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Conocimentos básicos de bioquímica, preparación para examenes de admsión
Tipo: Resúmenes
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l agua es la molécula más abundante en la super- ficie de la Tierra, donde cubre alrededor del 71%. Por este motivo, nuestro planeta fue nombrado “planeta azul” por uno de los primeros astronautas, que viajó a la Luna al referirse al color azul de los océanos. La molécula de agua es la más abundante de todas las que integran a los seres vivos. La inmensa mayoría de las células están constituidas de 80% de agua y el res- to de todas las demás moléculas. En consecuencia, los seres vivos intercambian con su medio externo, mayor número de moléculas de agua que de todas las demás moléculas juntas. Es esencial para la supervivencia de todas las formas conocidas de vida, es decir, no puede haber vida sin ella, ni siquiera los microorganismos (que son las células más sencillas), podrían sobrevivir sin agua. Las características de la molécula de agua ejercen gran influencia en la estructura, organización y funciona- miento de los seres vivos. El término agua, generalmente, se refiere a la sustan- cia en su estado líquido , pero la misma puede hallarse en su forma sólida , llamada hielo, y en forma gaseosa , denominada vapor. Se localiza principalmente en los océanos, donde se concentra el 96.5% del agua total, los glaciares y casquetes polares poseen el 1.74%, los depósitos subterráneos (acuíferos), los permafrost y los glaciares continentales suponen el 1.72% y, el restante 0.04% se reparte en orden decreciente entre lagos, humedad del suelo, atmósfera, embalses, ríos y se- res vivos. El agua es un elemento co- mún del sistema solar, hecho confirmado en descubrimientos recientes. Puede ser encontrada, principalmente, en forma de hie- lo; de hecho, es el material base de los cometas.
Figura 2.1 La proporción de agua en el planeta Tierra y en los seres humanos es muy semejante.
Figura 2.2 Los tres estados del agua: sólida (hielo), líquida y gaseosa (vapor).
Unidad 2 UAS
El agua constituye un 70% de nuestro peso corpo- ral, el 28% en los huesos, y un 85% en las células cere- brales. En algunos animales como los peces, constituye de un 65-80%; en las me- dusas un 80% y un 40% en algunos insectos. En plan- tas como la papa constituye un 80% y en una manzana el 85%. Durante la fotosíntesis, el agua es la molécula que reacciona con el bióxido de carbono en las plantas verdes, algas y bacterias fotosintéticas, para formar alimentos y además el oxí- geno, contenido en el aire que respiramos. Sus átomos de hidrógeno se incorporan a muchos compuestos or- gánicos como por ejemplo a los carbohidratos. El agua es líquida a la temperatura ambiente, con gran capacidad como disolvente del resto de los componentes celulares, como son las proteínas, los ácidos nucleicos, los carbohidratos, etc. Esta extraordinaria molécula es el disolvente de la mayoría de las reacciones biológicas. Ade- más, es un producto o un reactivo de numerosas reacciones químicas. El agua es importante den- tro de los seres vivos, así como también es uno de los princi- pales factores ambientales que influyen sobre ellos. Muchos organismos viven en el océa- no, en los ríos, lagos, charcos, pantanos o estanques de agua dulce. Todos los organismos requieren el agua para vivir, aunque algunos tengan la ca- pacidad de convertirse en for- mas latentes para sobrevivir a sequías extremas. Tal es el caso de los artrópodos del gé-
Figura 2.3 El porcentaje de agua en las medusas y en algunas plantas es 80%, en las células cerebrales es de 85%, mientras que en los huesos solo es el 28%.
Figura 2.4 Los tardígrados “osos de agua” son animales muy peque- ños que miden menos de 1 mm de longitud, viven en hábitat húme- dos. Cuando experimentan desecación, adoptan forma de barril y permanecen así, inmóviles pero vivos, hasta por 100 años. Cuando se rehidratan recuperan su aspecto y actividades normales.
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hidrógenos difiere un poco del ángulo del te- traedro ideal que es de 109.5 grados. El amo- niaco también es un te- traedro con un ángulo de 107 grados entre sus hidrógenos. Al atraer fuertemente el átomo de oxígeno a los electro- nes de valencia, estos quedan más cercanos al oxígeno que al hidróge- no. Existen dos pares de electrones del oxígeno que no se comparten. Los dos átomos de hidró- geno ceden su electrón al oxígeno, con lo cual se favorece la formación de una carga parcial negati- va, que se expresa con la letra griega delta (d) del lado del oxígeno y una carga parcial positiva (d +) del lado de los hidrógenos, esta es la razón por lo que la molécula de agua se comporta como un dipolo eléctrico. Cada molécula de agua se orienta en el espacio acomodando su carga negativa en interacción con una carga positiva de otra molécula de agua, es decir quedan unidos el oxígeno y el hidró- geno (dado que el oxígeno es electronegativo y el hidrógeno es electropositivo) median- te un enlace conocido como puente de hidrógeno o enlace hidrogenado. Cada molécula de agua es- tablece cuatro puentes de hi- drógeno. El oxígeno de cada molécula de agua acepta dos puentes de hidrógeno. A su vez, cada uno de los dos hi- drógenos de una molécula de agua, forma un puente de hidrógeno con el oxígeno de otra molécula.
Figura 2.7 Representación de la estructura de la molécula de agua, colocada en un tetraedro.
Figura 2.8 Puente de hidrógeno entre dos moléculas de agua represen- tado por la línea punteada. Este enlace une un átomo de oxígeno que es electronegativo a uno de hidrógeno que es electropositivo. La letra delta (δ) es utilizada para especificar que se trata de cargas parciales.
DGEP Agua, ph y electrólitos
La mayoría de las mo- léculas del agua líquida forman puentes de hidró- geno entre sí y presentan elevada atracción entre ellas. Tal vez, la mejor re- presentación escrita del agua líquida no sea H 2 O sino (H 2 O)n, en donde n se- ría el número de molécu- las que tienen puentes de hidrógeno con sus molé- culas vecinas. Los estudios con rayos X le dan un valor de 3.4, lo que implica un predominante carácter te- traédrico de su estructura. Debido a la alta polari- dad que presenta la mo- lécula de agua, es la que mayor capacidad tiene para formar los puentes de hidrógeno. Se sabe que el agua líquida a 0 oC tiene 15% menos puentes de hi- drógeno que el hielo y también se sabe que los puentes de hidrógeno en el agua líquida están continua- mente formándose, rompiéndose y volviéndose a formar, es un sistema dinámico. En la estructura del hielo se ob- serva el arreglo tetraédrico de las moléculas del agua, debido a la existencia de los puentes de hidró- geno entre las propias moléculas. Es aparente la carencia de una estricta rigidez en el arreglo tetraédrico per- mitiendo lo que se ha llamado una estructura “abierta” del agua en el hielo, que explica la menor densi- dad que presenta el hielo compara- da con la del agua líquida. La densi- dad del hielo es de 0.92 g/ml y la del
Figura 2.9 Cada molécula de agua participa en 4 puentes de hidrógeno con moléculas adyacentes.
Figura 2.10 El hecho de que el hielo flote en los océanos, lagos y ríos, es debido a su menor densidad y favorece el calentamiento de enormes masas de agua por el Sol, con lo que la temperatura de la Tierra se preserva más elevada y con menores fluctuaciones.
Puentes de H hidrógeno
H
O
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Esta energía es alta para el agua (1 cal/g), comparándola con otros lí- quidos. Se aprovecha esta propiedad del agua usándola como enfriador en los motores de automóviles y en los sistemas de calefacción de los edificios. La humedad de los bosques es im- portantísima para mantener con me- nores cambios de temperatura a di- cho ecosistema, en comparación con lo que se observa en los desiertos. En los mamíferos ayuda a mante- ner la temperatura homogénea en el cuerpo mediante el bombeo cons- tante de sangre mediante el múscu- lo cardiaco hacia los tejidos, debido a que el plasma (componente líquido de la sangre) contiene 90% de agua, es decir, el componente más abundante de la sangre es el agua.
Figura 2.15 El arreglo molecular del agua en el estado sólido (hielo) y en el estado líquido. En el estado líquido las moleculas de agua se encuentran en constante movimiento.
Figura 2.13 La humedad que obser- vas en este bosque evita cambios bruscos de temperatura.
Figura 2.14 El plasma contiene en su gran ma- yoría moléculas de agua y ésta al estar circu- lando en los te- jidos, mantiene la temperatura homogénea en el organismo.
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poder fundir (pasar de hielo a líquido) 18 gramos de agua se necesitan 80 cal/g. Este es un valor elevado comparado con otras sustancias. Este calor de fusión es el necesario para que las moléculas del sólido (hielo) que presentan un orden continuo debido a las fuerzas de atrac- ción, adquieran energía cinética para que pasen a un orden discontinuo carac- terístico del líquido.
En los seres vivos, el alto calor de fusión del agua proporciona un sistema eficiente de pro- tección contra el congelamiento. Para congelar un mol de agua (18g) se necesita remover la misma cantidad de energía que se absorbe al descongelarlo; por esta razón, y aunque parez- ca contradictorio, cuando en los invernaderos ha bajado la temperatura de una manera con- siderable y los vegetales pueden dañarse por el frío extremoso, si no se dispone de otra fuente de calor, se introduce hielo en ellos para que al ocurrir el descongelamiento se libere calor y, de esta manera, subir la temperatura.
Cuando el agua hierve, se rom- pen muchos enlaces hidrógeno , por lo que se forma una nube de vapor compuesta de pequeñísimas gotas de agua. Si se rompen la mayor parte de los enlaces hidrógenos restantes, las moléculas comienzan a moverse libre- mente como vapor de agua (un gas).
Figura 2.16 La introducción de hielo al inverna- dero eleva la temperatura, porque al fundirse el hielo se libera calor.
Figura 2.17 Evaporación del agua.
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la velocidad a la cual fluye a través de un tubo capilar. Un líquido es menos viscoso mientras más rápido fluya. La viscosidad del agua es alta en relación con su peso molecular, pero es compensada por la ad- hesividad y capacidad de mojar superfi- cies. En un capilar, la capacidad de mojarlo y su fuerza adhesiva hacen que el agua suba por el capilar y debido a la tensión superfi- cial y viscosidad de la misma agua, las mo- léculas del seno del líquido “siguen” a las de la superficie en su ascenso por el capilar. El proceso no depende de una fuente externa de energía y su límite depende del diáme- tro del capilar y la fuerza de gravedad.
La capilaridad explica la tendencia del agua a avan- zar por tubos estrechos, incluso en contra de la fuerza de la gravedad. Esta acción es la que hace que el agua avance en los espacios microscópicos que hay entre las partículas del suelo hasta las raíces de las plantas. En un tubo de mayor diá- metro, el porcen- taje de moléculas de agua que tienen contacto con la pared de vidrio es menor por lo que la adhesión no es suficientemente fuerte como para superar la cohe- sión de las molé- culas de agua, en consecuencia el agua asciende sólo un poco. La capilaridad la encontramos ampliamente difundida en la naturaleza: en las raíces de las plantas, en los tallos, en la cir- culación de los líquidos de los animales, etc. Es impresionante como el agua puede ascender más de 100 metros de altura en los árboles, desde los pelos absorbentes de las raíces, hasta la copa del árbol, sin necesitar de un sistema de bombeo.
Figura 2.21 El nivel del agua (la altura) dentro del capilar de la izquierda es ma- yor, el del capilar del centro es menor y el de la derecha es todavía menor. ¿Es di- rectamente o inversamente proporcional el nivel del agua al diámetro del capilar?
Figura 2.20 Observa como el agua asciende a través del tubo capilar y esta está determinada por la ad- hesividad que se muestra amplificada a la derecha.
Figura 2.22 La acción capilar es una de las fuerzas que sube el agua de la raíz de las plantas y la transporta hacia tallos y hojas. El agua ascien- de hasta 100 metros de altura en es- tos árboles gigantes.
Tubos capilares Atracción adhesiva
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A continuación se citan algunos líquidos con su constante dieléctrica correspondiente a 20o^ C, para que los compares con la del agua.
Metanol ---------------- 33 Etanol------------------- 24 Benceno ---------------2. Hexano -----------------1.
Sacarosa + H 2 O glucosa + fructosa
El agua es la molécula a la que se le iden- tifica como el solvente universal, debido a su capacidad de disolver mayor cantidad de sus- tancias, que cualquier otro solvente. El com- portamiento del agua como solvente univer- sal es explicado por la constante dieléctrica que presenta, por su capacidad de hidrata- ción y la posibilidad de romper los puentes de hidrógeno de las moléculas que disuelve. La atracción electrostática de iones con cargas opuestas disminuye 80 veces (cons- tante dieléctrica del agua) al ser colocados en el agua. Un ión positivo en el seno del agua atrae las cargas negativas de las molé- culas de agua, las cuales llegan a acomodar-
Figura 2.23 El ión positivo, en este caso el ión sodio (Na+) atrae las cargas negativas de las moléculas de agua.
Hidrólisis
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ión o como parte de una molécula de agua. Por cada ión de hidrógeno e hidroxilo en el agua pura hay 1.8 miles de millones de moléculas de agua. Cada molécula de agua se disocia en un ión hidrógeno y otro hidroxilo, por lo que las concen- traciones en el agua pura son exactamente iguales (0.0000001 que también se expresa 1 x 10 - moles por litro de cada ión). Cuando son las mismas concentraciones de los dos iones, esta es una solución neutra , es decir no es ácida ni básica (alcalina). Para calcular esta concentración, se hizo de la siguiente manera:
Los corchetes representan las concentraciones molares y k es la constante de disociación. Debido a que un mol de agua pesa 18 gramos, por lo tanto un litro que es equivalente a 1000 gramos, contiene 1000/18 = 55.56 mol. Así que el agua pura es 55.56 molar. Puesto que la probabilidad de que un hidrógeno en agua pura exista como un ión hidrógeno es de 1.8 x 10 -9^ , la concentración molar de los iones H +^ (o de iones OH -^ ) en agua pura, es el producto de la pro- babilidad que es 1.8 x 10 -9^ por la concentración molar del agua que es 55.56 mol/L. El resulta- do es 1.0 x 10 -7^ mol/L. Un ácido es una sustancia que al estar en solución se disocia para producir iones hidrógeno. Al disociarse una molécula de agua produce un ion hidrógeno. Una base se define como un aceptor de protones. El ion hidroxilo puede actuar como base al aceptar un protón (H +^ ) para formar agua. También son consideradas bases aquellas sustancias que liberan grupos OH -^. Por cada molécula de agua, se libera un grupo OH -^. Por lo tanto, el agua actúa tanto como ácido y como base. El grado de acidez de una molécula se acostumbra expresarlo en términos de pH. Este se defi- ne como el logaritmo negativo (en base 10) de la concentración de iones de hidrógeno, expresa- da en moles por litro. Esta definición la introdujo Sorensen en 1909.
pH = -log [H+^ ] Para el agua pura a 25 °C, pH = -log 10-7^ = -(-7) = 7. pH= 7
Este valor (7) es considerado neutro dado que la concentración de iones H+ es semejante a la concentración de iones OH-.
La escala de pH permite medir la concentración de iones hidrógeno de 10-14^ M (molar) hasta 1.0M (molar) y se basa en la disociación del agua. El pH del plasma sanguíneo tiene un valor de 7.35-7.45 y es muy importante conservar este valor dentro de límites muy estrechos.
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Las soluciones neu- tras (pH = 7) son las que tienen la misma concen- tración de H +^ y OH-^. Las soluciones ácidas (tienen valores de pH inferiores a
Figura 2.25 La escala de pH es de 0 a 14. A la derecha se muestran los valores de pH de algunas sustancias comunes.
Figura 2.26 El hidróxido de magnesio y el hidróxido de aluminio son sustancias básicas que disminuyen la acidez estomacal.
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En el caso del ser hu- mano, el agua es el com- puesto más abundante y está distribuida en dos grandes compartimien- tos: el intracelular (den- tro de las células) y el extracelular (fuera de las células). Este último se localiza rodeando a las células (intersticial o tisu- lar) y dentro de los vasos sanguíneos y linfáticos (intravascular). El porcentaje de agua en el ser humano depen- de de la edad, el sexo (10% mayor en los hom- bres que en las mujeres) y el contenido de tejido adiposo. En un adulto normal de 70 kg de peso corporal y 1.70 m de altura, un 70% corresponde a agua (49 kg). De esta cantidad, 35 kg de agua está distribuida intracelularmente y 14 kg ex - tracelularmente. El compartimiento extracelular comprende el líquido contenido en el tejido conectivo duro y cartílago, tejido óseo y el agua transcelular que la encontramos en las secre - ciones glandulares, en los líquidos gastrointestinales, cefalorraquídeo, sinovial, humor vítreo y acuoso. El agua contiene solutos, como iones y moléculas. Más del 95% corresponden al ión sodio (Na +^ ) que es extracelular y se relaciona con los aniones cloruro (Cl -^ ) y bicarbonato (HCO 3 -^ ). El sodio es entonces el principal soluto del líquido extracelular. En cambio casi el 98 % del pota- sio corporal es intracelular, por lo que es el soluto principal del líquido intracelular.
Soluciones amortiguadoras
Las soluciones amortiguadoras o buffers son las que resisten un cambio de pH en el momento que se producen o se consumen protones. La mayoría de las reacciones metabólicas van acompañadas de liberación o aceptación de protones, la mayor parte de las reacciones intracelulares son amortiguadas. El bicarbonato, el fosfato y las proteínas son los amortiguadores que normalmente mantienen el pH del líquido extracelular entre 7.35 y 7.45. Esto lo logran aceptando o liberando protones para que no se presente un cambio brusco de pH. Las perturbaciones del equilibrio ácido-base se comprueban al determinar el pH de la sangre arterial y el contenido de CO 2 (producido por el metabolismo oxidativo) de la sangre venosa.
Figura 2.29 En este dibujo puedes observar agua tanto dentro de las células como fuera de ellas. En el líquido intracelular: dentro de glóbulos rojos y otras células (de amarillo). Además, en el líquido extracelular: dentro del capilar sanguíneo (líquido intravascular) y rodeando a las célula (líquido in- tersticial o tisular).
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Se considera que una persona presenta acidosis cuando el pH de la sangre es menor a 7.35. Sus causas son la cetoacidosis diabética y la acidosis láctica. Asimismo, el individuo presenta al- calosis cuando el pH sanguíneo es mayor a 7.45, por lo general se presenta después del vómito de contenidos gástricos ácidos.
Los electrólitos son los iones (cationes y aniones) que se encuentran en el líquido intracelular y extracelular. El líquido extracelular es el más estudiado por la facilidad para obtener sus muestras a partir del suero de la sangre. En la composición de electrólitos del suero sanguíneo se encuentran los cationes Na+^ (sodio), K+^ (potasio), Ca ++^ (calcio), Mg ++^ (magnesio) y los aniones Cl -^ (cloruro), HCO 3 - (bicarbonato), PO 4 +++ (fosfato), SO 4 ++(sulfato), aniones orgánicos y proteínas. Los líquidos extracelulares tienen concen- tracion idénticas de aniones y de cationes. El anión extracelular más importante y abundante es el Cl - , que está prácticamente ausente en el interior de las células. El catión extracelular más abundante es el Na+^. Los iones intracelulares más importantes son los cationes K+^ , Mg++^ y los fosfatos como anio- nes. El catión intracelular más abundante es el potasio. El anión común a ambos compartimientos, aunque es más abundante en el líquido extracelu- lar, es el HCO 3 -. El conocimiento del metabolismo del agua y los electrólitos es de gran interés médico, como por ejemplo, los casos de pérdida de líquidos y sales por vómitos y diarreas, traumatismos y que- maduras o los de retención de agua y sales en la insuficiencia renal. La alteración más frecuente de la concentración de los líquidos y de los electrólitos es la des- hidratación. Los líquidos corporales muestran una gran constancia en la concentración de sus componentes iónicos (electrólitos), su pH y su temperatura; además de que tienen mecanis- mos muy efectivos para su regulación y cuentan con siste- mas protectores contra la pérdida de agua, como la piel y el riñon, cuyo fin es el de conservar, al grado máximo posible, la concentración de los distintos componentes del medio interno. El balance de agua es condicionado en gran parte por la sed. En condiciones normales, debemos ingerir de 2 a 2. litros diarios provenientes de tres fuentes principales:
l (^) Ingerirla como tal o en bebidas (1,200 ml). Los hu- manos necesitan beber por lo menos un litro de agua al día. Si no se ingiere suficiente agua para sus- tituir el líquido perdido, puede sufrirse deshidrata- ción. Esto causa problemas en los sistemas circula-
Figura 2.30 Todas las células del cuerpo necesitan agua por- que en ella se llevan a cabo las reacciones químicas. En días ca- lurosos o cuando realizas ejer- cicio, necesitas beber mayor cantidad de agua para sustituir el líquido que se pierde al sudar.
Autoevaluación
Contesta las siguientes preguntas:
Autoevaluación UAS
Indica cuál de las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: