, la mayor parte del mismo se encuentra en – cuando las concentraciones de ácido y sal o de base y forma no disociada, con una fracción muy pequeña de iones A + sal son iguales. Generalmente, las disoluciones regu- y H. Por ello, al añadir la sal correspondiente, casi todos los ladoras tamponan bien hasta valores de pH una unidad aniones en disolución proceden de la misma. Por tanto, en por encima o por debajo del valor de su pKa, es decir, disoluciones amortiguadoras diluidas, se puede considerar que cuando la proporción sal/ácido o base/sal no es infe- la concentración del ácido no disociado (AH) es igual a la con- rior a 1:10 o superior a 10:1. Fuera de este intervalo, centración total del ácido, y la concentración del anión o base – la capacidad de amortiguación disminuye considera- conjugada (A ) es igual a la concentración total de sal. blemente. Consideradas estas premisas y aplicando la ley de acción de masas al equilibrio [3.1], obtendríamos: Disoluciones reguladoras fisiológicas – + [A ] · [H ] Los principales sistemas amortiguadores de pH en el orga- Ka = ———— [AH] nismo, que contribuyen al mantenimiento del mismo en el + margen adecuado, son los siguientes: Despejando H , se obtiene: 1. Amortiguador fosfato. La disociación del ácido fos- Ka · [AH] [H+] = ———— – fórico, ácido triprótico, se desarrolla con la pérdida de un [A ] protón en cada equilibrio establecido, al que corresponde Al aplicar logaritmos: un valor de pKa determinado. Estos equilibrios son los siguientes: + [AH] log [H ] = log Ka + log —— – H3PO4 O H2PO – 4 O HPO42 – O PO43 – [A ] pKa1 = 2.21 pKa2 = 6.80 pKa3 = 12.70 Considerando las definiciones de pKa y pH, y cambiando de signo, se obtiene: A efectos de regulación fisiológica, el equilibrio que más interesa es el segundo, ya que el pKa2 que lo gobierna se – [A ] encuentra próximo al pH del medio extracelular (7.4). Suele pH = pKa + log —— [AH] ser buen amortiguador, aunque su concentración en plasma 03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 37 Un protagonista excepcional: el agua | 37 es baja. Es más importante en los líquidos tubulares de los ciones de la sal (bicarbonato) y del ácido (carbónico), tam- riñones y en el medio intracelular, ya que en ellos el pH es bién se mantiene invariable su cociente, de lo que se deriva algo menor y el fosfato se encuentra más concentrado. El su capacidad reguladora, aunque las concentraciones relati- fosfato puede encontrarse en forma libre (sal inorgánica) o vas de ambos difieran en un factor próximo a 20. asociado con otras moléculas orgánicas (lípidos, azúcares, Este sistema carbónico/bicarbonato es el principal tam- etc.). pón extracelular, tanto en la sangre como en los líquidos intersticiales. Permite que el pH de la sangre arterial sea de 2. Amortiguador bicarbonato. En este caso, hay que 7.40 y el de la sangre venosa lo sea de 7.35 (ésta presenta tener en cuenta varios equilibrios. En primer lugar, el CO2 mayor concentración de anhídrido carbónico). gaseoso puede disolverse en el agua. Este CO2 disuelto puede reaccionar con el agua produciendo ácido carbónico 3. Proteínas. Las proteínas constituyen otro sistema que, por ionizaciones sucesivas, da lugar al ion bicarbonato y regulador del pH sanguíneo, junto a los aminoácidos, pero al ion carbonato. En resumen: donde adquieren verdadera importancia es en el interior de la célula. El poder amortiguador de las proteínas se basa en su CO2 (g)+H2O O CO2 (l)+H2O O H2CO3 O H+ +HCO3– O H+ +CO32– composición aminoacídica. Varios de los distintos aminoáci- K1 K2 K3 =2.7 K4= 10.2 [3.2] dos proteicos poseen una cadena lateral ionizable, con su correspondiente pKa, lo que permite que la proteína sea un [CO2 (l)] buen amortiguador a diferentes valores de pH. K1 = ———— pCO2 4. Hemoglobina. Dentro de las proteínas, debe destacar- se la hemoglobina por su importancia en la respiración y su [H2CO3] abundancia en la sangre (eritrocitos). El sistema global regu- K2 = ———— [CO2 (l)] lador es el constituido por las dos formas individuales, hemoglobina y oxihemoglobinato/oxihemoglobina. + [HCO3–] · [H ] [3.3] Lo más característico de este sistema doble es que, K3 = ——————— [H2CO3] dependiendo de que la hemoglobina se encuentre oxigenada o no, el pKa del equilibrio correspondiente cambia, lo que le por lo que: permite una mayor versatilidad a la hora de regular el pH. Así, los equilibrios de disociación son: + [HCO3–] [H ] – + K1 · K2 · K3 = Ka = —————— Oxihemoglobina: HHbO2 P HbO2 + H pCO2 pKa = 6.7 y, – Desoxihemoglobina: HHb P Hb + H+ – [HCO ] 3 pKa = 7.9 pH = pKa + log ———— con un valor de pKa = 6.1 [3.4] pCO2 Por otra parte, ambos sistemas están relacionados ya que: – + A efectos prácticos, las ecuaciones anteriores se pueden sim- HbO2 + H P HHb + O2 plificar en: De los valores de pKa, se puede deducir que la desoxihemo- – + globina es un ácido más débil que la oxihemoglobina. CO2 (g) + H2O P H2CO3 P HCO3 + H [3.5] En condiciones de producción de anhídrido carbónico Aunque el valor de pKa (6.1) se encuentra alejado del pH (respiración celular), formación de ácido carbónico y la fisiológico, el sistema bicarbonato actúa eficazmente, ya que correspondiente acidificación, los protones convierten el oxi- existen mecanismos que tienden a mantener constante el hemoglobinato en desoxihemoglobina, y con ello, se amorti- – cociente [HCO3 ]/pCO2. Efectivamente, la concentración de gua el efecto acidificante y se libera el oxígeno. Por otra bicarbonato puede regularse a través de su mayor o menor parte, en los pulmones el efecto es el contrario. Lógicamente, eliminación renal. En cuanto a la pCO2, se regula a través de el lugar de regulación del sistema hemoglobina es allí donde la ventilación pulmonar. (Obsérvese que la concentración se encuentra, es decir, en el interior del eritrocito. de ácido carbónico es proporcional a la pCO2; cuanto menor Alcalosis y acidosis sea la eliminación de anhídrido carbónico, mayor será la con- centración de ácido.) Por tanto, al existir mecanismos que Cuando se produce una alteración en los valores del pH del tienden a conservar relativamente constantes las concentra- organismo, las disoluciones fisiológicas reguladoras que se 03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 38 38 | El escenario bioquímico acaban de comentar constituyen la primera opción para tratar Tratamiento. El tratamiento clínico más sencillo consiste de subsanar el problema; posteriormente, se recurre a la regu- en la administración oral de bicarbonato sódico. También se lación de la ventilación pulmonar y, finalmente, a la regulación utiliza la infusión al enfermo por vía intravenosa de disolu- de la filtración renal. La acción coordinada de estos sistemas ciones isotónicas de naturaleza ligeramente alcalina: por para evitar los efectos negativos del aumento o la disminución ejemplo, infusiones de tampón Tris, [tris-(hidroximetil)ami- protónica se suele denominar principio isohídrico de manteni- nometano], también llamado trometamina. miento del pH. La alcalosis y la acidosis son alteraciones patológicas del b) Acidosis respiratoria pH del organismo. Se pueden clasificar en metabólicas (pro- Causas. Se origina por insuficiencia en la ventilación ducidas por disfunciones o anomalías del metabolismo o pulmonar, lo que determina que el equilibrio [3.5] se des- renales) y respiratorias (producidas por alteraciones o pro- place hacia la derecha, liberándose iones hidrógeno. blemas originados en las vías respiratorias, que afectan a la Esta hipoventilación puede deberse a: pCO2). 1) Lesiones pulmonares (edema pulmonar, enfisema, neumonía, bronquitis). Acidosis 2) Ingestión de drogas depresoras del centro respiratorio La acidosis o disminución del pH en el organismo puede cla- (barbitúricos). sificarse, según lo anteriormente expuesto, en acidosis meta- 3) Respiración de aire con elevado porcentaje de CO2. bólica y acidosis respiratoria. Compensación. Se produce en el riñón un aumento de la reabsorción de bicarbonato y de la excreción de protones, a) Acidosis metabólica con lo que el pH del medio interno aumenta. Causas. Puede deberse a: Tratamiento. El mejor tratamiento consiste en el aumen- 1) Defecto renal en la excreción de protones o reabsor- to del volumen de ventilación o respiración pulmonar, ción de bicarbonato (insuficiencia renal; acidosis utilizando aparatos de respiración asistida que faciliten al tubular renal). enfermo la ventilación. Asimismo, se pueden utilizar los 2) Pérdidas de bicarbonato (diarreas alcalinas; fístulas tratamientos empleados para la acidosis metabólica. intestinales; vómitos de contenido intestinal). 3) Aumento en el aporte de ácidos (producción metabó- Alcalosis lica excesiva, como en la diabetes mellitus, en el La alcalosis o incremento del pH en el medio interno tam- ayuno o en el ejercicio anaerobio; ingesta de tóxicos bién se puede clasificar como alcalosis metabólica o respira- como metanol o salicililatos). toria, según sus causas: 4) Hipoaldosteronismo (Enfermedad de Addison). Compensación. El organismo tiende a compensar cual- a) Alcalosis metabólica quier alteración con los medios de que dispone. En este Causas. Puede deberse a: caso, puede recurrir a: 1) Aumento de las pérdidas de ácidos (vómitos conti- 1. Hiperpnea o taquipnea (ventilación pulmonar profun- nuos de origen gástrico, con pérdida de HCl). da y rápida) para eliminar cantidades elevadas de 2) Administración de diuréticos (aumento de la reabsor- anhídrido carbónico. Recordemos los equilibrios: ción de Na+ y excreción de H+). CO2 (g) + H2O P H2CO3 P HCO3 + H – + [3.5] 3) Ingestión de compuestos alcalinos (fármacos alcali- nos para tratamiento, p. ej., de gastritis o úlceras gas- Al aumentar la ventilación, se elimina anhídrido car- troduodenales). bónico, por lo que el equilibrio se desplaza hacia la 4) Hiperaldosteronismo (síndrome de Conn). izquierda, lo que hace que disminuya la concentra- Compensación: ción de protones y aumente el pH. 1. Bradipnea o hipopnea (disminución de la ventilación 2. Si la acidosis no tiene un origen renal, se produce pulmonar). Esta hipoventilación supone un aumento retención de bicarbonato o eliminación de protones, o en la concentración de anhídrido carbónico en el orga- ambos mecanismos, por el riñón. Disminuye así el pH nismo, el subsiguiente desplazamiento del equilibrio de la orina, aumentando consecuentemente el pH del [3.5] hacia la derecha y la liberación de protones al organismo. medio, disminuyendo el pH. 03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 39 Un protagonista excepcional: el agua | 39 2. Aumentando la excreción de bicarbonato o reteniendo Tratamiento. Aumento del espacio no oxigenado. El protones. Sube así la basicidad de la orina y disminu- paciente inspira el propio anhídrido carbónico que espira, ye el pH en el organismo. lo que aumenta la concentración de CO2 en el organismo y desplaza el equilibrio [3.5] hacia la derecha, con la consi- Tratamiento. En este caso, el tratamiento consiste en la guiente liberación de protones y disminución de la basici- administración de cloruro amónico por vía oral. También dad. En la práctica, ello se consigue colocando una bolsa se ha utilizado el monoclorhidrato de lisina y de arginina. de plástico o papel que cubra las vías respiratorias externas Estos compuestos también se pueden infundir al pacien- (fosas nasales y boca) y obligando al paciente a respirar te por vía intravenosa. aire enriquecido en CO2. En el Recuadro 3-2 se resumen algunos trastornos b) Alcalosis respiratoria del equilibrio ácido-base. Causas. Este tipo de alcalosis se produce por hiperventi- lación pulmonar. En este caso, el equilibrio [3.5] se des- plaza hacia la izquierda, ya que se elimina anhídrido car- 3.4 IONES bónico, con lo que disminuye la concentración de 3.4.1 Disoluciones iónicas protones y aumenta el pH. La hiperventilación puede ser originada por: Anteriormente hemos aludido a los electrólitos y a los diferen- 1) Estímulo del centro respiratorio (trastornos de ansie- tes tipos que pueden existir (ácidos, básicos y salinos). La Real dad, neurosis, crisis nerviosas). Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales define elec- 2) Hipoxia (respiración en altitud, anemia, insuficiencia trólito como «sustancia que en estado líquido o en disolución cardíaca). conduce la corriente eléctrica por contener iones libres». A partir de este término, se puede establecer una nueva Compensación. Tiene lugar en el riñón, aumentando la clasificación de las disoluciones, según la naturaleza del eliminación del anión bicarbonato y la retención de pro- soluto que contienen y su capacidad de conducción de la tones para reducir el pH del medio interno. También exis- corriente eléctrica. Según estos criterios, pueden existir diso- te compensación por una producción metabólica elevada luciones moleculares y disoluciones iónicas. de ácido láctico y pirúvico, como respuesta a la baja Las disoluciones moleculares son aquéllas en las que el pCO2 y al pH elevado. soluto se disuelve en forma de moléculas sin disociar, por lo Recuadro 3-2. Acidosis metabólica y alcalosis respi- zadas, en las que a la hipocapnia TRASTORNOS MIXTOS DEL ratoria: en pacientes con sepsis, ya característica de ese estado (que pro- EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE que la insuficiencia cardiovascular voca alcalosis respiratoria) se añade produce acidosis láctica, mientras que la alcalosis metabólica de los vómi- En ciertas ocasiones, pueden coexistir la fiebre y la endotoxemia estimulan tos. dos, o incluso tres, de las alteraciones el centro respiratorio y originan hipo- Alcalosis metabólica y acidosis respi- típicas del equilibrio ácido-base (alca- capnia. En estados de embriaguez se ratoria: en aquellos pacientes con losis metabólica, acidosis metabólica, origina cetoacidosis y, al mismo tiem- enfermedad pulmonar crónica (acido- alcalosis respiratoria y acidosis respi- po, alcalosis respiratoria por hiper- sis respiratoria) que sufren vómitos, o ratoria). Los cinco trastornos mixtos ventilación, como consecuencia del están sometidos a tratamiento con más habituales son los siguientes: delirium tremens. diuréticos (alcalosis metabólica). Acidosis metabólica y alcalosis meta- Acidosis metabólica y acidosis respi- bólica: en pacientes en los que concu- Un ejemplo de trastorno mixto con ratoria: típicas del paciente con para- rren vómitos de contenido gástrico tres alteraciones es el que suele aparecer da cardiopulmonar grave. La insufi- (que dan lugar a alcalosis metabólica) en los estados de embriaguez en los que ciencia circulatoria origina acidosis y acidosis, como la cetoacidosis dia- existen vómitos frecuentes. A la acido- láctica; la insuficiencia respiratoria bética o alcohólica, o la determinada sis metabólica, debida a la cetoacidosis, determina el aumento de la concen- por insuficiencia renal. se unen la alcalosis respiratoria por tración de CO2 en sangre (hipercap- Alcalosis metabólica y alcalosis res- hiperventilación y la alcalosis metabóli- nia). piratoria: típica en mujeres embara- ca por los vómitos. 03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 40 40 | El escenario bioquímico que el número de partículas existentes en disolución coinci- Ósmosis y presión osmótica de con el número de moléculas de la misma. Estas disolu- Si una disolución se pone en contacto con su disolvente o con ciones no conducen la corriente eléctrica y se denominan una disolución más diluida a través de una membrana per- también no electrolíticas. Las disoluciones de glúcidos o meable, esto es, una membrana que deje pasar las moléculas alcoholes constituyen ejemplos de este tipo. de soluto, al cabo de un tiempo, debido a la difusión de solu- Por el contrario, disoluciones iónicas son aquéllas en las to y disolvente, la concentración de la disolución tiende a que el soluto se disuelve en forma de iones, es decir, sus igualarse a ambos lados de la membrana, alcanzándose un moléculas se disocian y, por tanto, el número de partículas o equilibrio dinámico entre ellos. entidades existentes en disolución es superior al número de Sin embargo, la situación varía si la disolución se pone en moléculas de la misma. Conducen la corriente eléctrica y se contacto con el disolvente o con una disolución más diluida denominan disoluciones electrolíticas. Una disolución de a través de una membrana semipermeable, que sólo permite NaCl constituye un ejemplo de este tipo. el paso de moléculas de disolvente, pero no las de soluto. Conviene señalar que los solutos suelen modificar las Cuando esto se produce, la tendencia a alcanzar el equilibrio propiedades del disolvente. Dentro de las propiedades del determina un paso neto de moléculas de disolvente desde la disolvente que pueden modificarse, existe un grupo que no disolución diluida (o desde el compartimento del disolvente depende de la naturaleza del soluto, sino del número de par- puro) hacia la disolución concentrada, a través de dicha tículas disueltas. Estas propiedades se denominan propieda- membrana. Este fenómeno se denomina ósmosis (del griego, des coligativas. Para su cuantificación es indispensable osmos, impulso). conocer la naturaleza iónica o molecular del soluto, ya que lo Considerando este fenómeno de ósmosis, se puede defi- que verdaderamente importa es el número total de partículas. nir la presión osmótica de una disolución como la presión Así, por ejemplo, una disolución de glucosa con un núme- mecánica (hidrostática) necesaria para mantener una disolu- ro X de moléculas también contiene un número X de partícu- ción en equilibrio con su disolvente puro y evitar que éste las, mientras que una disolución de NaCl con un número X de atraviese la membrana semipermeable (Fig. 3-4). moléculas posee un número de partículas igual a 2X. El cálculo numérico de esta presión osmótica en disolu- Entre las propiedades coligativas se encuentran las ciones diluidas se lleva a cabo utilizando la ecuación de van’t siguientes: Hoff, en la que dicha presión osmótica puede equipararse a la a) Descenso crioscópico: la presencia del soluto hace presión de los gases. Así, se cumple que: que disminuya la temperatura de congelación respec- to a la del disolvente puro. π=i ·M·R·T b) Ascenso ebulloscópico: del mismo modo, se produce el aumento de la temperatura de ebullición respecto a donde, la del disolvente puro. π = presión osmótica c) Descenso de la presión de vapor: la presencia del i = factor de van´t Hoff (medida del grado de soluto origina la disminución de la presión producida ionización de los solutos) por la vaporización de moléculas del disolvente. M = molaridad de la disolución d) Presión osmótica: consecuencia del fenómeno de R = constante de los gases (0.082 atm · L / °K · mol) ósmosis, que se considera a continuación. T = temperatura absoluta (en °K) Figura 3-4. Ósmosis y presión osmótica. En la situación inicial, dos disoluciones de diferente concentración se encuentran separadas por una membrana semiper- meable (izquierda). Las moléculas de disolvente atraviesan la membrana desde la disolución menos concentrada a la más concentrada. En la situación final (dere- cha), se alcanza el equilibrio al igualarse las concentraciones a ambos lados de la membrana. 03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 41 Un protagonista excepcional: el agua | 41 En ocasiones, la concentración de una disolución puede levaduras y células vegetales puedan subsistir en medios expresarse utilizando el término de osmolaridad (osmo- hipertónicos o hipotónicos. Asimismo, permite la existencia les/L). En la ecuación de van´t Hoff, la osmolaridad viene de la denominada presión de turgencia (presión osmótica del expresada por el producto iM, en el que i expresa el grado de interior de la célula sobre la pared celular), que es la que le ionización o disociación del soluto. Así, para una disolución confiere rigidez al organismo vegetal. diluida de NaCl, i es igual a 2. La presión osmótica es, por tanto, proporcional a la osmolaridad de una disolución. 3.4.2 Disoluciones coloidales El término osmolaridad puede considerarse sinónimo de tonicidad. De esta manera, dadas dos disoluciones cuales- Como se señaló con anterioridad existe un tipo especial de diso- quiera, diremos que son isotónicas si presentan la misma pre- luciones, las denominadas disoluciones o dispersiones coloida- sión osmótica o la misma osmolaridad. Una de ellas es hiper- les, que se definen como sistemas heterogéneos sin separación tónica (A) con respecto a la otra (B), si presenta mayor de fases. El diámetro de la partícula de soluto es intermedio presión osmótica u osmolaridad (por tanto, si se encuentran entre el de las suspensiones y el de las verdaderas disoluciones. separadas por una membrana semipermeable, existirá un Por ello, no sedimentan simplemente por gravedad y es necesa- flujo neto de disolvente desde la B hacia la A). La disolución rio recurrir a la ultracentrifugación para conseguirlo. B, con menor presión osmótica u osmolaridad que la A, se Como disoluciones que son, están constituidas por solu- denominará hipotónica con respecto a la A (por tanto, dicha tos y disolventes. El soluto se denomina fase dispersa o dis- disolución B tenderá a una disminución de volumen por el ya persoide, mientras que el disolvente es la fase dispersante o citado flujo de disolvente desde B hacia A). medio de dispersión. La tonicidad de las disoluciones tiene una gran impor- Dos propiedades características de estas disoluciones tancia fisiológica, ya que el medio externo celular debe ser coloidales son: isotónico con el interno; de lo contrario, se producirían trans- ferencias de agua, alteraciones que pondrían en peligro el — Efecto Tyndall. Se origina por la reflexión y la refrac- adecuado funcionamiento del organismo. ción de la luz producidas al chocar ésta con las partí- Así, por ejemplo, podemos considerar el caso de los gló- culas coloidales, originando la dispersión de la radia- bulos rojos o eritrocitos, que puede hacerse extensivo a cual- ción luminosa. quier tipo de célula animal. En condiciones normales, las — Movimiento browniano. Consiste en un movimiento células se encuentran rodeadas de un líquido extracelular iso- caótico, al azar, con trayectoria irregular de las partí- tónico, el plasma (su tonicidad es equivalente a la de una culas coloidales. La razón del mismo es la existencia disolución de NaCl al 0.9%). Sin embargo, si se introducen de choques múltiples entre las partículas de soluto y los eritrocitos en un medio hipotónico o disolvente puro, las moléculas del medio. tienden a tomar agua y aumentar su volumen, produciéndo- se el fenómeno de turgencia, que lleva consigo finalmente la La importancia bioquímica de las dispersiones coloidales destrucción total de la célula. En el caso particular del eritro- estriba en que las macromoléculas biológicas, como las pro- cito, la ruptura celular se conoce con el nombre de hemólisis. teínas, los ácidos nucleicos o los polisacáridos, dan lugar a Si, por el contrario, la célula se introduce en un medio o disoluciones coloidales cuando se disuelven. Estas macro- disolución hipertónica (por ejemplo, NaCl al 3%), tiende a moléculas presentan una superficie de contacto con el agua perder agua, que saldría desde la célula hacia el medio, con rica en grupos polares e iónicos, atrayendo un gran número lo que se produciría el proceso de retracción, que recibe el de moléculas de agua (agua ligada o asociada). nombre genérico de plasmólisis, lo que supondría, asimismo, Las disoluciones coloidales están implicadas en algunas la muerte celular. En el caso del hematíe, a este proceso se le propiedades fisiológicas importantes. Son responsables de la denomina crenación. existencia del efecto Gibbs-Donnan, que puede describirse Las membranas plasmáticas son más permeables al agua como la desigual distribución de iones difusibles a ambos que a los iones y a otras moléculas pequeñas. Esta permeabi- lados de una membrana de diálisis o dialítica (membrana que lidad selectiva se debe a la simple difusión del agua a través de permite el paso al agua o disolvente puro y a los iones, pero la membrana y a la presencia de canales proteicos para el agua que por su tamaño de poro impide el paso de una macromolé- establecidos por las acuaporinas (Recuadro 3-3). cula o soluto coloidal). Esta distribución desigual se debe a la Estos fenómenos se producen con mayor dificultad carga electrostática del coloide y a la imposibilidad de éste de cuando las células se encuentran recubiertas por una estruc- atravesar la membrana, lo que determina la retención de los tura más rígida que la membrana celular, la denominada contraiones correspondientes para mantener la neutralidad pared celular. Dicha pared permite que bacterias, hongos, electrónica de la disolución, a ambos lados de la membrana. 03 Capitulo 03 8/4/05 09:40 Página 42 42 | El escenario bioquímico Recuadro 3-3. Se ha descrito la existencia de acua- la médula). En las glándulas salivales se ACUAPORINAS porinas (AQP) en casi la totalidad de los ha encontrado AQP-5 (secreción de sali- seres vivos. En los humanos se han carac- va). En el hígado aparece AQP-8 (secre- Las células son capaces de mover agua terizado más de una decena, con localiza- ción de bilis). En las glándulas sudorípa- con rapidez a través de sus membranas, ciones y funciones diferentes. Unas, ras se halla la AQP-5 (secreción de sudor). como respuesta a modificaciones de la como ocurre con la AQP-1, son absoluta- En el intestino delgado se ha descrito la presión osmótica. El mecanismo res- mente específicas para el transporte de presencia de AQP-10 (absorción de agua). ponsable de este trasiego de moléculas agua. A este grupo pertenecen, junto a la Habida cuenta de las funciones de de agua fue elucidado por el Dr. Peter citada AQP-1, la AQP-0, AQP-2, AQP-4 las acuaporinas y de su ubicuidad, las Agre de la John Hopkins University, a y AQP-5. Otras, como las AQP-3, AQP-7 patologías relacionadas con ellas podrían comienzos de la década de los noventa. y AQP-9 son muy permeables al agua, ser muy numerosas. Entre las estudia- Este descubrimiento le hizo merecedor pero permiten el paso de algunos solutos das podemos citar algunas: de la concesión del Premio Nobel de pequeños. En cuanto a la localización, Una mutación de AQP-2 renal pro- Química en el año 2003. cada una de ellas tiene una distribución duce la aparición de diabetes insípida Las acuaporinas constituyen una particular, aunque varias de ellas pueden nefrogénica, enfermedad en la que AQP-2 familia de proteínas integrales de mem- coincidir en el mismo órgano o tejido con no responde a la hormona vasopresina, brana (véase el Cap. 10) que proporcio- análogas o diferentes funciones. originando la excreción de grandes volú- nan canales para el movimiento rápido Así, en el riñón se ha descrito la pre- menes de orina diluida. Por otro lado, del agua a través de la membrana plas- sencia de AQP-1 (reabsorción de agua en una sobreproducción de AQP-2 origina mática. Como ejemplo de la eficiencia el túbulo proximal); AQP-2, AQP-3 y retención hídrica en el embarazo, cirrosis de estas proteínas, la acuaporina AQP-1, AQP-4 (permeabilidad del agua en el y cardiopatías. En el pulmón, la altera- la primera descubierta, permite un flujo conducto colector); AQP-6 (transporte de ción en la expresión AQP-1 y AQP-5 de unos mil millones de moléculas de agua en el túbulo proximal y en el con- produce la aparición de edema pulmonar. agua por segundo a través de su canal. ducto colector). En las vías respiratorias En el cerebro, la elevada síntesis de Además, el paso de iones o pequeños se ha encontrado AQP-1 (homeostasis de AQP-4 está implicada en la presencia solutos no está permitido. La razón para agua en el pulmón); AQP-5 (secreción de de edemas cerebrales. En el ojo, determi- que otras moléculas o iones de menor líquido en el epitelio). En el cerebro apa- nadas mutaciones de AQP-0 conducen a tamaño, como los H+, no puedan atrave- recen AQP-1 (secreción de líquido cefalo- la existencia de cataratas. Una alteración sar estos canales estriba en la naturaleza rraquídeo); AQP-4 (regulación del líquido en AQP-5 está implicada en la aparición del mecanismo de paso. Parece ser que extravascular). En el ojo se ha detectado del síndrome de Sjögren, afección que para que se produzca éste se necesita la AQP-0 (hidratación del cristalino) AQP-1 cursa con queratoconjuntivitis y xerosto- formación de enlaces por puente de (secreción de humor acuoso); AQP-5 mía (ojos y boca secos). Asimismo, la hidrógeno entre las moléculas que lo (secreción de líquido en la córnea y lagri- síntesis disminuida de AQP-4 parece atraviesan, como el agua, y alguno de los males). En el eritrocito se descubrió la estar asociada a la aparición de la distro- aminoácidos que conforman el canal. AQP-1 (supervivencia de eritrocitos en fia muscular de Duchenne. En el organismo, por su abundancia relativa y por su localiza- 1. La presión osmótica que ejercen las partículas coloi- ción, los coloides que fundamentalmente dan lugar a este efec- dales propiamente dichas. En general, debido al tama- to son las proteínas, en cuya estructura aparecen grupos car- ño elevado de estas partículas (macromoléculas), gados debido a su composición aminoacídica. incluso las disoluciones muy concentradas (en peso) El efecto tiene importancia fisiológica en los casos en los contienen un número relativamente pequeño de partí- que se dan las condiciones para su existencia. Éste es el caso, culas. Por tanto, la presión osmótica que pueden ejer- por ejemplo, del eritrocito. L