Biofísica del Agua y sus Interacciones con el Sistema Biológico - 2024

Biofísica del agua y Ms.C. Jorge Luis Plasencia Cuba sus interacciones con Departamento de Ciencias Básicas el Sistema biológico. Facultad de Medicina Estado ácido – base. Universidad de Trujillo - 2024  El hombre está constituido por alrededor de c...

Biofísica del agua y Ms.C. Jorge Luis Plasencia Cuba sus interacciones con Departamento de Ciencias Básicas el Sistema biológico. Facultad de Medicina Estado ácido – base. Universidad de Trujillo - 2024  El hombre está constituido por alrededor de cien billones de células (1014 células) con mayor o menor ESTRUCTURA GENERAL grado de diferenciación según la estructura de la que formen parte. Sin embargo, todas ellas DEL HOMBRE COMO compraten algunas características, como el hecho de estar separadas del medio que las rodea por una SISTEMA INTEGRADO membrana (la membrana plasmática). Esto define dos grandes compartimientos corporals: el intracellular (IC) y el extracellular (EC).  1) Termodinámicamente, el hombre es una máquina. 2) El hombre es un Sistema integrado que puede representarse como un compartimiento subdividido a su vez en una serie de compartimientos internos. El 60% del peso corporal de un individuo está constituido por agua. Los grandes compartimientos del organismo  LA HOMEOSTASIS Balance de AGUA y solutos en el hombre Introducción a la Biofísica del Agua  AGUA Su abundancia en los seres vivos (70% como término medio) depende de: – Edad. A más edad, menos agua. – Actividad biológica. A más actividad, más agua El agua se encuentra en la materia en tres formas distintas: circulante, intracelular e intersticial Continua renovación del agua en el organismo ESTRUCTURA DEL AGUA DIPOLAR COHESIÓN MOLECULAR El enlace de H (puente de hidrógeno) La molécula de agua posee un momento dipolar causado por la desigual compartición de electrones DIPOLO El oxígeno al ser más electronegativo que el hidrógeno atrae más los e- compartidos en los enlaces covalentes con el hidrógeno, cargándose negativamente, mientras que los átomos de hidrógeno se cargan positivamente. Esto genera 2 cargas – en la zona del oxígeno y 1 + en cada hidrógeno.  Composición y estructura molecular 1. Unión covalente de un átomo de O y dos de H. 2. Carácter bipolar de la molécula, por diferencia de electronegatividad. 3. Estructura reticular por la formación de puentes de H. H 2O El agua tiene dos polos: positivo y negativo aunque en conjunto es eléctricamente neutra (no es positiva ni negativa). NEGATIVO - - O H + H POSITIVO +  Cada molécula de agua es como - un pequeño imán - O + H H + H + - O H2O Los polos opuestos se H atraen - + Por ello las moléculas de agua se atraen y se unen entre sí (estructura reticular) Hay unas uniones entre las moléculas de agua  Una molécula de agua puede participar en hasta 4 puentes de hidrógeno: 2 a través del átomo de oxígeno y uno por cada átomo de hidrógeno AGUA  AGUA: BIOMOLÉCULA INORGÁNICA PROPIEDADES FUNCIONES Elevada constante Disolvente universal dieléctrica Termorregulador Elevado calor específico y Su cohesion molecular por lo tanto elevadas permite el retorno propiedades térmicas venoso Elevada capilaridad Elevada tensión superficial Densidad máxima a 4oC Bajo poder de disociación o autoionización  El agua: disolvente universal SOLUTO DISOLVENTE (H2O) Recuerda que DISOLUCIÓN = DISOLVENTE + SOLUTO  Cuando el agua líquida entra en contacto con algunas sustancias, éstas se disuelven SOLUTO SOLUTO SOLUTO  Esto se debe a la atracción entre polos negativos y positivos del agua y el + + soluto + - + - + - + - + - + SOLUTO - + - + - - + - + + + + - - - + - + - - - + + + - - - + + + - - + - - - - SOLUTO + - - - - + SOLUTO - - + - - - + - - - + + + INCOLORA, INODORA, INSÍPIDA ¿No lo sabes? Una de estas jarras contiene agua destilada y otra agua de mar ¿Cuál de ellas es agua de mar? El aspecto del agua salada es el mismo que el del agua destilada Recuerda que una disolución es una mezcla homogénea El agua como disolvente en los seres vivos El agua permite que las plantas tomen del suelo, gracias a las raíces, sales minerales disueltas. La savia elaborada es una disolución de moléculas orgánicas que desde las hojas van al resto de la planta El agua como disolvente en los seres vivos CORAZÓN El corazón es una bomba que impulsa la sangre Plasma: Permite que sustancias disueltas circulen por todo nuestro organismo (nutrientes, desechos, CO2) El agua como disolvente en los seres vivos Orina: Agua con desechos celulares disueltos El agua como disolvente en los seres vivos Agua con oxígeno (O2) Opérculo (bajo él están las branquias) Branquias de un pez El agua disuelve oxígeno, necesario para los animales acuáticos  El agua como disolvente en los seres vivos El agua disuelve el CO2 necesario para que las algas hagan CO2 la fotosíntesis O2 Algas  ELEVADO CALOR ESPECÍFICO Necesita mucho calor para que su T aumente 1ºC  El agua puede absorber gran cantidad de calor para romper puentes de hidrógeno. Una vez rotos, la temperatura se eleva al aumentar el movimiento de las moléculas. Por ello, la T se eleva muy lentamente. Así se: Amortigua los cambios bruscos de T en los seres vivos. Aunque las reacciones celulares producen calor, la T del ser vivo no aumenta.  ALTO CALOR DE VAPORIZACIÓN Agua líquida Suministramos calor. 1º para romper puentes de H. 2º para dotar a las moléculas de suficiente E cinética y así pasar de fase líquida a vapor. Vapor de agua (gas) En el estado gaseoso, las moléculas están muy separadas, y se mueven continuamente de un lado para otro.  El sudor es principalmente agua con sales minerales disueltas La evaporación del agua líquida absorbe mucho calor (alto calor de vaporización). Así la evaporación del sudor hace que disminuya la temperatura corporal. Elevado calor específico y de vaporización El agua puede absorber grandes cantidades de "calor" que utiliza para romper los puentes de hidrógeno por lo que la temperatura se eleva muy lentamente. Análogamente ocurre para evaporar el agua , primero hay que romper los puentes de hidrógeno y, posteriormente dotar a las moléculas de agua de la suficiente energía cinética para pasar de la fase líquida a la gaseosa. Para evaporar un gramo de agua se precisan 540 calorías, a una temperatura de 20ºC. MAYOR DENSIDAD DEL AGUA LÍQUIDA  Al disminuir la T, los cuerpos contraen su volumen y por tanto aumentan su densidad. Esto también ocurre en el agua, pero al llegar a 4ºC, cesa la contracción y empieza a dilatarse hasta transformarse en hielo a 0ºC. EXCEPCIÓN EN EL AGUA ENTRE 0º y 4ºC: Al bajar T desde los 4ºC, los átomos se separan, aumenta volumen y baja densidad, hasta llegar a 0º, punto de congelación. POR TANTO, EL HIELO TIENE MENOR DENSIDAD QUE EL AGUA LÍQUIDA HIELO: átomos más separados formando hexágonos. Más volumen. Menos densidad. AGUA LÍQUIDA: átomos más juntos. Menos volumen. Más densidad  Átomos separados formando Átomos más juntos. Menor hexágonos. Mayor volumen y volumen y más densidad menor densidad  Estructura del hielo ▪ Cada molécula de agua forma el máximo de 4 puentes hidrógeno en una red cristalina regular. ▪ En el agua líquida, cada molécula forma un promedio de 3.4 puentes hidrógeno con otras moléculas de agua. ▪ La red cristalina del hielo ocupa mas espacio que el mismo número de moléculas de agua líquida. El hielo es menos denso que el agua líquida y por eso flota. Dilatación anómala del agua ¿Por qué el hielo flota en el agua líquida si la densidad en los sólidos aumenta con respecto a los estados líquidos?  El hielo flota sobre el agua líquida: capa superficial termoaislante. Alta reactividad química Bajo grado de ionización Se ioniza y proporciona al medio H+ y OH- para reacciones celulares ( se ioniza 1 molécula de cada 550 millones)  Un ion hidrógeno se disocia de su átomo de oxígeno de la molécula (unidos por Rotura del enlace covalente) y pasa a unirse con el enlace átomo de oxígeno de la otra molécula, con la que ya mantenía relaciones covalente mediante el puente de hidrógeno Hidroxilos Hidrogeniones  IONIZACIÓN DEL AGUA H2O + H2O H3O+ + OH- + + + - El agua pura estará formada por moléculas de agua y una pequeña cantidad de iones hidroxilos e hidronios + - Ión En las células sirven hidroxilo para las reacciones de hidrólisis Ión hidronio  Bajo grado de ionización. De cada 551000000 de moléculas de agua, sólo una se encuentra ionizada: Por eso, la concentración de iones hidronio (H30+) e hidroxilo (OH-) es muy baja, concretamente 10-7 moles por litro ([H30+] = [OH-] = 10-7). Dados los bajos niveles de H30+y de OH- , si al agua se le añade un ácido (se añade H30+) o una base (se añade OH-), aunque sea en muy poca cantidad, estos niveles varían bruscamente. En las células, el agua proporciona los hidroxilos y los hidrogeniones necesarios para las reacciones de hidrólisis, en las que se rompen enlaces de moléculas con intervención del agua Elevada fuerza de adhesión Elevada tensión superficial MUCHAS GRACIAS