Bioquímica General y Estructural - PDF

UNIVERSIDAD MAYOR REAL Y PONTIFICIA DE SAN FRANCISCO XAVIER DE CHUQUISACA FACULTAD DE ODONTOLOGÍA BIOQUIMICA GENERAL Y ESTOMATOLÓGICA AUTOR: Ms.C. Carmen Encinas Barrientos Docente de Bioquímica Sucre —Bolivia...

UNIVERSIDAD MAYOR REAL Y PONTIFICIA DE SAN FRANCISCO XAVIER DE CHUQUISACA FACULTAD DE ODONTOLOGÍA BIOQUIMICA GENERAL Y ESTOMATOLÓGICA AUTOR: Ms.C. Carmen Encinas Barrientos Docente de Bioquímica Sucre —Bolivia 2024 Scanned with ACE Scanner  BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. UNIDAD 1 SISTEMA ESTOMATOGNATICO, COMPOSICION QUIMICA TEMA 1 INTRODUCCION A LA BIOQUIMICA OBJETIVOS DE LA BIOQUÍMICA Y FINALIDAD.- 1. Saber que el cuerpo humano tiene diversos elementosy diferentes clases de moléculas, asumiendo que la célulá; constituye la principal unidad estructural y funcional, lugar donde se realiza la mayor parte de las reacciones químicas. * 2. Describir y explicar en términos moleculares todos los procesos químicos de las células vivas. 3. Connotar que la bioquímica es una ciencia experimental, donde se utilizan métodos con suficiente ejercicio o entrenamiento para el aprendizaje. 4. Uncuarto objetivo, nos permite percibir lo poco que conocemos de ciertas áreas como elcáncer, sida, y otras patologías. La Bioquímica tiene por finalidad, conocer las reacciones o transformaciones que sufren los elementos y compuestos químicos como consecuencia del desarrollo, el funcionamiento y las modificaciones, por tanto los seres vivos sufren continuas transformaciones gracias a las reacciones químicas que se realizan en el interior de las células. HISTORIA DE LA BIOQUÍMICA.- La bioquímica, anteriormente llamada química biológica o fisiológica, surgió a partir de las investigaciones sobre compuestos y reacciones químicas en seres humanos y plantas en el siglo XVIII. El inicio de la bioquímica se remonta al año 1828 donde Friedrich Wóhler prepara y obtiene sintéticamente la urea, a partir de compuestos inorgánicos. Trató el cianato de plomo Pb (CNO):, con amoníaco con el fin de obtener cianato amónico, NH4CNO; pero al hervir la disolución para cristalizar esta sustancia, el cianato amónico se transformó en urea NH¿CNO --> CO(NH»), demostró que la urea sintética poseía las mismas caracteristicas y propiedades que la urea proveniente de los seres vivos, a partir de ese Scanned with ACE Scanner  Dra. Carmen Encinas Barrientos. BIOQUÍMICA los componentes orgánicos que momento( se Hegarron a obtencr, llega. aislar y sintetizar todos forman parte del ser vivo..ecubrió la prprimera enzima, la diastasa, B aunque i se desconocía Anselme Payen, en 1833 descubrió el análisis orgánico y su funcionalidad y ¢ | mecanismo subyacente. Licbig mejoró descubrió que las plantas sc alimentan gracias al nitrógeno y al dióxido de carbono del del nire (con la contribución de microbios que realizan las conversiones a compuestos nitrógeno) y de los minerales del suclo. Inventó el fertilizante a base de nitrógeno La Place y Pasteur refutan la teoría vitalista, sobresaliendo los trabajos presentados por Pasteur como la Fermentación, Pasteurización, Generación espontánea, Teoría microbiana: esterilización, Invención de la vacuna. En cl año 1860 Antonio Lavoisicr considerado el padre de la química moderna, refuta la teoría vitalista y exponc una nueva experiencia sobre el proceso de la vida, que logró el cambio de actitud de biólogos, físicos y químicos demostrando “Que el calor corporal es el resultado de la combustión orgánica producida en el interior de las células”. En basc a estos sucesos sc produjo el avance de ciencias entre cllas como la biología molecular y biotecnología. En la actualidad la bioquímica es una ciencia que estudia las diversas moléculas y las reacciones químicas, que ocurren en las células y organismos vivos. Para una mejor comprensión sobre la vida, en todas sus manifestaciones, demanda el conocimiento de la bioquímica. Así los estudiantes del área de salud como odontología que adquieren una base sólida de la bioquímica estarán en posición de enfrentarse, en la práctica y la investigación, a los dos intereses centrales de las ciencias de la salud: (1) comprensión y conservación de la salud y (2) apreciación y tratamiento eficaz de la enfermedad. DEFINICIÓN.- Bioquímica deriva de la palabra griega bios que significa vida, por lo tanto es la ciencia que se ocupa de la base química de la vida, sin embargo consideramos que una definición más formal scria la siguiente: “La ciencia que estudia las reacciones químicas que ocurren en los seres vivos”. El estudio de los seres vivos comprende el análisis de su composición y de los mecanismos que permiten mantener dicha composición relativamente constante, así como las modificaciones que ocurren en ellos, por razones naturales, debidas a sus funciones o desarrollo, o modificaciones del medio ambiente. Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. El término bioquimica fue propuesto por el químico y médico aleman Carl Neuberg (1877-1956) en 1903 La célula es la unidad estructural de los sistemas vivientes. La consideración de este concepto conduce a una definición funcional de la bioquímica como la ciencia que estudia a los constituyentes químicos de las células vivas y de las reacciones y procesos que experimentan. Con esta definición, la bioquímica abarca extensas áreas de la biología celular, la biologia molecular y la genética molecular. Los procesos bioquímicos normales son la base de la salud. La Organización Mundial de la Salud (OMS) define a la salud como un estado de “bienestar fisico, mental y social completo y no únicamente la ausencia de enfermedad o dolencia. La salud depende del equilibrio de las reacciones bioquímicas en el cuerpo y la enfermedad refleja anormalidades en biomoléculas, reacciones bioquímicas o procesos biológicos. En resumen, la bioquímica es la ciencia que se ocupa del estudio de las diversas moléculas que componen las células y organismos vivos así como de sus reacciones químicas. Debido a que la vida depende de estas reacciones, la bioquímica se ha convertido en el lenguaje básico de todas las ciencias biológicas. RELACIÓN CON OTRAS CIENCIAS.- La bioquímica y la medicina disfrutan de una relación de cooperación mutua. Los estudios bioquímicos han aclarado muchos aspectos de la salud y la enfermedad, y ha abierto nuevas áreas de la bioquímica. La bioquímica la hace contribuciones importantes a los campos de la biología celular, la fisiología, a los campos de la inmunología, microbiologia, farmacología y toxicología, así como hincapié en inflamación, la lesión celular y el cáncer. Estas relaciones estrechas hacen que la vida, tal como se conoce, depende de reacciones y procesos bioquímicos. DIVISIÓN DE LA BIOQUÍMICA.- La bioquímica se ha dividido en dos grandes partes: ación Bioquímica Estructural o Estática, estudia la composición, conformación, configur y estructura de las moléculas. Bioquímica Dinámica, estudia las reacciones metabélicas, las transformaciones y funciones que sufren las moléculas. Por ejemplo: la digestión de los alimentos implica el paso de estos a lo largo del tubo digestivo, proceso en el cual se lleva a cabo la trituración e ó Scanned with ACE Scanner  Dra. Carmen Encinas Barrientos, BIOQUÍMICA contacto con Alos jugos digestivos y la de unaul papilla, que se pone en l y la a formación 10 a r , al, en cuyos N jugos están contenidos diversas enzimas, que convierten - a los MUucosa a intestinal, CS se limentos en alimentos sustancias fáciles de ser absorbidas; en el caso de los almidones estos en sustancia co! nvierten en glucosa,Sa, en tanto que las proteínas de la carne, huevo y leche sc transforman en aminoácidos. según la época y el lugar Sin embargo se han propuesto muchas ofras clasificaciones objeto de estudio y organismo analizado como ser: la Bioquímica humana, la Bioquímica de los virus, Bioquímica microbiológica, Bioquímica vegetal, Bioquímica animal, Bioquímica médica o patológica molecular. COMPOSICION QUÍMICA DEL CUERPO HUMANO.- BIOELEMENTOS: Son elementos químicos que constituyen los seres vivos, también se los denomina biogenéticos y por su abundancia se los clasifica en tres grandes grupos. Bioelementos Primarios: H, O, C, N. Son los más abundantes, representan un 93 por 100 del cuerpo humano. Los que más abundan son el hidrógeno y el oxígeno, ambos forman parte de la biomolécula que más abunda en el organismo, el agua. A este grupo de elementos se los denomina elementos órgano genéticos o formadores de órganos. Bioelementos Secundarios: Ca; P, K, S, Na, Cl, Mg, Fe; constituyen el 0.7 por 100 del cuerpo humano. Son utilizados en la práctica médica en pacientes con desequilibrios electrolíticos, el caso del hierro Fe en las anemias por deficiencia del mismo. Oligoelementos: Mn, 1, Cu, Co, Zn, F, Mo, Se y otros. Sólo aparecen en trazas, sin embargo su presencia es esencial en el funcionamiento del organismo. Su ausencia produce una serie de enfermedades, como alteraciones en la tiroides por déficit o carencia del yodo I. Por la función que desempeñan en el organismo los bioelementos se clasifican en diferentes grupos: a) Plástica o Estructural: H, O, C, N, P, S. Colaboran en el mantenimiento del organismo, b) Esquelética: Ca, Mg, P, F, Si. Confieren rigidez. ©) Energética: C,O, H, P. Forman parte de moléculas energéticas. Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. d) Catalítica: Fe, Co, Cu, 1. Catalizan reacciones y procesos bioquímicos. €) Osmótica y electrolítica: Principalmente Na, K y Cr. Mantienen y regulan fenómenos osmóticos, potencial químico y electrónico. Azufre Se Encuer ntra en dos i aaminoácid áci os, istei: la cisteina ioni y metionina, presentes en todas las proteínas y algunas sustancias como la Coenzima-A, que veremos en el ciclo del ácido cítrico. Magnesio Forma parte de las moléculas de clorofila y en forma iónica actúa como catalizador, junto con las enzimas, en muchas reacciones química s del organismo. Activa al ATP Sodio Catión extracelular más abundante; necesario para la conducción nerviosa y la contracción muscular. Necesario para la absorción de glucosa. Potasio Catión intracelular más abundante; necesario para la conducción nerviosa y la contracción muscular Cloro Anión más frecuente; necesario para mantener el balance de agua en la sangre y el fluido intersticial. Hierro Fundamental para la síntesis de clorofila, catalizador en reacciones químicas, forma parte de los citocromos que intervienen en la respiración celular, y en la hemoglobina, proteína que interviene en el transporte de oxígeno en la sangre. Asociado a anemias. Manganeso | Interviene en la fotolisis del agua, durante el proceso de fotosíntesis en las plantas Si consideramos la abundancia relativa de los átomos que actualmente constituyen las biomoléculas, en el ser humano nos encontramos con que solo cuatro elementos (H, O, C, N) representan más del 99 por 100 de todos los átomos. ¿Por qué han sido precisamente estos cuatro elementos los que han conformado las biomoléculas? Se puede deducir: por la finalidad de formar enlaces covalentes entre entre ellos compartiendo electrones, formar esqueletos carbonados tridimensional (carbono (etraédrico) y en la conformación de una variedad de grupos funcionales. Scanned with ACE Scanner  Dra. Carmen Encinas Barrientos. BIOQUÍMICA BIOMOLÉCULAS: seres vivos. Atendiendo a su Las biomoléculas son las moléculas constituyentes de los naturaleza química se las clasifica en dos grandes grupos: an Biomoléculas Inorgánicas: La biomolécula más abundante es el agua. Se consider como asimismo los gases (oxígeno, dióxido de carbono). Sales inorgánicas (aniones, fosfato y bicarbonato, y cationes, como amonio). Biomoléculas Orgánicas: Se consideran los glúcidos (glucosa, glucógeno). Lipidos (triglicéridos, colesterol). Proteínas (enzimas, hemoglobina). Ácidos nucleicos (ADN, ARN). Metabolitos (ácido pirúvico, ácido láctico). BIOMOLÉCULA | UNIDADES FUNCIONES PRINCIPALES ESTRUCTURALES DNA. Desoxinucleótido. Material genético. RNA. Ribonucleótido. Molde para la síntesis de proteinas. Proteínas. Aminoácidos Realizan el trabajo celular (enzimas, elementos contráctiles, etc.). Polisacáridos. Glucosa Almacenan energía por tiempo (monosacárido). limitado. Almacén de energía, estructural, reguladora. Lípidos Ácidos Grasos Este cuadro indica las 5 biomoléculas encontradas en todos los seres vivos, sus sillares de construcción o bases estructurales y sus funciones principales Como ya se ha mencionado anteriormente, la molécula que más abunda en el organismo es el agua, seguida de las proteínas. Sin embargo las biomoléculas de los seres vivos se caracterizan por gozar de funciones diversas: estructural, transporte, defensa, señalizadora, de almacenado energético, etc. Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. En grado creciente de complejidad, las moléculas se pueden clasificar en: a. Precursores, como el H:O, el CO; o el NH;. b. Intermedios Metabólicos, como el piruvato, el oxalacetato o el citrato. e. Unidades Estructurales, Son unidades constitutivas de las macromoléculas, entre las que se destacan los monosacáridos (en glucógeno, celulosa, almidón), aminoácidos (en proteinas), nucleótidos (en ácidos nucleicos), glicerol y ácidos grasos (en grasas). d. Macromoléculas, como los referidos glucógenos, proteínas, ácidos nucleicos, grasas, etc. LA CELULA COMO UNIDAD DEL DISEÑO BIOQUÍMICO El organismo humano está formado por una cantidad considerable de células, que corresponden a una variedad de tipos celulares, diferenciados cada uno de ellos de tal manera de poder cumplir con una función específica con la máxima eficiencia. Las células de uno o varios tipos, junto con sus productos, forman los tejidos, que integrados según modelos específicos, forman los órganos. La etapa final es el propio organismo humano, al que se puede considerar como un gran conglomerado de innumerables células que viven juntas, realizan sus funciones y actúan reciprocamente entre sí sin alteraciones manifiestas, en tanto el organismo se mantenga en estado de salud. Los organelos que se encuentran en la célula son: Núcleo, tiene como funciones principales la ubicación de los cromosomas, es el lugar donde se desarrolla la síntesis del RNA dirigida por el DNA (transcripción). Ribosoma, organelo en el cual se lleva a cabo la síntesis de proteinas. Citoesqueleto, contiene los microfilamentos, microtúbulos y filamentos intrermedios. Citosol, contiene las enzimas de la glucólisis, síntesis de ácidos grasos. Mitocondrias, es el organelo donde se llevan a cabo las reacciones del ciclo de Krebs y la cadena respiratoria con producción de adenosina trifosfato (ATP). Retículo endoplásmico, los ribosomas unidos a la membrana del retículo endoplásmico son muy importantes en la síntesis proteínica y de varios lípidos, además de la oxidación de varios xenobióticos (citocromo P-450). Liposoma, sitio de almacenaje de varias enzimas como las hidrogenasas. Scanned with ACE Scanner  BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. de ciertos ácidos grasos, aminoácidos, producción y Peroxisoma, degradación degradación de H,0;. Membrana plasmática, transporte selectivo de moléculas dentro y fuera de la célula, además tiene a su cargo la adherencia y comunicación intercelular. Aparato de Golgi, tienc a su cargo la distribución intracelular de proteinas, reacciones de glucosilación y reacciones de sulfatación. Al considerar a la célula como la unidad cstructural de toda la materia viviente sc establece que todas las especies vivas con células únicas o conglomerados de células organizadas, por tal razón se puede considerar a la organización biológica como una jerarquía de niveles de jerarquía, siendo la célula el nivel más simple en la que se encuentra la característica más importantc de la materia viviente que es la capacidad de auto reproducción explicándose la organización general de la célula por esta tendencia. Para reproducirse, la célula, debe replicar su genoma y transcribir y traducir la información codificada en él, para generar las biomoléculas y macrobiomoléculas necesarias para todas las estructuras de su duplicado. Estas operaciones necesitan el suministro continuo de energía metabólica y un medio cuidadosamente controlado. Los órganos celulares o componentes subcelulares, llevan a cabo cada una de — estas operaciones y satisfacen sus requerimientos. MEMBRANA CELULAR.- La membrana plasmática, membrana celular, membrana citoplasmática o plasmalema, es una bicapa lipídica que delimita toda célula. Es una estructura formada por dos láminas de fosfolipidos, glucolípidos y proteinas que rodean, limitan la forma y contribuyen a mantener el equilibrio entre el interior (medio intracelular) y el exterior (medio Extracelular) de las células Regula la entrada y salida de muchas substancias entre el citoplasma y el medio extracelular. Composición química: Del análisis de membranas aisladas sc ha comprobado que están formadas por lípidos, proteinas y en menor proporción por glúcidos. LIPIDOS. Las membranas plasmáticas de todas las células eucarióticas están formadas por tres tipos de lípidos: fosfolipidos, glucolípidosy esteroles (como el colesterol). Todos tienen naturaleza anfipática y, por tanto en un medio acuoso se orientan espacialmente formando miscelas esféricas o bicapas lipidicas. Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. PROTEÍNAS Las proteínas (Prt) les confieren a la membrana sus funciones específicas y son características de cada especie. Pueden tener un movimiento de difusión lateral, contribuyendo a su fluidez. La mayoría de ellas tienen estructura globular y se pueden clasificar según el lugar que ocupen en la membrana: PROTEINAS TRANSMEMBRANAS O INTRINSECAS y PROTEÍNAS PERIFÉRICAS O EXTRÍNSECAS. Las proteínas intrínsecas o integrales representan entre el 50-70% de todas las Prt de membrana. Se encuentran incrustadas en la bicapas lipídicas pueden atravesar la membrana y se pueden observar a ambos lados de la membrana. Las Proteína extrínsecas o periféricas no atraviesan la biacapa y se sitúan tanto en el exterior como en el interior de la membrana. Se unen a los lípidos de la bicapa mediante enlaces covalentes; se han descrito uniones de estas proteínas a las Prt intrínsecas mediante enlaces por puente de hidrógeno. Composición de la membrana celular Glucoipido Protaina peritérica Glucoproteina RE FUNCIONES.- Las membranas celulares no sólo presentan una función de barrera estática, sino que desempeñan funciones específicas: * Proteccion de la célula frente posibles agresiones externas. * Mantenimiento de la presión osmótica. e - Intercambio de determinadas moléculas hacia el interior y/o el exterior celular. Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. * Mantenimiento de proteínas capaces de realizar funciones específicas como puede ser el transporte selectivo de moléculas, o determinadas reacciones enzimáticas, entre otras. e Transduccién de señales mediante fijación selectiva a delerminadas entidades químicas a través de receptores. * Reconocimiento celular y posible fusión con otras células. * Motilidad de determinadas células u orgánulos. La membrana permite a la célula mantener un estrecho contacto entre el medio externo y el medio interno. Por ejemplo, si se detecta una elevada concentración de un determinado nutriente en el medio externo, la célula iniciará un proceso de expresión de transportadores específicos para este nutriente, con el fin de acumularlo en su interior y consumirlo. Paradéjicamente, la membrana celular es una barrera prácticamente impermeable que hace posible el mantenimiento y separación de dos medios diferentes, como son el medio intracelular y el extracelular (Alberts et al., 2002). MECANISMO DE TRANSPORTE CELULAR La membrana posee mecanismos para transportar fisicamente moléculas, permitiendo que las células dejen pasar metabolitos necesarios para la síntesis de macromoléculas y libere los productos derivados del catabolismo y sustancias de secreción. Por lo tanto, se podría decir que se comporta como una barrera semipermeable, permitiendo el paso, mediante diversos mecanismos, de sustancias en contra o a favor de un gradiente de concentración osmótico o elétrico. TRANSPORTE PASIV.- Se hacen a favor de un gradiente; por lo tanto, este transporte no gasta energía. Difusión simple: Por este mecanismo entran en la célula sustancias solubles como 02, CO2; etanol, urea, etc., deslizándose por los fosfolípidos. Las moléculas que pueden pasar no tienen carga. Las denominadas proteínas de canal forman canales acuosos a través de la bicapa lipidica que permite el paso de sustancias cargadas eléctricamente a favor de un gradiente de concentración. Difusión facilitada: Se transportan moléculas polares como glúcidos, nucleótidos, aminoácidos, etc., siempre se produce a favor de un gradiente electroquímico y es 10 Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos, efectuada por unas proteinas que se denominan proteínas transportadoras o carri rriers, Cuando se unen a la molécula que tienen que transportar, sufren un cambio de conformación que ayuda a las moléculas en su paso por el canal TRANSPORTE ACTIVO Se realiza en contra de un gradiente de concen tración, de presión osmótica o bien eléctrica; siempre se realiza con un consumo de energía. Solo lo pueden hacer cierto de tipo de proteínas, Un ejempl o clásico es la bomba de sodio potasio que realizan las neuronas en el Sistema Nervioso. Mecanismo de Transporte de la membrana Transporte pasivo Transporte activo Importancia de la Bioquímica en Odontología.- El conocimiento de la bioquímica es esencial en todas las ciencias de la vida. Los fundamentos de la genética humana y odontología se apoyan en la bioquímica de los ácidos nucleicos. La fisiología, estudio de la función corporal, la inmunología emplea numerosas técnicas bioquímicas. La farmacología y la farmacia se apoyan en un conocimiento sólido de bioquímica y fisiologia, la mayoría de los fármacos son metabolizados por reacciones catalizadas por enzimas. Los adelantos importantes en el conocimiento de la conducta de los componentes macromoleculares en el esmalte y la saliva, y la forma en que estas y otras macromoléculas interactúan con cristales de fosfatos de calcio han permitido realizar la revisiones completas de los componentes organicos del esmalte, de la saliva y calcificación. 11 Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. TEMA 2 BIOQUIMICA DEL AGUA (H:0) ESTRUCTURA MOLECULAR quimico francés Joseph Louis Gay- En un documento cientifico presentado en 1804, el raron conjuntamente que Lussac y el naturalista alemán Alexander von Humboldt demost oxigeno, tal como se expresa el agua consistía en dos volúmenes de hidrógeno y uno de en la férmula actual H20. Molécula de Agua Átomode Hidrógeno — Átomo de Hidrógeno HO existen y reaccionan Las biomoléculas polares orgánicas e inorgánicas de las células vivas de manera primaria en un ambiente acuoso. El agua constituye la molécula esencial para la vida. Solubiliza y modifica a las biomoléculas como ácidos nucleicos, proteinas y carbohidratos al formar puentes de hidrógeno con sus grupos funcionales. EL AGUA SOLVENTE BIOLÓGICO IDEAL - CARACTERISTICAS DE SU ESTRUCTURA: 1° El agua constituye una molécula tetraédrica ligeramente asimétrica. 2° Las moléculas de agua forman dipolos, por tanto tienen cargas eléctricas (electrones) distribuida en forma desigual alrededor de su estructura. 3° Forman puentes de hidrógeno. Y son estos puentes de hidrógeno que estabilizan proteínas y ácidos nucleicos. El agua (peso molecular 18) es un líquido, por esta razón tiene la capacidad de formar puentes de hidrógeno, lo que también explica su viscosidad. 12 Scanned with ACE Scanner  BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. La propiedad del agua de servir como solvente de iones y numerosas moléculas orgánicas por su se debe a su carácter bipolar y a su capacidad de formar puentes de hidrógeno, tamaño pequeño, le permite ingresar con libertad al interior de las células. Propiedades fisicas del agua aa S Oxigeno 'i“ mur¿gono Hidrégeno º/ Al ONO H/ \H Es DISOCIACIÓN DE LAS MOLÉCULAS DE AGUA (electrolito débil) Fisiológicamente la disociación del agua es muy importante para la vida sobre la tierra. Por la propiedad que tiene de actuar como un ácido o como una base. De este modo se puede representar su ionización como una transferencia protónica intermolecular formando: Ton hidronio (H30*) y un ion hidroxilo (OH>): HO + HO + Hi:0* + OH Simplificando se expresa así: H0 --——— > H* + OH PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS: 1° Elevada temperatura de ebullición.- La temperatura de ebullición del HO es más elevada 100°C a una atmósfera, hecho que permite que el agua se mantenga líquida a temperaturas (0 — 100°C), lo que posibilita que pueda existir vida en diferentes climas. 2° Densidad máxima a 4°C.- La presencia de puentes de hidrógeno permite que el hielo flote en el agua. El aumento de volumen del agua sólida, con respecto al agua líquida es el responsable de hechos desagradables como la rotura de cañerías, radiadores, etc. es decir (1,000 L de agua se convierte aproximadamente en 1,098 L de hielo a una atmósfera), pero a pesar de esta densidad anómala existe vida marina, porque el hielo 13 Scanned with ACE Scanner  BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. flotante actúa como aislante térmico impidiendo que la masa oceánica se congele posibilitando de ese modo la vida acuática. 3* Elevado calor específico.- (1 cal / g x "C) es el calor necesario para elevar la temperatura de 1g. de líquido en 1°C concretamente de 15 a 16°C. Este valor alto permite que el agua estabilice la temperatura del organismo, evitando una clevacion o disminución de la misma fundamentalmente a través de la circulación sanguínca. 4° Elevado calor de vaporización.- (536 cal / g). Este valor elevado permite climinar el exceso de calor, regulando la temperatura del organismo, al vaporizar agua constantemente por la piel, y por los pulmones a través de la respiración. 5° Elevada conductividad calorifica.- Es otro mecanismo que contribuye a la termorregulación, ayudando a mantener e igualar la temperatura en diferentes zonas del organismo. 6% Elevada tensión superficial.- La elevada tensión superficial disminuye en determinadas sustancias denominadas tensoactivas (jabones, detergentes) facilitando la mezcla y la emulsión de grasas en el medio acuoso así, las sales biliares tienen una acción tensoactiva en el intestino delgado facilitando la emulsión de grasas y la digestión. FUNCIONES BIOQUÍMICAS Y FISIOLÓGICAS Entre las múltiples funciones que desarrolla la molécula de agua se menciona: Actúa como componente estructural de macromoléculas, de proteinas o polisacáridos, estabiliza sus estructuras a través de la formación de puentes de hidrógeno. Considerado como disolvente universal de sustancias iónicas y polares no iónicas, en cuyo seno se producen la totalidad de las reacciones bioquímicas. Constituye el mejor medio de transporte de sustancias antes mencionadas en el organismo. Conserva un carácter termorregulador, que permite el equilibrio de temperaturas en todo el cuerpo, así como la disipación de cantidades elevadas de calor metabólico. 14 Scanned with ACE Scanner  BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. DISTRIBUCION DE AGUA EN EL ORGANISMO. Con relación al contenido acuoso en el cuerpo humano, el plasma humano contiene alrededor de 92 a 93%; el esqueleto 20 a 40%; los dientes contienen alrededor de 5% y la saliva más del 90% del contenido de agua que cualquier otro elemento esencial. Dos terceras partes del agua corporal total es liguido intracelular (55 a 65% del peso corporal en varones y 10% menos en mujeres). Del liquido extracelular, el plasma sanguinco constituye cerca de 25%. Así el agua corporal se distribuye en: 1.- Agua Intracelular: Presente en el interior de las células, citosol y demás estructuras celulares, viene a constituir un 70 por 100 del total de agua existente en el organismo. El agua intracelular se divide a su vez en: Agua libre, la que dispone la célula de inmediato Agua ligada o asociada, es la que se encuentra unida a estructuras y macromoléculas. 2.- Agua Extracelular: Los liquidos que se encuentran fuera de las células, reciben el nombre de líquido extracelular. Constituye aproximadamente 30 por 100 del contenido total de agua en el organismo y se subdividen en dos compartimientos: Agua plasmática, en ella se considera el agua del plasma y de la linfa un 7 por 100 del total de agua. Agua intersticial, constituye el agua del liquido intersticial, del líquido cefalorraquídeo, del humor ocular, etc. el total de agua en el organismo es del 23 por 100. La mayor proporción de agua se encuentra en el líquido intersticial rodeando a las células. El compartimento más pequeño es el transcelular: constituido por líquidos del árbol traqueobronquial, conducto gastrointestinal, sistema excretor de los riñones y las glándulas, el líquido cefaloraquídeo y humor acuoso ocular. IMPORTANCIA BIOMEDICA.- La homeostasis, conservación del medio interno que es esencial para la salud, considera la distribución de agua en el cuerpo y la preservación del pH, así como sus concentraciones electrolíticas. La regulación del equilibrio acuoso depende del hipotálamo para controlar la sed, de la hormona antidiurética (ADH) y de la retención o excreción de agua a través de los riñones. 15 Scanned with ACE Scanner  Dra. Carmen Encinas Barrientos. BIOQUÍMICA n al hombre promedio La proporción de agua en cada individuo es diferente, con relació tendrá alrededor de 60% de agua de que pesa 70 kilogramos y mide 1.75 cm, este varón pueden ser su peso total. Sin embargo en muchas manifestaciones clínicas, los individuos entos líquidos. más delgados o más obesos; lo que influyc en sus comportami gracias al bicarbonato que El líquido extracelular se conserva a un pH entre 7.35 y 7.45 actúa como amortiguador. laboratorio clínico por Las alteraciones del equilibrio ácido básico se diagnostican en el venosa. Las medición del pH de la sangre arterial y el contenido de CO de la sangre dosis diabética causas de la acidosis (pH sanguíneo 7.45) compre de contenido ácido gástrico. Variaciones fisiológicas más importantes: dentro de Edad: En el niño existe mucho más agua, debido a que la proporción de agua la las células y dentro del volumen plasmático, es la misma que la del adulto, con el diferencia; que un niño tiene un volumen intersticial mayor. La relación entre volumen intersticial y el volumen plasmático es de 5:1 en comparación con el adulto que es de 3:1. tienen más Sexo: Con relación al sexo, existe una marcada diferencia donde las mujeres a su grasa corporal que los hombres; esto significa que tienen menos agua, con relación peso corporal. Constitución: El tejido adiposo contiene cerca de un 20% de agua, sin embargo todos los tejidos corporales contienen más agua que cualquier otro compuesto, por tanto la obesidad tiene impacto importante con relación a la cantidad de agua que contiene un individuo. Por ejemplo, un hombre obeso contiene menos proporción de agua que una persona esbelta. El porcentaje de agua respecto al peso es menor cuanto mayor es el peso corporal (mayor cantidad de tejido adiposo). En un obeso la proporción de agua es alrededor de 50%, y en un delgado alcanza un 70%. INGESTIÓN Y EXCRECIÓN DE AGUA EN LOS SERES HUMANOS Los valores considerados como normales son los siguientes: a) Ingesta media: (2.700 ml) a través de: 16 Scanned with ACE Scanner  Dra. Carmen n Encil i Encinas Barrientos. i BIOQUIMICA - Bebida 1.300 ml, agua visible. - Alimentos 900 ml, agua oculta. - Oxidación metabólica 500 ml, agua de oxidación. b) Excreción: (2.700 ml) a través: - Respiracién 500 ml. - Transpiracion, evaporación 700 ml pérdida insensible. - Orina 1.400 ml. - Heces fecales 100 ml. ALTERACIONES DEL EQUILIBRIO ACUOSO - HÍDRICO.- En el organismo se producen pérdidas intestinales que se relacionan con alteraciones patológicas, nos referimos al vómito y la diarrea. Vómito: Se produce por pérdida de líquidos, al eliminar los líquidos ingeridos; o al perder líquidos secretados hacia el intestino, principalmente jugos gástricos. Diarrea: Es la incapacidad para reabsorber los líquidos secretados hacia el intestino; causando un cambio en la permeabilidad de la mucosa intestinal. Deshidratación o disminución del volumen de agua, contribuyendo a un aumento de la presión osmótica de los líquidos corporales. Hidratacion o exceso del volumen acuoso en el organismo. Estos trastomos pueden ir acompañados de alteraciones de la concentración extracelular de electrolitos. Así, se puede hablar de hidrataciones o deshidrataciones isotónicas (si no existe modificación de electrolitos), Hipertónicas (si existe aumento en la concentración de electrolitos), e hipotónicas (si existe disminución en la concentración de electrolitos). En estos casos, el ion que generalmente sufre modificación en su concentración normal es el catión sodio. En las alteraciones hipertónicas, se produce un desplazamiento neto del agua del medio intracelular al extracelular, en las hipotónicas, el desplazamiento es el contrario, del compartimento extracelular al intracelular, sin que exista desplazamiento neto de agua en las isotónicas. 17 Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas garrientos. Entre los sintomas que puede producir una deshidratación, se pueden destacar: debilidad, Vértigo, náuseas, dolor de cabeza, taquicardia, hipotensión. En lo que respecta a una hidratación, se pueden citar: edema, dolor de cabeza, náuseas, € hipertensión. El control del volumen de los compartimentos acuosos, su presión osmótica, composición, etc. es un proceso muy bien regulado, en el que intervienen, entre otras, la hormona de la neurohipófisis, vasopresina (reabsorción renal del agua); la hormona de la corteza suprarrenal, aldosterona (reabsorción de sodio); y la hormona natriurética, con efectos combinados que globalmente favorece la eliminación de agua y sodio por orina, asi como el descenso de la presión arterial. 18 Scanned With ACE Scanner  Dra. Carmen Encinas Barrientos. BIOQUÍMICA TEMA 3 ESCALA E INDICADORES DE pH ESCALA DE pH.- lo El agua es un electrolito débil cuyas moléculas se disocian en muy pequeña cantidad, que verdaderamente ocurre es un equilibrio en el que está implicado el i6n hidronio (H30”), esta disociación puede expresarse en forma de este equilibrio químico equivalente. 280 — H;0* + OH- f Aunque se puede simplificar expresándolo como H0 —__>5 H* + OH- Los valores tan ínfimos de concentración de protones e hidroxilos que se han estado manejando son incómodos para el trabajo habitual. Por ello es que en 1909, Sóreh Peter Sórensen, bioquímico danés, estableció la denominada escala de pH (abreviatura del potencial de H, ya que el pH varia proporcionalmente al potencial de un electrodo de H introducido en la disolución). El pH se define como el logaritmo decimal de la concentración molar de iones hidrógeno, hidrogeniones o iones hidronio, con el signo cambiado. Análogamente se define pOH como el logaritmo decimal de la concentración molar de iones hidroxilo, con el signo cambiado. Lógicamente en una concentración cualquiera, la suma del valor de pH y de pOH es 14. DEFINICIÓN DE pH La acidez de una solución depende de la concentración de iones hidrógeno y se caracteriza por el valor del pH, se define como el logaritmo negativo de base 10 de la concentración de H*: pH=- logio [H*] EL pH.- Se define como el logaritmo decimal de la concentración molar de iones hidrógeno, hidrogeniones o iones hidronio, con el signo cambiado. pH = -Log [H*] 19 Scanned with ACE Scanner  Dra. Carmen Encinas Barrientos. SIOQUÍMICA El término pH ha sido universalmente utilizado por la facilidad de su uso, evitando así el manejoi 3 de cifras ; largas y complejas. En- " disoluciones " il diluidas en lugar de utilizar | a actividad del ion hidrógeno, sc le puede aproximar utilizando la concentración molar del ion hidrógeno. Por ejemplo, una concentración de [H'] = 1x1077 M. (0,0000001) es simplemente un pH de 7, ya que: pH = - log = 7. El pH típicamente va de 0 a 14 en disolución acuosa, siendo ácidas las disoluciones con pH menores a 7, y básicas las que tienen pH mayores a 7. El pH igual a 7 indica la neutralidad de la disolución (siendo el disolvente agua). Se considera que p es un operador logarítmico sobre la concentración de una solución: p = - log [...], también se define el pOH, que mide la concentración de iones hidrógeno. Simplificando podemos afirmar que las sustancias capaces de liberar iones hidrógeno (H") son ácidas y las sustancias capaces de ceder grupos hidroxilo (OH') son básicas o alcalinas. De este modo, el ácido nitrico, al adicionarlo al agua se ioniza aportando iones hidrógeno o protones a la solución. HNO; €-> NOz + H* El agua puede comportarse como un ácido o como una base: H,0 €> H* + OH Las letras pH son una abreviación de “pondus hydrogenii”, traducido como potencial de hidrógeno, y fueron propuestos por Sorensen en 1909, que las introdujo para referirise a concentraciones muy pequeñas de iones hidrógeno. Sorensen fue el creador del concepto de pH anteriormente mencionado. EL ION HIDRÓGENO El cuerpo humano produce ácido de forma continua. Cada día un individuo adulto normal, produce aproximadamente 20.000 nmol de ácido volátil (ácido carbónico) y unos 80 nmol de ácido no volatil. La mayor parte de ácido volatil se produce en forma de CO> durante Ja respiración celular y reacciona con agua para formar ácido carbónico y bicarbonato. El ácido no volátil se origina principalmente a partir de la transformación metabólica de las proteinas contenidas en los alimentos, sobre todo a partir de los aminoácidos metionina y cisteína. Otros ácidos se originan del metabolismo de los hidratos de carbono y las grasas, de las nucleoproteinas (ácido úrico) y de los compuestos fosforados inorgánicos. 20 Scanned with ACE Scanner  BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. Los ácidos no volátiles son principalmente residuos de ácido fosfórico y ácido sulfúrico procedentes del metabolismo. El ácido volátil es exclusivamente dióxido de carbono. A medida que se producen los iones hidrógeno (H') son neutralizados por sistemas de tampón circulantes. En el organismo se produce continuamente H* pero no OH -; ésta es una de las razones p más importantes del hecho de que la acidosis sea mucho más frecuente q que la alcalosisis. Análogamente sc define pOH como el logaritmo decimal de la concentración molar de iones hidroxilo, con el signo cambiado. En una disolución cualquiera, la suma del valor de pH y de pOH es 14. Clasificación de disoluciones.- En función del pH, las disoluciones pueden clasificarse en: Neutras: si el valor del pH es igual a 7 Ácidas: si el valor del pH es inferior a 7 Básicas: si el valor del pH es superior a 7 Para calcular el pH de soluciones ácidas y alcalinas se debe: 1. Calcular la concentración del ion hidrógeno, (H”) 2. Calcular el logaritmo de base 10 de (H*) 3. El pH es el negativo del valor encontrado en el paso 2, para agua pura a 25°C pH= -log (H*) = - log 107 = -(-7) = 7.0 pH del HO = 7.0 Los valores de pH bajos corresponden a concentraciones elevadas de H* y los valores de pH altos conciernen a concentraciones bajas de H*. Un pH bajo expresa una solución ácida y un pH alto manifiesta una solución básica o alcalina INDICADORES DE pH.- El valor del pH se puede medir de forma precisa mediante un pH metro, un instrumento que mide la diferencia de potencial entre dos electrodos: un electrodo de referencia (generalmente de plata/cloruro de plata) y un electrodo de vidrio que es sensible al ion hidrógeno. 21 Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. También se puede medir de forma aproximada el pH de una disolución empleando indicadores, ácidos o bases débiles que presentan diferente color según el pH. Generalmente se emplea el papel indicador. Un indicador de pH es una sustancia que permite medir el pH de un medio. Habitualmente, se utiliza como indicador sustancias químicas que cambian su color al cambiar el pH de la disolución, el cambio de color se debe a un cambio estructural inducido por la protonación o desprotonación de la sustancia. en Se utilizan para cllo cicrtas sustancias, sobre todo para valoraciones ácido / base química analítica, y para medir el pH de una disolución, aunque de forma cualitativa. de un Los más conocidos son el naranja de metilo, que vira en el intérvalo de 3.1 a 4.4, 10, color rojo a uno naranja, y la fenolfialeina, que vira desde un pH de 8 hasta un pH de transformando disoluciones incoloras en discluciones con colores rosados/ violetas. Indicadores de pH INDICADOR pH Color pH Color Amarillo de Metilo | 2.9 Rojo 4 Amarillo Fenolftaleina 8 Incoloro 10 Violeta Rojo de Metilo 42 Rojo 6.2 Amarillo Timolftaleina 8.6 Incoloro 10 Azul Tornasol 4.5 Rojo 8 Azul Entre los indicadores de pH incluyen: el papel de tornasol, naranja de metilo, fenolfialeina, ccbolla morada, jamaica roja, telometodilo de alcanfor, motherforhdio (col morada). 22 Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. Papel indicador de pH: El INDICADOR es una sustancia que tiene la propiedad de cambiar de color. Cuando se encuentra en presencia de un ácido el indicador mostrará un color y en el caso de una base revelará otro color; demostrando la mayor o menor concentración de hidrógeno. Generalmente son colorantes orgánicos. PH EN FLUIDOS ORGÁNICOS : Sangre, orina y saliva. pH en sangre.- El pHdel líquido extracelular se conserva entre 7.35 y 7.45 en personas sanas. El sistema amortiguador del - bicarbonato (HCO3-/ H2COs) tiene una particular importancia a este respecto. Cuando el pH es inferior a 7.35, se presenta un estado de acidosis y de manera inversa, cuando el pH es superior a 7.45 existe alcalosis, que pueden ser metabólicas o respiratorias que se verá en el siguiente tema. bucodental, ya pH en saliva.- El pH de la saliva tiene una alta implicación en la salud entre 6,5 y 7 para que es un factor protector frente a la caries. Sus niveles deben oscilar que, al igual que que se mantenga el equilibrio de la salud oral. La boca es un ecosistema otras partes del organismo, requiere un pH equilibrado. tico que se puede La importancia odontológica del estudio de pH radica en el diagnós abajo es indicativo de realizar en función al pH de la saliva de un paciente, de 5.9 hacia do con placa caries, en cambio un pH superior a 7.5 es indicativo de que está cursan dentobacteriana. acidifican Existen varios aspectos que alteran el pH de la saliva, que alcalinizan o progresivamente el organismo y por consecuencia la calidad de la saliva e Los alimentos » Bebidas * El tabaco e Lafalta de sueño 23 Scanned with ACE Scanner  Dra. Carmen Encinas Barrientos. BIOQUÍMICA « Lacontaminación un pH medio de la » La edad puede ser también un factor, ya que los niños tienen más ácida, con un pH de la saliva de 7,5, mientras que los adultos tienden a ser saliva de 6,5 o inferior. ales pH de Líquidos biológicos y otros líquidos natur Líquido pH Agua de mar 7.0-7.5 Plasma sanguíneo 7.4 Líquido intersticial | 7.4 Liquidos intracelulares - Musculo 6.1 - Higado 6.9 Jugo géstrico 12-3.0 Jugo pancreático 78-8.0 Su 63-72 Leche de vaca 6.6 Orina 58 Zumo de tomate 43 Zumo de pomelo 32 Refresco cola 28 Zumo de limón 23 En este cuadro se observa la diferencia de pH que existe entre los diferentes líquidos de nuestro organismo y otros líquidos naturales. PH en orina.- Los valores normales fluctian entre 4.6 y 8.0 en el Ph, éste amplio margen E en función - a varios : factores principalmente — : de : a la alimentación e hidratación de la p ersona. El pH de la orina ñ mide i sii nuestro organismo i se encuentra en una situación de equilibrio o desequilibrio, gracias a una escala de valores que va desde el 0 hasta el número 14. Si el PH de la orina i es superioi r a 7, la orina j suele considerarse alcalina y podría ser un sign si o de infe i ccio i nes urininari arias, como la cistitis, por el contrario, el pH es 24 Scanned with ACE Scanner  Dra. Carmen Encinas Barrientos. BIOQUÍMICA y podría provocar la bajo, por debajo del número 5, la orina se define como ácida vejiga. formación de cálculos renales o la inflomación de la en odontología.- pH de sustancias químicas, alimentos y su repercusión se tiene el pH de distintas sustancias químicas y alimentos que A continuación cotidinnamente son utilizados y en el caso de los alimentos ingeridos por el hombre: pH de distintos alimentos y sustancias en escala de pH The pH Scale Tomato | | Aikaline | | Acidic Neutral 25 Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos, es alcalino Sc considera que un alimento es muy ácido cuando tienc un pH entre 0 y 4, y entre o de baja acidez cuando su pH es superior a 4,5. Los alimentos que tienen un valor 4 y 4.5 se consideran neutros o ácidos. Repere ón del pH de los alimentos en Odontología.- entre las Mantener un buen equilibrio del pH en la boca permite un balance saludable en nuestra boca son bacterias orales buenas y malas, muchas de las buenas bacterias la digestión de los inofensivas, incluso un grupo conocido como probióticos ayuda en alimentos. granos aumentan la Ciertos alimentos como las bebidas azucaradas, aperitivos y algunos que son muy acidez en la boca modificando el pH drásticamente, en cambio los alimentos a neutralizar ácidos como por ejemplo los limones reducen el pH aunque la saliva ayuda en el ácido, el problema sé presenta cuando el pH toma mucho tiempo para neutralizarse la boca, dando tiempo suficiente a las bacterias dañinas para causar estragos en los dientes y encías. Se sabe que tanto a nivel preventivo como paliativo el estrés oxidativo tiene una importancia radical tal y como corroboran miles de estudios científicos intemacionales. El problema es que nuestro organismo se deshace rápidamente de los antioxidantes (electrones) transportados por el agua en cuanto entra en contacto con el mismo. Cuando comemos y bebemos, las bacterias en la boca comienzan a descomponer los carbohidratos. En consecuencia, liberan varios tipos de ácidos que bajan el pH de la saliva. Los hábitos de alimentación son uno de los factores que actúan sobre el desequilibrio del pH salival: * - Ingestas frecuente y repetida en espacios cortos de tiempo de alimentos ricos en azucares. Consumo repetido y frecuente de bebidas con pH acido (bebidas carbonatadas, bebidas energéticas, café, alcohol, etc.) ilatar en el tiempo el consumo de bebidas acidas, es decir, si no puedes evitar tomarla hazlo lo más rápido posible. Beber agua después de su consumo ayuda a reequilibrar el pH. 26 Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. TEMA 4 ACIDÉZ Y ALCALINIDAD DEFINICIÓN DE ACIDOS Y BASES Se puede definir como ácido a toda sustancia capaz de donar protones e iones H* a una base, y base será toda aquella sustancia capaz de aceptar esos protones. Cuando un ácido libera un protón se convierte en una base conjugada, y a la inversa, cuando una base acepta un protón sc convierte en un ácido conjugado. Existen varias teorías sobre ácidos y bases, entre ellas la teoría propuesta por: Svante Arrhenius.- Denomina ácidos, a las sustancias que al disociarse dan lugar a protones libres (H*) (por ejemplo el HCI), bases las que al disociarse originan iones hidroxilo (OH”) y sales neutras a los compuestos que originan iones distintos al ión hidrógeno y al ión hidroxilo (por ejemplo el Na Cl). y Brónsted y Lowry.- Propone que un ácido es toda sustancia que puede ceder protones base como toda sustancia capaz de aceptar protones. de electrones y Lewis.- Define a un ácido como toda sustancia que puede aceptar un par base como toda sustancia capaz de ceder un par de electrones. ELECTROLITOS.- Son sustancias que se disocian en iones cuando se disuelven en agua, son capaces de conducir la corriente eléctrica. Los electrolitos están presentes en Mg** y HCOy). Se pueden la sangre como ácidos, bases y sales (como Na*,K*, CI, Ca**, medir en el laboratorio clinico en suero. FUNCIONES DE LOS ELECTROLITOS: Y Sirven como minerales esenciales rtimentos del cuerpo. v Controlan el intercambio osmótico entre los distintos compa Y Ayudana mantener el equilibrio ácido — base del cuerpo Electrolito Funciones J Sodio Na* m Ayudaa la regulación de la hidratación, m Disminuye la pérdida de fluidos por la orina 27 Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. m Participa en la transmisión de impulsos neuromusculares Cloruro Cr L) Necesario para araf mantencr ncl cl balance de agua cn la sangre y fluido intersticial Potasio K* ® ayuda en la función muscular m conducción de los impulsos nerviosos M acción enzimática m funcionamiento de la membrana celular y riñón m conducción del ritmo cardiaco m almacenamiento de glucógeno m yel equilibrio de hidratación Calcio Ca* m Contracción muscular m Coagulación de la sangre =. Liberación de hormonas y el control de la actividad de las enzimas M Permeabilidad de las paredes celulares. = Su deficiencia favorece los calambres " Un nivel mucho mayor de calcio causa alteraciones del ritmo cardiaco o alteraciones que pueden afectar a la actividad cerebral. Fosfato (PO4*) * Los fosfatos constituye parte esencial de los fosfolípidos y proteínas = Intervienen en el transporte de energía: ATP = Ayudanen laregulación acido básica son amortiguadores. ® Y en la composición de células óseas junto al calcio Magnesion (Mg?*5 ) " Comoel calcio! , necesario, para la funci=ón neuromuscular. " Activalas enzimas del cuerpo. ® Ayuda al mantenimiento de la osmolaridad intracelular = Interviene en el proceso de excitabilidad (nerviosa) su carencia provoca desorientación convulsiones y su €XCeso necrosis. Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. EQUILIBRIO ELECTROLÍTICO En la práctica clinica se producen con cierta frecuencia alteraciones del equilibrio 4cido- básico como consecuencia de un gran número de patologías. En la actualidad, el laboratorio dispone de analizadores de gases sunguineos totalmente automatizados y disponibles de forma permanente para detectar y monitorizar estos trastornos. Equilibrio de fluidos en los compartimentos de líquidos corporales, el agua corporal total, el volumen de sangre; espacio extracelular; espacio intracelular, mantenido por procesos en el cuerpo que regulan la ingesta y la excreción de agua y electrolitos, especialmente sodio y potasio.. ¿Cómo se mantiene el equilibrio electrolítico? Los riñones ayudan a mantener las concentraciones de electrólitos filtrándolos, junto con agua, desde la sangre, devolviendo algunos al torrente sanguíneo y climinando los excedentes en la orina. Así, los riñones contribuyen a mantener un equilibrio entre la ingesta diaria y la eliminación de electrólitos y agua. SISTEMAS AMORTIGUADORES FISIOLÓGICOS EN EL CUERPO HUMANO Y EN EL SISTEMA ESTOMATOGNÁTICO Disoluciones reguladoras. Los valores del pH en el organismo se mueven en torno a valores constantes, 7.4 en el medio extracelular. Por debajo de 7.0 o por encima de 7.8 puede sobrevenir la muerte del individuo, razón por el cual, el mantenimiento de la homeostasis ácido — base fisiológica es fundamental. Para lograr esta constancia de pH, el cuerpo humano hace uso de tres diferentes estrategias. Y Amortiguadores fisiológicos (disoluciones reguladoras) Y Ventilación pulmonar Y Filtración renal Fundamento de las disoluciones reguladoras.- Podemos definir disolución reguladora, disolución amortiguadora, tampón o “buffer”, como disoluciones formadas: v Por un ácido débil y la sal de su base conjugada; por Ej., ácido acético/acetato sódico. Y Por una base débil y la sal de su ácido conjugado; por Ej., amoníaco/cloruro amónico. 29 Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. En cualquiera de los casos, se trata de disoluciones que admiten la adición de ácido o base, sin que se modifique el pH de la disolución. Así pues, sc puede definir la capacidad amortiguadora de una disolución reguladora, como la cantidad de ácido o base que puede neutralizar dicha solución. La adición de ácido desplazaría el equilibrio hacia la izquierda, mientras que la adición de base lo haría hacia la derecha, al consumirse los iones hidrógeno. En ambos casos al final del proceso, la concentración de iones hidrógeno libres tenderáa ser igual a la inicial. Solución Buffer.- Son aquellas soluciones que amortiguan los cambios bruscos del pH. Constituidos por ácidos y bases débiles, pero con una de sus sales, que tiene la propiedad de mantener un pH aún en presencia de ácidos (H*) o bases (OH). Un amortiguador acido-basico es una solución de dos o más compuestos quimicos, que evita la producción de cambios intensos en la concentración de iones hidrógeno cuando a dicha solución se le añade un ácido o una base. Un buen ejemplo de estos sistemas es el formado por el ácido carbónico y el bicarbonato sódico cuando ambos se encuentran en una misma solución. En primer lugar, conviene recordar que el ácido carbónico es un ácido muy débil y que cuando se encuentra en una solución, aproximadamente 999 partes de cada 1.000 se disocian en dióxido de carbono y agua, con el resultado final de una elevada concentración de dióxido de carbono disuelto más una pequeña concentración de ácido. REGULACIÓN DEL EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE Cuando a una solución que contiene bicarbonato sódico se le añade un ácido como el ácido clorhídrico, ocurre la siguiente reacción: HCI + NaHCO; H:CO3 +NaGh- Puede observarse cómo un ácido fuerte el clorhídrico es convertido en otro muy débil el carbónico, por lo que la adición de ese ácido fuerte sólo baja ligeramente el pH de la olución. € la misma forma, si agregamos una base fuerte, como el hidróxido sódico, a una olución que contiene ácido carbónico, tendrá lugar la siguiente reacción: NaOH +H:CO3 ———» NaHCO; + H,0 30 Scanned with ACE Scanner  Dra. Carmen Encinas Barrientos. BIOQUÍMICA o del Donde observamos que el ion del hidróxido sódico se combina con el ion hidrógen ácido carbónico para producir agua, formando, además, bicarbonato sódico. El resultado neto del sistema tampón es la transformación de la base fuerte (NaOH) por la base débil (NaHCOs3). Aunque para ilustrar el funcionamiento del sistema tampón hemos utilizado el ácido carbónico y el bicarbonato sódico, cualquier sal de bicarbonato, aparte del sódico, puede desarrollar exactamente la misma función. Por tanto, las pequeñas cantidades de bicarbonato potásico, bicarbonato cálcico y bicarbonato magnésico que existen en los líquidos extracelulares son igualmente eficaces para el sistema tampón del bicarbonato. En el líquido intracelular existe muy poco bicarbonato sódico, y el ion bicarbonato es proporcionado por el bicarbonato potásico y magnésico. Para estudiar el equilibrio ácido-básico de un paciente debemos medir por lo menos dos de estos tres parámetros: pH, pCO2 y HCO3, obteniéndose el restante mediante un cálculo matemático (actualmente los analizadores de gases miden pH y pCO y calculan HCO'). El CO y, consiguientemente el ácido carbónico, cuya concentración es controlada por los pulmones, se denominan de forma genérica componente respiratorio, en tanto que el bicarbonato, que es registrado por los riñones, recibe el nombre genérico de componente metabólico o renal. Entre los amortiguadores de pH del medio interno se consideran: 1° Amortiguador Fosfato.- Puede encontrarse en forma libre (sal inorgánica) o asociado con otras moléculas orgánicas (lípidos, azúcares, etc.). 2° Amortiguador Bicarbonato.- El anión bicarbonato se encuentra en equilibrio con el ácido carbónico, manteniendo un equilibrio con el CO> disuelto, que puede volatilizarse. La concentración de CO> y, por ende, la de H,CO3 pueden ser reguladas a través de la ventilación pulmonar (cuanto menor sea la eliminación de anhídrido carbónico, más aumentará la concentración de ácido. Así mismo, la concentración de bicarbonato puede ser regulada por su eliminación renal. El sistema carbónico / bicarbonato es el principal amortiguador extracelular en la sangre como en los líquidos intersticiales. Ello permite que el pH de la sangre arterial sea de 7.40 y el de la sangre venosa 7.35 (esta presenta mayor concentración de anhídrido carbónico). 31 Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. 3 Proteinas.- Constituyen un sistema regulador del pH sanguíneo junto a los aminoácidos. El poder amortiguador de las proteínas se basa en su composición aminoacídica. La a verdadera importancia la adquieren en el interior celular. Son buenos amortiguadores diferentes valores de pH 4° Hemoglobina.- Dentro del grupo de las proteinas, se destaca la hemoglobina por su importancia en la respiración y su abundancia en la sangre (eritrocitos). El sistema regulador es el constituido por las dos formas individuales reguladoras, hemoglobina y oxihemoglobinato/oxihemoglobina, el lugar de regulación del amortiguador hemoglobina es en el interior del eritrocito. 5 Sistema Fosfato y Bicarbonato en la saliva.- La saliva es capaz de neutralizar ácidos y amortiguar variaciones de pH gracias a los amortiguadores bicarbonato/ ácido carbónico y fosfato inorgánico. En la saliva estimulada aumentan las concentraciones de bicarbonato/ ácido carbónico y en saliva no estimulada se eleva las concentraciones de fosfatos inorgánicos. ALTERACIONES DEL EQUILIBRIO ÁCIDO BASE ACIDOSIS.- Es la disminución del pH en el organismo, puede clasificarse en: acidosis metabólica y acidosis respiratoria. a) Acidosis Metabólica.- En la acidosis metabólica el riñón no elimina el exceso de iones hidrógeno y no recupera una cantidad suficiente de bicarbonato. Un nivel disminuido de bicarbonato en presencia de una pCO; normal produce una disminución de la relación entre el bicarbonato y el ácido carbónico (menos de 20:1), por lo que crea una reducción del pH. Causa de esta alteración: puede deberse a una excesiva combustión de grasas, motivada por enfermedades como la Diabetes Mellitus, hipertermia, la intoxicación ácida (por jemplo, el ácido acetilsalicilico o aspirina) y la acidosis láctica por sobrecarga muscular. Cataboli smo de las proteiinas, que conllevan a un aumen to de la producción de ácidos orgánicos como el ácido láctico, o los ácidos grasos. 32 Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. la Estos ácidos liberan protones, que son los responsables de la disminución del pH en acidosis. Tratamiento: Tratamiento clínico con infusiones de bicarbonato. b) Acidosis Respiratoria.- La acidosis respiratoria se caracteriza por la incapacidad de los pulmones para climinar todo el CO; producido por el organismo, por lo que la pCO2 aumenta y la existencia de un nivel normal de bicarbonato produce una disminución en la relación bicarbonato / ácido carbónico. Causas de esta alteración: Insuficiencia en la ventilación pulmonar, hipoventilación, bronquitis crónica, intoxicación por barbitúricos, respiración asistida mal estimada y asfixia. La compensación en este caso, se producirá porque el riñón eliminará una mayor cantidad de H*, engendrando de este modo, un incremento del bicarbonato. Tratamiento: Aumento del volumen de ventilación o respiración pulmonar, utilizando cualquier aparato que facilite al enfermo la ventilación con respiración asistida. ALCALOSIS.- Se denomina alcalosis al aumento del pH en el medio interno, puede clasificarse en alcalosis metabólica o respiratoria. a) Alcalosis Metabólica.- La alcalosis metabólica se caracteriza por la presencia de bicarbonato en exceso y puede o de la producirse como consecuencia del agotamiento del ácido en el organismo o de bicarbonato ingestión de un exceso de base. En estas condiciones, un nivel aumentad bicarbonato / se asocia a una pCO2 normal y el resultado es un aumento en la relación ácido carbónico, lógicamente con la elevación del pH sistémico. la pérdida de HCI), Causas de este trastorno: Se mencionan, los vómitos continuos (con enada de el lavado gástrico, el exceso de medicación diurética y la ingestión desord sustancias alcalinas. el equilibrio entre bases y En todos estos casos el sistema reaccionará para restablecer tilación ácidos y normalizar el pH. El centro de control respiratorio inducirá una hipoven con retención de COz y, por tanto, de nuevo se compensa el aumento del bicarbonato con aumento de la pCO2. 33 Scanned with ACE Scanner  BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos, Tratamiento: Infusión al paciente de una disolución isotónica, ligeramente ácida, por ejemplo: HCI diluido, ácido láctico, etc. b) Alcalosis Respiratoria.- Por último, la alcalosis respiratoria sc producc por una climinacién excesiva de CO; a través de los pulmones. De nuevo, la reducción de la pCO2 con niveles normales de bicarbonato aumenta la relación entre bases y ácidos, por lo que se eleva el pH. Causas más frecuentes de cste trastorno: Sc produce por hiperventilación pulmonar, debidas a insuficiencia cardiaca, ficbre alta, estados de ansicdad, anoxia e intoxicación por ciertos fármacos. En este caso, la compensación la establecen los riñones, reduciendo la producción de bicarbonato. En términos generales, cuando el trastorno primario es metabólico (renal), la compensación es respiratoria y se produce inmediatamente. Por el contrario, cuando la alteración primaria es de origen respiratorio, la compensación es metabólica y los mecanismos renales que se ponen en marcha requieren varios días para llevar a cabo dicha compensación. Compensación: Aumentando la eliminación del anión bicarbonato en el riñón para disminuir el pH del medio interno. Tratamiento: Colocar una bolsa de plástico o papel que cubra las vías respiratorias externas (boca y fosas nasales) obligando al paciente a respirar aire rico en anhídrido carbónico. DISOLUCIONES QUÍMICAS Y SUS COMPONENTES Disolución.- Se define como una combinación homogénea de partícu las, moléculas e iones, en los que la fase dispersa tiene sus partículas con un diámetro inferior a 10 A. Una disolución es una mezcla homogénea formada por dos o más sustancias puras que no reaccionan químicamente entre sí. Una de estas sustancias es el disolvente y la otra (o las otras) es el soluto. La distinción entre soluto Y solven te es un poco arbitraria, pero por lo general se toma el soluto como el componente que está en menor cantidad y el solvente como el componente que está en mayor cantidad en la disolución. Las soluciones están constituidas por dos componentes: Soluto.- Es la sustancia que se disuelve y constituye la denominada fase disc o - ontinua de disolución y se encuentra en menor proporción que el solvente. 34 Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. Disolvente o Solvente.- Es el medio en el que se disuelve el soluto, y constituye la fase continua. En general se denomina disolvente, al componente presente en mayor proporción. Por otra parte, una suspensión.- Se define como una mezcla heterogénea que puede ser separada fácilmente por filtración, donde el tamaño de las partículas es grande, razón por el cual puede sedimentar con facilidad. Por el contrario, una verdadera disolución no sedimenta. Pero sin embargo partículas pequeñas pueden pasar a través de todos los filtros corrientes, son invisibles al microscopio óptico, no sc depositan ni por periodos largos en reposo, sólo se logra que sedimenten tras ultra centrifugación. A estas pseudodisoluciones se las denomina dispersiones o disoluciones coloidales, y se los puede definir como sistemas heterogéneos, sin separación de fases. CLASIFICACIÓN DE LAS DISOLUCIONES Por la relación que existe entre el soluto y la disolución, algunos autores clasifican las disoluciones en diluidas y concentradas, las concentradas se subdividen en saturadas y sobre saturadas. Disoluciones diluidas. Poco soluto en la misma cantidad de disolvente. Disoluciones concentradas. Abundante soluto en la misma cantidad de disolvente. se pueda Disoluciones saturadas. Logran el equilibrio entre soluto y disolvente, sin que presión. añadir más soluto, al menos en ciertas condiciones dadas de temperatura y del que tendría Disoluciones sobresaturadas. Son disoluciones que contienen más soluto atura de una la disolución saturada a cierta temperaturay presión. Si se aumenta la temper deja enfriar lentamente, se disolución saturada, es posible agregar más soluto, pero si se puede transformar en una disolución sobresaturada. Soluciones Porcentuales: etc. Llamada también soluciones “al tanto por ciento”, ejemplo 10%, 20%, 30%, expresada en Se definen como aquellas que tienen una cantidad conocida de soluto gramos, disueltos en 100 partes o ml de disolución. a) Soluciones Peso — Volumen PV Son las que tienen el soluto expresado en peso y el solvente en volumen 35 Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos Ejemplo: Solución de NaCl al 8%, lo que significa que la solución tiene 8g. contenidos en 100 ml de solución. Para preparar esta solución se pesan 8 g. de NaCl y se añade el solvente (H20) en cantidad suficiente para hacer 100 ml. b) Soluciones Volumen — Volumen 174 Tiene el soluto expresado en volumen, en 100 partes de solución expresado en volumen. Ejemplo: Solución V/V de alcohol al 25%. Se mide el volumen de soluto y se añade el solvente en cantidad suficiente para hacer 100 ml. c) Soluciones Peso - Peso P/P Son las que tienen el soluto expresado en peso contenidos en 100 partes de solución, N expresado también en peso. Ejemplo: Solución P/P de glicerol al 30%. Existen 30 g. de glicerol y H2O en cantidad suficiente para hacer 100 g. 36 Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. UNIDAD 11 ELEMENTOS INORGANICOS Y MECANISMOS DE REACCIÓN TEMA 5 CALCIO, FÓSFORO Y SU METABOLISMO INTRODUCCIÓN Dentro de los minerales que necesitamos consumir en la dieta, se encuentran el calcio y el fósforo. Ambos tienen funciones esenciales en el organismo, como por ejemplo formar la estructura de huesos y dientes, lo que hace que se requieran en cantidades relativamente altas comparadas con otros minerales, El calcio tiene numerosas otras funciones en el organismo, por ejemplo en la acción de las hormonas y en la coagulación sanguínea. El fosforo es esencial para la formación de moléculas muy importantes que tienen que ver con el manejo de la energía y el metabolismo dentro de las células. CALCIO. Este macromineral es el cuarto componente del cuerpo después del agua, las proteinas y las grasas, forma parte importante del esqueleto y los dientes. Supone alrededor del 2% del peso corporal. El ión calcio regula los procesos fisiológicos y bioquímicos, incluyendo: la excitabilidad neuromuscular, la coagulación sanguinea, los procesos secretorios, la integridad de las membranas y el transporte en la membrana plasmática, las reacciones enzimáticas, la liberación de hormonas y neurotransmisores. FUNCIONES EN EL ORGANISMO Y SISTEMA ESTOMATOGNÁTICO * Escsencial para el desarrollo y crecimiento de huesos sólidos y dientes sanos. Favorece la contracción muscular y por ende la contracción del corazón. e — Interviene en la transmisión de impulsos nerviosos, relacionado con las hormonas. * - Reducc el colesterol y disminuye los calambres. e Favorece la coagulación de la sangre. * - Regula el equilibrio ácido — base de la sangre evitando que se vuelva muy ácida, de esta forma neutraliza la acidez que normalmente se produce en el metabolismo de las proteínas. 37 Scanned with ACE Scanner  BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos, DISTRIBUCIÓN DEL CALCIO EN EL CUERPO El cuerpo humano contiene más calcio que cualquier otro mineral esencial. Se encuentra en el hueso y en el liquido extracelular. Aproximadamente existe un kilogramo de calcio por organismo. Pero el 99% se encuentra en huesos y dientes. El calcio se deposita en el esqueleto en forma de hidroxiapatita Cal0 (PO4)6 (OH)2, proporcionando el componente inorgánico y estructural del esqueleto, pero también existen mínimas cantidades de fosfato de calcio, carbonato de calcio, proteínas y glucoproteínas, de este modo el hueso constituye la principal reserva de calcio. Como el hueso es remodelado constantemente, una persona promedio pierde 400 a 500 mg de calcio por día. Si la alimentación de un individuo es baja en calcio, es posible que no haya una cantidad disponible de calcio en sangre para ser devuelto a los huesos, a fin de que los huesos mantengan su resistencia y el organismo se mantenga sano. El calcio en el plasma sanguíneo se encuentra en tres formas: * Unidoa bicarbonato, citratos o fosfatos en un 10%. * Unidoa proteinas en un 40%. * Comocalcio iónico libre en un 50%, el único fisiológicamente activo. La unión del calcio con las proteínas plasmáticas depende del pH, por esta razón la acidosis favorece la forma ionizada, mientras que la alcalos is incrementa la fijación, causando reducción del Ca+2. Es probable que esta sea la causa del entumecimiento y hormigueo relacionados con el síndrome de hiperventila ción, provocando una alcalosis respiratoria aguda. BALANCE DE CALCIO Más que la cantidad de calcio aportada por la dieta tiene importancia la fracción neta absorbida en el intestino, la cual varía en condi ciones fisiológicas (adaptación al aporte de calcio en la dieta, edad, embarazo y lactancia). En condiciones normales, con una ingestión cálcica de 1.000 mg, la verdadera absorción sería de unos 300 mg y el calcio fecal endógeno de 125 mg, con lo cual la absorción neta de calcio sería tan sólo de unos 175 mg/día, similar a la excreción urinaria de calcio en un individuo, alcanzándose así un balance metabólico de calcio equilibrado. El calcio se absorbe en el tubo digestiv