Tema 2 - Parte 1: Agua, pH y pK PDF

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Tema-2-parte-1.pdf ratoncitah_13 Genética, Bioquímica y Biología Molecular 1º Grado en Odontología Facultad de Odontología Universidad Complutense de Madrid Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-11080122 TE 2. PA 1: AG , P Y P AGUA. Casi todas las reacciones bioquímicas en un organismo ocurren en medio acuoso, no sólo por permitir la movilidad molecular, sino por intervenir en muchas reacciones químicas gracias a las características especiales que le da su estructura. - Carácter polar - Enlaces de hidrógeno - Elevados puntos de fusión, ebullición, calor específico y tensión superficial. La estructura molecular y geométrica del agua condiciona sus propiedades físico-químicas Orbitales híbridos Cuando los orbitales s y p están tan próximos en su nivel de energía que pueden interaccionar (caso de los elementos: carbono, oxígeno o nitrógeno), se forman unos nuevos orbitales denominados híbridos que combinan caracteres de ambos orbitales. Así se consigue que el elemento químico forme el mayor número de enlaces posible, mientras que mantiene la mayor distancia entre ellos para minimizar las fuerzas de repulsión. Debido a la existencia de los orbitales sp3 del oxígeno, la estructura tridimensional de la molécula de agua es la de un tetraedro irregular. Dos orbitales del oxígeno contienen pares de electrones que no forman parte de las uniones (pares solitarios) y se sitúan en dos vértices del tetraedro, y los electrones desapareados, forman enlaces covalentes con un átomo de hidrógeno cada uno, y se localizan en los otros dos vértices. El ángulo del enlace entre los átomos de la molécula de agua es de 104,5⁰ (no 180⁰). Gracias a este ángulo de enlace el agua es una molécula polar; de haber sido lineal, las electronegatividades se anularían. Cada enlace O–H tiene un momento dipolar. El momento dipolar neto de la molécula está determinado por los tamaños y las direcciones de los momentos dipolares de cada uno de los enlaces. La distribución asimétrica de la carga electrónica hace del agua una molécula POLAR O DIPOLO PERMANENTE SIN CARGA NETA. La distribución de cargas y la geometría de la molécula ocasiona una atracción entre el átomo de oxígeno de una molécula de agua y el hidrógeno de otra, que se denomina ENLACES o PUENTES DE HIDRÓGENO y que condicionan muchas de las propiedades físicas y químicas del agua. Las moléculas de agua se orientan de manera que los átomos de Hidrógeno (donadores del enlace) se enfrenten a los pares de electrones no compartidos del Oxígeno (aceptores del enlace). Por lo tanto, los orbitales alrededor del átomo de oxígeno permiten que cada molécula de agua forme enlaces de hidrógeno con hasta cuatro moléculas de agua vecinas (dos como aceptor y otras dos como donador). Sin embargo, esto sólo ocurre en el hielo; en estado líquido, el promedio de uniones de cada molécula de agua es de 3,4. El mayor porcentaje de agua de nuestro organismo se localiza en el medio INTRAcelular. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-11080122 LÍQUIDO: Estructura en mosaico: Red dinámica de moléculas unidas por puentes de H (10ps). Se trata de un agrupamiento oscilante de moléculas de agua unidas mediante enlaces de hidrógeno que se encuentran en continua reorganización. SÓLIDO: Red estática, regular y rígida de enlaces de H. Menos compacta que en estado líquido. GASEOSO: Por encima del punto de vaporización La máxima capacidad de unión de una molécula de agua da lugar al estado más sólido del agua. DENSIDAD DEL HIELO < AGUA Densidad (a 4ºC)........ 1g/cm3 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Densidad (0ºC).......... 0'97g/cm3 Densidad ( 10-7 → [H+] > [OH-] SOLUCIÓN NEUTRA: pH = 7; [H+] = 10-7 → [H+] = [OH-] MEDIO BÁSICO O ALCALINO: pH > 7; [H+] < 10-7 → [H+] < [OH-] Importancia del valor de ph La mayoría de las biomoléculas del organismo son ácidos o bases débiles, que cambian su función ante cambios de pH. De ahí que el pH condicione las estructuras de muchas biomoléculas y sus propiedades. La mayoría de líquidos corporales y reacciones biológicas se sitúan entre 6.5 y 8 de pH, que se conoce como margen de pH fisiológico: el pH en sangre está entre 7.35-7.45 y el pH intracelular entre 6.9-7.4. QUÍMICA ÁCIDO-BASE. El pH cambia según lo hace la concentración de protones. Los procesos químicos que se dan en la célula pueden ceder o captar protones del medio y, por lo tanto, alterar el pH del medio celular. Es necesario conocer el comportamiento de los ácidos y bases en nuestro organismo, para saber cómo afectan a su pH Disoluciones ácidas y básicas Los ácidos y bases también se disocian en disolución acuosa. Se disocian: por completo (ácidos y bases fuertes) o parcialmente (ácidos y bases débiles). - Ácidos fuertes: ácido clorhídrico, sulfúrico, nítrico, etc.. - Bases fuertes: hidróxido sódico, potásico, etc.. La mayor parte de los ácidos y bases de los sistemas biológicos son débiles, modificando por lo tanto la concentración de protones del medio y con ello el pH. Cuando el ácido pierde el protón se convierte en una sustancia que tiende a recuperarlo y que se conoce como base conjugada y viceversa Cuando el compuesto formado es un catión o anión, tiende a unirse con un elemento de carga opuesta formando la sal conjugada (acetato sódico o cloruro de amonio). Las bases no contienen necesariamente grupos –OH, pero aumentan la concentración de OH- de una solución extrayendo un protón del agua. Un dador de protón y su correspondiente aceptor forman un par ácido-base conjugado. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-11080122 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Determinación de la fuerza de un ácido o base débil La tendencia característica de cada ácido a perder su protón en disolución acuosa viene definida por su CONSTANTE DE DISOCIACIÓN O DE IONIZACIÓN (K): de acidez Ka o basicidad kb. Cuanto más fuerte es el ácido, mayor es su tendencia por disociarse y mayor es K, e igual ocurre con una base débil. El grado de disociación (proporción entre la parte ácida y su base conjugada) depende de la concentración de protones del medio. Cuando las concentraciones de un ácido (HA) y su base conjugada (A-) son iguales: Es decir, el valor del pKa de un ácido es igual al pH cuando la concentración de su forma protonada es igual a la de su forma desprotonada. pK es el pH al que se alcanza el equilibrio entre el ácido y su base conjugada, es decir, el pH en el que la mitad del ácido se ha disociado. - A menor pH, mayor -log [H+] - A menor pKa, mayor -log Ka = menor pKa, mayor Ka, mayor tendencia a disociarse y más fuerte el ácido débil. A un pH por encima del pK predomina la base conjugada [A-], y por debajo del pK, la forma ácida [HA]. Los ácidos que pueden perder más de un protón se llaman POLIPRÓTICOS. Las disociaciones sucesivas implican valores de pK crecientes. - Ácidos monopróticos (ceden un protón, ej. ácido acético) - Ácidos dipróticos (ej. ácido carbónico) - Ácidos tripróticos (ej. ácdo fosfórico) ¿Qué pasa con sus pKas? Van aumentando, el primero lo doy fácilmente porque es un pKa bajo, el segundo sube más y el tercero tiene un pKa muy alto, me cuesta mucho ceder ese protón. Elimina la publicidad de este documento con 1 coin a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-11080122 SOLUCIONES AMORTIGUADORAS - TAMPÓN. Existen mecanismos que AMORTIGUAN LOS CAMBIOS DE pH, (evita las fluctuaciones de pH) neutralizando la incorporación de ácido o de base al sistema. Se trata de las SOLUCIONES TAMPÓN O BUFFER. (Cómo generamos un tampón: la combinación de un ácido o una base débil con su base conjugada o su ácido conjugado (sal)) Son mezclas de: - ácidos débiles y de sus bases conjugadas (o la sal del mismo ácido, por ejemplo, ácido acético y acetato sódico). - bases débiles y sus ácidos conjugados (o la sal de esta base; por ejemplo, amoníaco y cloruro amónico). (K: la tendencia natural a la que va ese ácido) CH3COOH ↔ CH3COO- Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Resultado: El tampón neutraliza los protones procedentes de la incorporación de un ácido fuerte, a través de su base conjugada y forma ácido acético y agua. Sustitución de un ácido fuerte por uno mucho más débil con menor influencia en el pH. H+ + CH3COO- → CH3COOH CH3COOH ↔ CH3COO- Resultado: El tampón neutraliza los iones hidroxilo procedentes de la incorporación de una base fuerte, a través del protón que libera la disociación del ácido débil. Sustitución de una base fuerte por una mucho más débil con menor influencia en el pH. OH- + CH3COOH → CH3COO- +H2O A un pH igual al valor de pKa tengo tanto ácido como base conjugada, por tanto estoy igual de preparado para neutralizar si llegan ácidos o si llegan bases. Imaginemos que estamos incorporando OH-: disminuye la cantidad del ácido debil y aumenta la base conjugada, las fluctuaciones del pH son mínimas, pasamos de 3,8 a 5,8. Las fluctuaciones son mínimas a pesar de que estoy incorporando una gran cantidad de base, casualmente es una unidad por encima y una unidad por debajo del valor de pK, a esta región se le llama región tampón. SI está el pH muchas más unidades por encima del valor de pKa, no tenemos prácticamente nada de ácido acético y prácticamente todo es acetato, su disociación natural hace que Elimina la publicidad de este documento con 1 coin a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-11080122 a ese pH sea todo acetato, no es un buen tampón porque tendo nada de uno y todo del otro. Un buen tampón tiene que estar preparado para la incorporación de ácido y para la incorporación de bases en el sistema. El mejor tampón es aquel que tiene igual concentración de su forma ácida que de su forma básica. Nosotros en nuestros sistemas somos unos buenos generadores de H+, de ácidos, nos interesa tener buenos tampones de ácidos. Un buen tampón de ácidos sería aquel cuyo componente de base conjugada es mayor que el del ácido. El buen tampón de ácidos, en un pH de 7, tendrá un pKa inferior al valor del pH para obtener mayor componente de la base conjugada. - Buen tampón de ácidos: aquel con mayor concentración de base, cuyo pKa es inferior a pH - Buen tampón de bases: aquel con mayor de la forma ácida, cuyo pKa es mayor al pH Curva de Titulación o valoración ácido base - Determinación del valor de pK Consiste en la representación de la variación de pH de un ácido o base débil frente a los equivalentes de base o ácido añadidos. Como resultado se obtiene sal y agua. La acción amortiguadora es la consecuencia de que dos reacciones reversibles simultáneamente buscan alcanzar sus puntos de equilibrio. Existe en la representación un punto de inflexión en la curva, que corresponde con el valor de pK, que es el pH al que la concentración del ácido débil y su base conjugada se igualan. El grado de disociación de un ácido o base débil a un pH concreto, viene determinado por la ECUACIÓN DE HENDERSON-HASSELBALCH (transformación logarítmica de la constante de disociación del ácido). Existe un gran número de moléculas (enzimas, fosfatos de los nucleótidos, intermediarios metabólicos, etc) que tienen grupos ionizables (ácidos y bases débiles) y que depende su grado de ionización del pH del medio. Región tampón Rango de pH de una solución en la cual, aunque se añadan ciertas cantidades de ácido o base, no se observan grandes variaciones de pH. Esta región se encuentra una unidad por encima y por debajo del pK del compuesto. Cada par de ácido-base conjugado tiene una zona característica de pH en la que es un tampón eficaz. Eficacia amortiguadora Un tampón es efectivo en un rango de aproximadamente 1 unidad de pH respecto al valor del pK del ácido débil. La capacidad amortiguadora: cantidad de ácido o base fuerte que puede neutralizar sufriendo un desplazamiento de pH de una unidad. Será mayor en el sistema más concentrado. Si yo añado 5 moles de OH-, y tengo 5 moles de AH, yo puedo neutralizar la Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-11080122 entrada de 5 OH- gastando mis 5 moles de AH. Si tengo 20 moles de AH, tiene más número de moles para poder neutralizar la entrada de OH-, entonces su capacidad tampón va asociada a la concentración que tengamos, a mayor concentración, mayor capacidad tampón, aunque el rango de eficiencia no varía. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Dos unidades de pH por encima de pKa quiere decir que me queda muy poco ah porque lo he gastado neutralizando la incorporación de la base, estoy al 99% y practicamente todo es sal. Cada par ácido-base conjugado tiene una zona característica de pH en la que es un tampón eficaz. - La solución tampón no mantiene fijo el pH, solo reduce su influencia. - La acción reguladora tiene un límite y su efecto desaparece en una u otra dirección cuando se agotan las sustancias tampón en la solución. - El mejor tampón es aquel que tiene igual concentración de su forma ácida que de su forma básica (pH=pK). Máxima capacidad amortiguadora. - El mejor tampón de ácidos, es aquel que presenta mayor concentración de base (pH>pK). - El mejor tampón de bases es aquel que presenta mayor concentración de su forma ácida (pH