Unidad 1 Agua y pH - BIOQUÍMICA MÉDICA PDF

BIOQUÍMICA MÉDICA UNIDAD 1. AGUA y pH Dra. Rosa Martha Pérez Serrano y Dr. Juan Carlos Solís Sáinz Última actualización: agosto 2022  AGUA DISTRIBUCIÓN Porcentaje en Distribución el p...

BIOQUÍMICA MÉDICA UNIDAD 1. AGUA y pH Dra. Rosa Martha Pérez Serrano y Dr. Juan Carlos Solís Sáinz Última actualización: agosto 2022  AGUA DISTRIBUCIÓN Porcentaje en Distribución el planeta Océanos 96 Glaciares y polos 2.3 Acuíferos subterráneos 1.5 Ríos y lagos 0.5 Aire, vapor y nubes 0.001 El agua cubre una superficie total del 70.8% en el planeta. AGUA  AGUA Es el liquido fundamental donde se realizan una gran variedad de reacciones químicas indispensables para la vida. Es el principal disolvente biológico. Su importancia para la vida radica en sus excepcionales propiedades que son consecuencia de su composición y estructura.  AGUA REQUERIMIENTOS Se requieren ~2.5 L de agua/día: 0.7 L se obtiene en la dieta. 0.3 L se obtienen del metabolismo de carbohidratos, grasas y proteínas. 1.5 L se ingieren en forma liquida. Se pierden ~2.5 L de agua/día: 1.5 L en forma de orina 1 L en pérdidas insensibles (respiración, sudoración y heces).  AGUA BALANCE  AGUA BALANCE Compartimento Porcentaje del agua total Intracelular 60 Extracelular: 40: Intravascular 8 Intersticial 20 Transcelular* 12 100% *En espacios muy bien definidos: cefalorraquídeo, sinovial, orina, humor acuoso. Debido a su localización, su composición puede diferir de los otros compartimentos.  AGUA Agua en los tejidos Órgano o Tejido Porcentaje de agua aprox. Pulmón >80 Riñón >80 Corazón 79 Musculo Esquelético 75 Piel 70 Hueso 20 Tejido Adiposo 10  AGUA Historia En 1781 H. Cavendish demostró que el agua es una molécula compuesta de hidrógeno y oxígeno. En 1804 Lavoisier y Laplace demostraron la estequiometría del agua: 2 átomos de hidrógeno + 1 de oxígeno. ¿Cómo le hicieron para demostrar esto?...  AGUA pH del agua Rango de pH del agua continental (ríos y lagos) 6.5 - 9, la oceánica es de 7.5 y 8.4. El pH del agua pura a 25°C es 7, el del agua de lluvia es de 5.2. Un pH 10 es incompatible con la mayor parte de la biota. En general, el agua con pH 8.5 se le llama “dura”.  AGUA Molécula de agua Es una molécula sencilla formada por tres pequeños átomos, uno de oxígeno y dos de hidrógeno, con enlaces polares que permiten establecer puentes de hidrógeno entre moléculas adyacentes.  AGUA Molécula de agua Este enlace covalente tiene una gran importancia porque confiere al agua propiedades que se corresponden con mayor masa molecular. De ahí sus elevados puntos de fusión y ebullición, imprescindibles para que el agua se encuentre en estado líquido a la temperatura de la Tierra.  AGUA Molécula de agua Su densidad electrónica posee una distribución irregular, pues el O, uno de los elementos más electronegativos, atrae hacia sí los electrones de ambos enlaces covalentes Alrededor del átomo de oxígeno se concentra la mayor densidad electrónica (carga negativa) y cerca de los hidrógenos la menor (carga positiva).  AGUA Molécula de agua La molécula tiene una geometría angular (los dos átomos de H forman un ángulo de 104.5º) lo que hace de ella una molécula polar que puede unirse a otras muchas sustancias polares.  AGUA Molécula de agua Al ser una molécula que presenta una carga parcial negativa (oxígeno) y una carga parcial positiva (hidrógeno) se considera un Dipolo. Esto le permite interactuar con otras cuatro moléculas de agua mediante puentes de hidrógeno.  AGUA Molécula de agua La energía de un puente de hidrógeno H2O - H2O es de unas 5.5 kcal/mol; además, hay que tener en cuenta las interacciones de Van Der Waals entre moléculas próximas. Por consiguiente es difícil que se separen, de esta forma se evita que escapen como vapor.  AGUA Molécula de agua Romper estos puentes, que en una masa de agua son muchos, requiere mucha energía, por ello el agua tiene un punto de ebullición tan alto. Esta es la razón por la que el agua es líquida en el amplio rango de temperaturas en las que se producen las reacciones de la vida, y no un gas como le correspondería por su bajo peso molecular  AGUA Molécula de agua Teóricamente, el agua tendría un punto de ebullición de unos -100ºC (173ºK; línea roja punteada) y por tanto no encontraríamos agua líquida en la naturaleza, sólo en estado gaseoso. Sin embargo, la temperatura de ebullición del H2O es de +100ºC (373K). La explicación de este valor aparentemente “anómalo” reside en el hecho de que las moléculas de agua, gracias a los puentes de H, se atraen tan fuertemente que no se comportan como moléculas aisladas sino como moléculas mucho más grandes, de manera que tienen una “masa molecular aparente” más alta. AGUA  AGUA Densidad Su máxima densidad se registra a 4ºC. El agua sólida es menos densa que el agua líquida porque está formada por una repetición tetraédrica de enlaces de H, esto permite que el hielo flote.  AGUA Hielo  AGUA Hielo  AGUA El agua posee un elevado calor específico (CEsp) El CE es el calor necesario para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1ºC. Su valor es de 1 cal/g x ºC. Permite al organismo importantes cambios de calor con escasa modificación de la temperatura corporal.  AGUA El agua posee un elevado calor de evaporación (CEvap) El CEvap es el calor necesario para evaporizar 1 g de agua. Su valor es de 536 cal/g. Esto permite al organismo eliminar el exceso de calor, evaporando cantidades pequeñas de agua posibilitando mantener la temperatura corporal más baja que la del medio.  AGUA El agua como solvente Diferencia entre solución y mezcla. Los solventes se evaporan fácilmente o pueden ser removidos por destilación. Los solventes también se utilizan para extraer compuestos solubles de una mezcla (café o te). La concentración de una solución es la cantidad de compuesto disuelto en un volumen dado de solvente, se mide en mol/L.  AGUA El agua como solvente El agua posee una constante dieléctrica muy alta (ley de Coulomb: la fuerza de interacción entre partículas con carga opuesta es inversamente proporcional a la constante dieléctrica del medio donde se encuentren).  AGUA El agua como solvente  AGUA El agua como solvente  AGUA Solventes La solubilidad es la cantidad máxima de compuesto que se puede disolver por completo en un volumen dado de solvente a una temperatura específica. Los solventes pueden dividirse de acuerdo a su polaridad, siendo ésta una medida por la constante dieléctrica (medida relativa de la polaridad de un solvente).  AGUA Solventes De esta forma, los solventes pueden dividirse en polares y no polares. La división suele considerarse a partir de 15, una C.D. > a 15 es polar, y una < a 15 es no polar. El uso de solvente polares (inorgánicos), distintos al agua, se limita a química analítica y a procesos industriales.  AGUA Solventes Muchos otros solventes comunes son de tipo orgánico (contienen C), y son llamados solventes orgánicos o no polares, ya que su nube electrónica esta distribuida en forma simétrica. Los solventes orgánicos son muy utilizados para tintorerías, pinturas (thinner), removedores de esmaltes de unas y manchas, detergentes y en perfumes. AGUA  AGUA Solventes Hidrofílico Hidrofóbico  AGUA El agua como solvente  AGUA Tensión superficial El agua en su estado líquido puede adaptar su forma (cambia el área de la superficie) dejando una superficie libre (no totalmente plana) o adoptan formas especiales: gotas y burbujas.  AGUA Tensión superficial Las fuerzas superficiales de cohesión (líquido-líquido) y adhesión (líquido-sólido) son responsables de la tensión superficial y capilaridad.  AGUA Tensión superficial Todas las moléculas están rodeadas por otras y la atracción entre ellas se compensa en todas direcciones a excepción de la superficie, donde el resultante es una fuerza neta hacia el interior. El agua tiende a cohesionarse (no dispersarse) y a minimizar su superficie (formar gotas). Esto forma una película “elástica” que presenta resistencia.  AGUA Tensión superficial  AGUA Adhesión El agua se encuentra expuesta también a las fuerzas de adhesión (entre líquido-sólido) con el que está en contacto, dependiendo de la naturaleza de ambos. Su relación determina la forma de la superficie libre del líquido en las proximidades de una pared sólida.  AGUA Capilaridad Dependiendo del ángulo de contacto, puede ocurrir que el agua ascienda (θ < 90°) o descienda (θ > 90°) por un tubo estrecho (capilar) a una cierta altura (h), lo que se denomina capilaridad o acción capilar.  AGUA Interacción con otras moléculas  AGUA Interacción con otras moléculas  AGUA Interacción con otras moléculas Las moléculas biológicas, en su mayoría presentan segmentos polares y no polares, por consiguiente son al mismo tiempo hidrófilas o hidrófobas, y se conocen como anfipáticas. Las moléculas anfipáticas tienden a distribuirse de diversas formas, como resultado de su interacción con un medio polar (agua). AGUA AGUA  AGUA Interacción con otras moléculas Hidrófila Moléculas de agua en movimiento continuo Moléculas del agua ordenadas alrededor de la cadena hidrofóbica  AGUA Interacción con otras moléculas Dispersión de lípidos en agua Cada molécula de lípido genera una fuerza que promueve el ordenamientos de las moléculas del agua  AGUA Interacción con otras moléculas Capas lipídicas Solo la porción hidrofóbica genera el ordenamiento de las moléculas del agua Micelas Todos los grupos hidrofóbicos se ordenan al interior, dejando al exterior la porción hidrófila  AGUA Interacción con otras moléculas  AGUA Interacción con otras moléculas El agua es desplazada por la interacción enzima-sustrato Forma en que interactúa el agua con el sustrato y la enzima La interacción enzima-sustrato se estabiliza por puentes de hidrógeno, enlaces iónicos e interacciones hidrófobas  AGUA Osmolaridad Osmolaridad: número de moles de soluto presentes en un litro de solución. Osmolalidad: número de moles de soluto presentes en un kg de solución. Normalidad: número de equivalentes/gramo de soluto en un litro de solución. Equivalentes/gramo: la cantidad de un elemento o compuesto que se puede combinar o reemplazar con otro.  AGUA Osmolaridad El principal determinante de la osmolaridad sérica es el Na+ por que se encuentra en mayor concentración en el LEC. Esto se debe a la Bomba Na+ /K-. Otros solutos relevantes son glucosa y urea.  AGUA Osmolaridad La normalidad enfatiza la naturaleza química de las sales. Ejemplo: en el caso del MgCl2 existen 2 mol de Cl- por cada mol de Mg+, de esta forma la [N] del Cl- es de 2N. La osmolaridad es la medida de concentración de solutos presentes en el plasma, y sus unidades son mOsm/L (270-290 mOsm/L). BUN (Nitrógeno Ureico en Sangre) * Se multiplica por 2 por el Cl- que lo acompaña  AGUA Osmolaridad: cálculo de una solución Solución de NaCl 0.9% = sol. fisiológica = ¿isotónica? Cálculo de la osmolaridad de la sol. Fisiológica (3 reglas de 3): Una sol. al 10% = 1g / 10 mL 1ª. regla de 3: ¿cuántos g hay en una sol. 0.9% / 10 mL? 0.09 g / 10 mL 2ª. regla de 3: ¿cuántos g hay en 1,000 mL (1 L)? 9 g Si el PM NaCl = 58.4 g/mol (para completar 1 mol se necesitan 58.4 g), 3ª. regla de 3: ¿cuántos moles hay en los g calculados? Respuesta: 0.1541 mol/L = 154 mEq/L ¿hipotónica?  AGUA Osmolaridad Distribución del agua corporal y electrolitos en un hombre de 70 kg La concentración de partículas de Total de Agua Corporal soluto debe siempre ser la misma [60% 42l] en el LEC y el LIC, aunque la INTRACELULAR [40% 28L] EXTRACELULAR [20% 14L] composición de los solutos sea distinta en ambos compartimientos. CATIONES CATIONES Na + 12.0 mEq/L Ca 2+ 4.0 mEq/L Na + 142 mEq/L Ca 2+ 2.5 mEq/L K + 4.3 mEq/L Mg2+ 1.1 mEq/L En estas condiciones, el K + 150 mEq/L Mg2+ 34.0 mEq/L movimiento de agua rápidamente ANIONES ANIONES disipa cualquier intento patológico Cl+ 4.0 mEq/L Proteínas 54 mEq/L Cl+ 104 mEq/L Proteínas 14 mEq/L HCO3+ 12.0 mEq/L Otros 90 MeQ/L de crear un gradiente de HPO4- H 2PO4- 40 mEq/L HCO3+ 24 mEq/L Otros 5.9 mEq/L HPO4- H 2PO4- 20 mEq/L concentración transcelular. INTERSTICIAL PLASMA [11.5 L] [2.5 L]  AGUA Osmolaridad  AGUA Osmolaridad De esta forma ante un incremento en la [Na] en el LEC, el liquido presente en el LIC sale de la célula, -a favor de su gradiente de concentración-, con el subsecuentemente encogimiento del espacio celular. Si la [Na] se reduce, se produce una subsecuente acumulación de líquidos a nivel intracelular.  AGUA Osmolaridad La presión osmótica que atrae al agua depende solamente en el número de partículas de soluto por unidad de volumen del solvente. El PM, tamaño, peso y forma de las partículas son virtualmente irrelevantes.  AGUA Osmorregulación hormona antidiurética (ADH)  AGUA Osmolaridad  AGUA Osmorregulación Hormona antidiurética (ADH por sus siglas en inglés), también conocida como vasopresina (AVP).  pH Ionización del agua La formación de los puentes de H entre las moléculas de agua es constante (37ºC); sin embargo en raras ocasiones se puede disociar la molécula formando dos especies iónicas llamadas hidronio e hidroxilo.  pH Principio de equilibrio del agua Principio de equilibrio del agua (Kw, producto iónico del agua): Kw = [H+] [OH-] = 10-14  pH Ionización del agua ÁCIDO BASE H20 H+ + OH- H20 + H20 H3O+ + OH- Agua pura a 25 ºC Esta reacción reversible se debe a la característica del agua de ser anfipática  pH Ionización del agua  pH Ionización del agua ÁCIDO BASE H20 H+ + OH- Constante de equilibrio (Keq) Asociada Disociada  pH Constante de disociación del agua Asociada Keq Disociada [Disociada] Keq= [Asociada]  pH Ionización del agua Un gramo de agua contiene 3.33 X 1022 moléculas, y se sabe que la probabilidad de que existan como ion hidrógeno es de 1.8 X 10-9 Aunque la posibilidad de que se formen los iones es muy baja, el impacto en las propiedades del agua es muy alto.  pH Ionización del agua Puesto que un mol de agua pesa 18 g (PM H2O=18 g/mol), entonces un litro (1,000 g = 1, 000 /18) contiene 55.55 mol (agua pura a 25ºC). La probabilidad de que exista un ion de hidrógeno es de 1.8 X 10-9, entonces se puede saber que la concentración de iones H+ (o iones OH-) es el producto de la probabilidad (1.8 X 10-9 ) por la concentración molar del agua (55.55 mol/L). El resultado es 1.0 X 10-7 mol / L pH  pH Keq [H+] [OH-] [H+] [OH-] H2O H+ + OH- Keq = Keq = [H2O] 55.5 M Keq = [1.0 X 10-7 mol /L ] [1.0 X 10-7 mol /L ] 55.5 M Keq = 1.8 x10-16 M (55.5 M) (Keq) = [H+] [OH-] = Kw (agua pura a 25°C) Kw = [H+] [OH-] = (55.5 M) (1.8 x 10-16 M) = 1.0 x 10-14 M2  pH Agua pura: Kw = [H+] [OH-] = [H+]2 [H+] = √Kw = √1 x 10-14 M2 [H+] = [OH-] = 10-7 M ¿Cuál es la [H+] en una solución de NaOH 0.1 M? Kw = [H+] [OH-] Kw 1.0 x 10-14 M2 10-14 M2 [H+] = = = = 10-13 M [OH-] [0.1 M] 1-1 M  pH Concepto de pH Es una medida que sirve para establecer el nivel de acidez o alcalinidad en un medio. Indica la [ ] de iones hidrógeno H+ (hidrogenión) que se encuentren en una solución. Es el resultado del logaritmo negativo de la concentración del ión hidrógeno (pH = -log [H+]). > [H+] < [H+]  pH Concepto de pH Cuanto más alta sea la [H+] en una solución, menor será el pH (Ácida), con una alta [OH-] mayor será el pH (Base).  pH Concepto de pH  pH Concepto de ácido:base Según la definición de Bronsted los ácidos son sustancias que pueden ceder iones de hidrógeno (protones, H+) mientras que las bases son compuestos que pueden aceptar protones. Algunas moléculas grandes tienen grupos ácidos (carboxilos) y básicos (amino) en su superficie, conocidos como Anfóteras, como el agua.  pH Concepto de ácido:base HA H+ + A- Un ácido débil (HA) se ioniza para formar la base conjugada del ácido (A-) y el ácido conjugado de la base (H+).  pH Concepto de ácido:base Los ácidos fuertes se disocian por completo (aportan H+) en aniones y cationes, reacción irreversible; los ácidos débiles se disocian solo de forma parcial (aportan H+ al medio, pero los aceptan fácilmente), reacción reversible.  pH Concepto de ácido:base De manera similar, las bases fuertes (pero no las bases débiles) se disocian por completo en pH alto.  pH Concepto de ácido:base La fuerza de los ácidos débiles se expresa mediante el pKa, el logaritmo negativo de la constante de disociación del ácido. Los ácidos fuertes tienen valores bajos de pKa, y los ácidos débiles tienen valores altos de pKa.  pH Concepto de ácido:base [H+] [A-] Ka= [HA]  pH Concepto de ácido:base R-COOH COO- + H+ R-NH3+ R-NH2 + H+ [COO-] [H+] [R-NH2] [H+] Ka= Ka= [R-COOH] [R-NH3+]  pH Concepto de ácido:base Dado que los valores numéricos de Ka para ácidos débiles son números exponenciales negativos, se expresa como pKa; donde: pKa = -log Ka pKa = pH donde el 50% de sustancia esta ionizada. Es propio de un grupo, no solo de una molécula. pH  pH Concepto de ácido:base Se utiliza para calcular el pH de una solución buffer o tampón, a partir del pKa (la constante de disociación del ácido) y de las concentraciones del ácido y su base conjugada.  pH Ecuación de Henderson-Hasselbach  pH Ecuación de Henderson-Hasselbach 1. Calcular el pH de una solución amortiguadora que contiene 3 moles de ácido acético y 7 moles de acetato, el pKa del ácido acético es de 4.76. [aceptor de protones] pH = pKa + log [dador de protones] 7 pH = 4.76 + log 3 pH = 4.76 + 0.368 pH = 5.12  pH Sistemas amortiguadores intra y extracelulares El pH del agua pura experimenta una elevación inmediata cuando se añade una mínima cantidad de un ácido; no ocurre así en la sangre, que admite cantidades mayores del mismo ácido sin que el pH se modifique. Soluciones amortiguadoras son aquellas soluciones cuya concentración de hidrogeniones varía muy poco al añadirles ácidos o bases fuertes.  pH Sistemas amortiguadores intra y extracelulares La importancia de estas soluciones amortiguadoras radica en tener en cuenta que la mayoría de las enzimas presentan grupos funcionales ionizados en su centro activo. De esta forma que si existe una fluctuación mínima del pH las enzimas se verán forzadas a ceder o tomar H+ perdiendo su carga funcional, no reconociendo a su sustrato y dejando de funcionar.  pH Sistemas amortiguadores intra y extracelulares Las soluciones amortiguadoras más sencillas están formadas por mezclas binarias de un ácido débil (dador de protones y una sal del mismo ácido (base conjugada, aceptora de protones). Por ejemplo, una mezcla de ácido acético y acetato de sodio; o bien una base débil y la sal de esta base con un ácido fuerte, como amoníaco y cloruro de amonio.  pH Sistemas amortiguadores intra y extracelulares El pH de una solución amortiguadora depende de la naturaleza del ácido débil que la integra, es decir del pKa del ácido. El pH de un sistema amortiguador depende de la proporción relativa entre la sal y el ácido, pero no de las concentraciones absolutas de estos componentes.  pH Sistemas amortiguadores intra y extracelulares  pH Amonio Ácido fosfórico Ácido Acético  pH Sistemas amortiguadores intra y extracelulares  pH Sistemas amortiguadores intra y extracelulares pH = 5 pH = 7 pH  pH Desequilibrio ácido:base Para equilibrar la gran carga de ácidos producida por el metabolismo celular (catabolismo y generación de CO2), el organismo cuenta con los siguientes sistemas principales: pH  pH Desequilibrio ácido:base  pH Desequilibrio ácido:base pH  pH Desequilibrio ácido:base Anhidrasa carbónica cataliza la reacción: CO2 y H2O H+ y HCO3¯ deshidratar al H2CO3 Reabsorción de HCO3¯ (bicarbonato)  pH Inhibidores de la anhidrasa carbónica: acetazolamida Disminuyen la habilidad de intercambiar Na+ por H+ diuresis leve. Impide la reabsorción de bicarbonato (HCO3¯ ) Retención de bicarbonato en el lumen: ↑ pH urinario La pérdida de bicarbonato induce acidosis metabólica Posee un efecto diurético muy limitado  pH Acetazolamida: usos y Reacciones Adversas al Fármaco (RAF) Efecto de acetazolamida en la composición 1. Tx crónico del glaucoma de ángulo urinaria abierto (  humor acuoso) 2. Profilaxis en ascensos de más de 10,000 pies 3. Tx de la hipertensión endocraneana RAF: Acidosis metabólica leve, hipopotasemia, cálculos renales, mareo y parestesia  pH Acetazolamida: usos en la enfermedad por altura 1. A grandes alturas la baja pO2 favorece un en la FR para obtener más O2. 2. Esto genera en la pCO2, lo cual puede favorecer una alcalosis respiratoria. 3. Esto produce letargo, mareo, cefalea, fatiga, vómito y confusión en los alpinistas. 4. Normalmente el riñón compensaría excretando HCO3, pero esta respuesta puede tomar días. 5. De esta forma, la inhibición en la AC favorece la eliminación de HCO3, contrarrestando la alcalosis respiratoria.  pH Nomograma  pH Desequilibrio ácido:base Para hacer este diagnóstico debe realizarse una toma de muestra de sangre arterial. Los hallazgos dependen del grado de compensación de la alteración, para el estado no compensado los valores esperados son los siguientes: Estado pH Origen CO2 HCO3 Respiratorio ↑ - Acidosis 7.45 Metabólico - ↑  pH Desequilibrio ácido:base  LECTURAS RECOMENDADAS 1. Agua y pH. Unidad 1. Ferrier Denise. Bioquímica. Lippincott. Wolters Kluwer. 7 Edición. 2. Agua y pH. Capítulo 2. Victor W. Rodwell et al., Harper. Bioquímica ilustrada, Mcgraw Hill 32 Edición. https:// accessmedicina.mhmedical.com/content.aspx?bookid=3284&sectionid=272016627 3. El agua: la matriz de la vida. Capítulo 3. Trudy McKee, James R. McKee. Bioquímica. Las bases moleculares de la vida. Mcgraw Hill. 7 Edición https://accessmedicina.mhmedical.com/content.aspx?bookid=2971&sectionid=249199136  Actividad de reforzamiento Entregará un ensayo de máximo dos cuartillas donde se conteste las siguientes preguntas: 1. Describe la molécula del agua (bioelementos, enlaces y cargas), así como sus interacciones (enlaces) con otras moléculas del agua. 2. Describe un sistema amortiguador. 3. Describe las soluciones acuosas de uso terapéutico. Las características del documento serán publicadas en el CLASSROOM de la materia  NOTAS FINALES El presente documento tiene como finalidad servir exclusivamente de orientación y guía para el estudio de la unidad respectiva. Se recomienda estudiar y leer el material de apoyo enlistado en el programa de la materia. Es importante recordar, que las evaluaciones NO se basarán únicamente en el material aquí presentado. En caso de presentar alguna duda o sugerencia le pedimos se acerque al profesor, quien con gusto estará para atenderle.