Agua

Report
1
El agua. Esquema general
2
El agua: propiedades.
La vida, tal como se conoce en el planeta
Tierra, se desarrolla siempre en medio
acuoso. Incluso en los seres no acuáticos el
medio interno es esencialmente hídrico. Es
la biomolécula más abundante.
La inmensa mayoría de las
reacciones bioquímicas se
desarrollan en el seno del agua y
obedecen las leyes físico-químicas
de las disoluciones acuosas. El agua
reúne una serie de características
que la convierten en un disolvente
único e insustituible en la biosfera.
Las podemos clasificar en:
1. Propiedades físicas
2. Propiedades químicas
3
El agua: propiedades físicas.
En cuanto a las propiedades físicas
del agua, conviene destacar:
a) El amplio margen de
temperaturas en que permanece en
fase líquida (0-100º C)
b) La anómala variación de la
densidad con la temperatura
c) Su elevada constante dieléctrica
d) Su carácter dipolar
e) Su calor específico y calor de
vaporización elevados
4
El agua: propiedades físicas.
El agua es líquida entre 0 y 100 ºC
El agua hierve a una temperatura muy
alta (100ºC), teniendo en cuenta su
tamaño. Ello se debe al entramado de
puentes de hidrógeno que forman sus
moléculas. Por el mismo motivo, su
punto de congelación 0 ºC, es mayor
de lo esperado.
El amplio margen de temperaturas
en que permanece en fase líquida (0100 º C) proporciona variadas
posibilidades de vida, desde los
organismos psicrofílicos, que pueden
vivir a temperaturas próximas a 0 º C
hasta los termofílicos, que viven a 7080 º C.
5
El agua: propiedades físicas.
EL HIELO FLOTA EN EL AGUA
La anómala variación de la
densidad con la temperatura
(densidad máxima a 4º C) determina
que el hielo flote en el agua, actúe
como aislante térmico y en
consecuencia, posibilite el
mantenimiento de la gran masa de
agua de los océanos (que albergan la
mayor parte de la biosfera) en fase
líquida, a 4º C.
El hielo flota sobre el agua y actúa
a modo de aislante.
6
El agua: propiedades físicas.
El agua tiene una elevada constante dieléctrica.
Su elevada constante dieléctrica
permite la disociación de la mayoría
de las sales inorgánicas en su seno y
permite que las disoluciones puedan
conducir la electricidad.
7
El agua: propiedades físicas.
El agua tiene carácter dipolar.
Su carácter dipolar hace que las
moléculas de agua se orienten en torno
a las partículas polares o iónicas,
formando una envoltura de solvatación,
lo que se traduce en una modificación de
las propiedades de estas partículas.
8
El agua: propiedades físicas.
El agua tiene calor específico y de vaporización elevado.
Su calor específico y calor de
vaporización elevados permiten que el
calor liberado en reacciones bioquímicas
exotérmicas sea fácilmente absorbido
y/o eliminado con pequeña variación de
la temperatura del individuo.
9
El agua: propiedades químicas. Tiene gran
capacidad de formación de enlaces de hidrógeno.
Cada molécula de agua puede formar 4
puentes de hidrógeno, ya que tiene:
•dos átomos de H susceptibles de ser
cedidos
•dos dobletes electrónicos capaces de
aceptar otros tantos átomos de H
El agua líquida, al igual que el hielo
pueden establecer enlaces en cualquier
dirección del espacio, formando una
malla tridimensional, que determina,
aparte de alguna de las propiedades
físicas enumeradas (altos puntos de
fusión y ebullición), la capacidad de
solubilización de moléculas con grupos
polares y su participación en los
mecanismos de muchas reacciones
hidrolíticas.
10
El agua: propiedades químicas.
Tiene capacidad de disociarse.
Su capacidad de disociación y la rápida
emigración de los iones resultantes (H+
y OH-) explican la importancia crítica del
pH en muchos procesos biológicos.
11
El agua: tipos de disoluciones.
Tipos de disoluciones en función del tamaño del soluto.
Las disoluciones constituyen un caso
particular de las dispersiones. Se define
una dispersión como la interposición
mecánica de las partículas de una
sustancia en el seno de otra. En toda
dispersión se suele distinguir
una fase dispersante continua y, en
general, la más abundante
una o varias fases dispersas,
discontinuas y más escasas
Según el tamaño de las partículas
dispersas, las dispersiones se dividen en
(Ver tabla):
dispersiones groseras
disoluciones coloidales
El tamaño del soluto afecta
directamente a otros tres parámetros:
La visibilidad (el soluto se puede
observar a simple vista, con un
microscopio óptico, con un
ultramiscroscopio o con un microscopio
electrónico)
La estabilidad en disolución (el soluto
precipita por gravedad, centrifugando a
baja velocidad ocentrifugando a gran
velocidad)
La difusión a través de membranas de
distinto tamaño de poro (el soluto puede
atravesar una membrana permeable,
dialítica o semipermeable) .
disoluciones verdaderas.
12
El agua: tipos de disoluciones.
Disoluciones verdaderas.
En las disoluciones verdaderas el diámetro de
la partícula dispersa es menor de 10 Å.
No son visibles al microscopio óptico, y están
en el límite de resolución del microscopio
electrónico.
Son estables a la gravedad y a la
centrifugación. Mediante la
ultracentrifugación a altas velocidades se
pueden conseguir separaciones parciales.
Estas partículas atraviesan las membranas
permeables y dialíticas, pero no las
semipermeables (pergamino, membranas
biológicas).
Un ejemplo es la disolución de sales, azúcares
o aminoácidos en la sangre o en la leche.
Pincha en el icono "Actualizar" del navegador
y observa la figura.
13
El agua: tipos de disoluciones.
Disoluciones coloidales.
Las disoluciones coloidales están
formadas por partículas de diámetro
comprendido entre 10 y 1000 Å (Figura
de la derecha).
Son partículas invisibles a simple vista o
con microscopio óptico.
Son estables a la gravedad y sólo
sedimentan mediante centrifugación a
altas velocidades (ultracentrifugación).
Las partículas coloidales atraviesan
membranas permeables (papel de filtro,
filtro de arcilla), pero son retenidas por
membranas dialíticas (celofán, colodión).
Un ejemplo son las proteínas de la leche.
14
El agua: tipos de disoluciones.
Dispersiones groseras.
Las dispersiones groseras se componen de
partículas con un diámetro de más de 1000 Å.
Son partículas invisibles a simple vista, pero
visibles al microscopio óptico, y son las
responsables de la turbidez u opacidad a la
dispersión.
Estas dispersiones sedimentan
espontáneamente y la velocidad de
sedimentación puede acelerarse por
centrifugación.
Por su considerable tamaño, las partículas
groseras no atraviesan membranas
permeables, dialíticas o semipermeables.
Sirven como ejemplos los glóbulos rojos de la
sangre (Figura superior), las gotas de grasa en
la leche o las partículas de arcilla en agua de
río.
15
El agua: tipos de disoluciones.
Tipos de disoluciones en función de la capacidad de asociación
o disociación del soluto .
A veces se forman asociaciones moleculares y el número real de partículas dispersas puede resultar menor
que el de moléculas teóricas.
Otras sustancias, al disolverse en agua, se disocian originando un número de partículas mayor que el
número de moléculas teóricas. Como cada molécula se disocia en varias partículas, en general iones, las
propiedades coligativas detectan una concentración de soluto aparentemente mayor que la previsible.
Un osmol es un mol de partículas, es decir, la cantidad de partículas que produce los mismos efectos
osmóticos que un mol no disociado. Así, en las disoluciones moleculares habrá tantos osmoles como moles, y
en los electrolitos fuertes la osmolalidad será igual a la molalidad multiplicada por n.
16
El agua: disoluciones acuosas.
Formas más usuales de expresar la concentración de una
disolución.
17
El agua: propiedades coligativas.
Muchas de las propiedades de las
disoluciones verdaderas se deducen del
pequeño tamaño de las partículas
dispersas. En general, forman
disoluciones verdaderas las sustancias
con un peso molecular inferior a 104
dalton. Algunas de estas propiedades
son función de la naturaleza del soluto
(color, sabor, densidad, viscosidad,
conductividad eléctrica, etc.). Otras
propiedades dependen del disolvente,
aunque pueden ser modificadas por el
soluto (tensión superficial, índice de
refracción, viscosidad, etc.). Sin
embargo, hay otras propiedades más
universales que sólo dependen de la
concentración del soluto y no de la
naturaleza de sus moléculas. Estas son
las llamadas propiedades coligativas.
Las cuatro propiedades coligativas son:
1. descenso de la presión de vapor del
disolvente
2. elevación ebulloscópica
3. descenso crioscópico
4. presión osmótica.
18
El agua: propiedades coligativas.
1.- Descenso relativo de la presión de vapor.
La presión de vapor de un disolvente desciende cuando se le añade un soluto no
volátil. Este efecto es el resultado de dos factores:
1. la disminución del número de moléculas del disolvente en la superficie libre
2. la aparición de fuerzas atractivas entre las moléculas del soluto y las moléculas del
disolvente, dificultando su paso a vapor.
19
El agua: propiedades coligativas.
2.- Elevación ebulloscópica.
La temperatura de ebullición de un líquido es
aquélla a la cual su presión de vapor iguala a la
atmosférica (Figura de la derecha).
Cualquier disminución en la presión de vapor
(como al añadir un soluto no volátil) producirá
un aumento en la temperatura de ebullición .
La elevación de la temperatura de ebullición es
proporcional a la fracción molar del soluto.
Este aumento en la temperatura de ebullición
(DTe) es proporcional a la concentración molal
del soluto:
DTe = Ke m
La constante ebulloscópica (Ke) es
característica de cada disolvente (no depende
de la naturaleza del soluto) y para el agua su
valor es 0,52 ºC/mol/Kg. Esto significa que una
disolución molal de cualquier soluto no volátil
en agua manifiesta una elevación
ebulloscópica de 0,52 º C.
20
El agua: propiedades coligativas.
3.- Descenso crioscópico.
La temperatura de congelación de las
disoluciones es más baja que la
temperatura de congelación del
disolvente puro (Ver Figura de la tabla).
La congelación se produce cuando la
presión de vapor del líquido iguala a la
presión de vapor del sólido. Llamando Tc
al descenso crioscópico y m a la
concentración molal del soluto, se
cumple que:
DTc = Kc m
siendo Kc la constante crioscópica del
disolvente. Para el agua, este valor es
1,86 ºC/mol/Kg. Esto significa que las
disoluciones molales (m=1) de cualquier
soluto en agua congelan a -1,86 º C.
21
El agua: propiedades coligativas.
4.- Presión osmótica.
La presión osmótica es la propiedad
coligativa más importante por sus
aplicaciones biológicas, y está
relacionada con los conceptos de
difusión y de ósmosis.
Difusión es el proceso mediante el cual
las moléculas del soluto tienen a alcanzar
una distribución homogénea en todo el
espacio que les es accesible, lo que se
alcanza al cabo de cierto tiempo. En
Biología es especialmente importante el
fenómeno de difusión a través de
membranas, ya que la presencia de las
membranas biológicas condiciona el paso
de disolvente y solutos en las estructuras
celulares (Figura de la derecha).
La presencia de una membrana
separando dos medios diferentes impone
ciertas restricciones al proceso de
difusión de solutos, que dependerán
fundamentalmente de la relación entre el
diámetro de los poros de la membrana y
el tamaño de las partículas disueltas.
22
El agua: propiedades coligativas.
4.- Presión osmótica.
Las membranas se clasifican en cuatro
grupos :
1. impermeables: no son atravesadas ni
por solutos ni por el disolvente
2. semipermeables: no permiten el
paso de solutos verdaderos, pero sí
del agua
3. dialíticas: son permeables al agua y
solutos verdaderos, pero no a los
solutos coloidales
4. permeables: permiten el paso del
disolvente y de solutos coloidales y
verdaderos; sólo son impermeables a
las dispersiones groseras.
23
El agua: propiedades coligativas.
4.- Presión osmótica.
Ósmosis es la difusión de líquidos a través de
membranas. Supongamos una disolución de NaCl
separada del disolvente por una membrana
semipermeable que, como hemos visto, permite el
paso del agua pero no de la sal (Figura de la izquierda
superior). El agua tiende a atravesar la membrana,
pasando de la disolución más diluída a la más
concentrada (Figura de la izquierda central), o sea,
en el sentido de igualar las concentraciones. Esta
tendencia obedece al segundo principio de la
termodinámica y se debe a la existencia de una
diferencia en la presión de vapor entre las dos
disoluciones. El equilibrio se alcanza cuando a los dos
lados de la membrana se igualan las concentraciones,
ya que el flujo neto de agua se detiene.
Se define la presión osmótica como la tendencia a diluirse de una disolución separada del
disolvente puro por una membrana semipermeable (Figura central de la tabla). Un soluto ejerce
presión osmótica al enfrentarse con el disolvente sólo cuando no es capaz de atravesar la
membrana que los separa. La presión osmótica de una disolución equivale a la presión mecánica
necesaria para evitar la entrada de agua cuando está separada del disolvente por una
24
membrana semipermeable.
El agua: propiedades coligativas.
4.- Presión osmótica.
La membrana del eritrocito puede considerarse como una membrana semipermeable, que
permite el paso del agua, pero no de las sales. En un medio isotónico (de igual presión
osmótica), el eritrocito permanece inalterable. Si el eritrocito se introduce en agua destilada o
en un medio hipotónico el agua atravesará la membrana hacia el citoplasma, con lo que
aumenta el volumen celular, distendiendo la membrana hasta que llega un punto en que ésta se
rompe (hemolisis). Si el eritrocito se pone en un medio hipertónico (de mayor presión
osmótica), el agua sale del eritrocito hacia el exterior, con lo cual su volumen disminuye, y la
membrana se retrae, de forma que ofrece al microscopio un aspecto estrellado.
25
El agua: propiedades.
• La vida, tal como se conoce en el
planeta Tierra, se desarrolla
siempre en medio acuoso.
Incluso en los seres no acuáticos
el medio interno es
esencialmente hídrico. Es la
biomolécula más abundante.
• La inmensa mayoría de las
reacciones bioquímicas se
desarrollan en el seno del agua y
obedecen las leyes físicoquímicas de las disoluciones
acuosas. El agua reúne una serie
de características que la
convierten en un disolvente único
e insustituible en la biosfera.
26
El agua: propiedades físico-químicas
1.- Elevada densidad a 4ºC.
El agua sólida es más voluminosa que la líquida, por ello el
hielo flota sobre el agua líquida y actúa como aislante
térmico que impide que toda la vida se congele en mares y
lagos.
2.- Elevado calor específico (1 cal/g*ºC).
Esto significa que es necesario mucho calor para elevar la
temp. de 1g de agua en 1ºC. Ello implica que el agua ejerce
un papel termorregular por ej. a través de la circulación
sanguínea.
3.- Elevada temperatura de ebullición.
El agua se mantiene líquida entre 0-100 ºC, por ej. El H2S
ebulle a 60.7 ºC.
27
El agua: propiedades físico-químicas
4.- Elevado calor de vaporización (536 cal/g).
Significa que se necesita mucho calor para vaporizar 1g de
agua. Esto tiene 2 consecuencias fisiológicamente
importantes: a) la evaporación de agua de los organismos es
muy pequeña, y b) se puede mantener la temperatura de un
organismo más baja que la del ambiente. Efecto
termorregulador.
5.- Elevada conductividad calorífica.
Permite una buena conducción del calor entre las distintas
partes del cuerpo de un organismo, ello supone poder
mantener constante e igual esa temperatura en todas las
partes.
28
El agua: propiedades físico-químicas
6.- Elevada constante dieléctrica.
Ello se traduce en que las moléculas de agua interfieren
la atracción electrostática entre iones o moléculas con
cargas [+] y [-]. En definitiva actúa como disolvente
universal.
A) Disuelve compuestos polares no iónicos como
alcoholes, ésteres, etc.
B) Disuelve iones o moléculas cargadas por
adición de capas de solvatación al su alrededor.
C) Disuelve a moléculas anfipáticas por debajo
de su CMC, y por encima de ella forma micelas y/o
bicapas. Ej. Fosfolípidos.
29
El agua: propiedades físico-químicas
7.- Elevada tensión superficial.
Se debe a una elevada cohesión entre las moléculas de
superficie y se ve disminuida por la adicción de agentes
tensioactivos (jabones, detergentes, sales biliares) que
facilitan por ej. la emulsión de las grasas en el intestino.
8.- Transparencia.
Permite que llegue la luz a organismos fotosintéticos que
viven en el agua y por ende que puedan realizar la
fotosíntesis.
9.- El agua se comporta como un electrolito débil.
Esto supone que el agua se comporta como una sustancia
anfótera, o sea, puede actuar como ácido o base débil.
30
El agua: propiedades bioquímicas
A.- Función estructural. Contribuye a la estabilización
estructural de las macromoléculas a través de la formación
de puentes de hidrógeno.
B.- Al actuar como disolvente universal provee el medio en el
que transcurren la mayoría de las reacciones bioquímicas de
las células. Además es el medio de transporte de reactivos de
unos lugares a otros de las células y organismos.
C.- Puede ser tanto SUSTRATO como PRODUCTO de diversas
reacciones bioquímicas celulares.
D.- Amortigua el exceso de energía metabólica de las
reacciones bioquímicas, disipando el llamado calor
metabólico.
31
La
mayor
electronegatividad del O
respecto al H, proporciona
una distribución asimétrica
de
la
CARGA
ELECTRÓNICA que atribuye
mayor densidad electrónica
al O. Esto hace la molécula
de agua un DIPOLO.
Carácter
tetraédrico de la
estructura de la
molécula de agua
32
INTERACCIONES POR PUENTE DE HIDRÓGENO
Cuando un átomo de hidrógeno está
unido covalentemente a un
elemento muy electronegativo y
de pequeño tamaño (F, O, N) el
enlace formado es polar y el
átomo de hidrógeno es un centro
de cargas positivas.
Si este hidrógeno está próximo a otro
átomo electronegativo de pequeño
tamaño (F, O, N), se puede
establecer una unión electrostática
que aproximará a los dos átomos
negativos mediante el átomo de
hidrógeno. Este enlace recibe el
nombre de puente de hidrógeno.
33
INTERACCIONES POR PUENTE DE HIDRÓGENO
Para que dos grupos
puedan establecer
enlaces por puentes de
hidrógeno es necesario
que reúnan dos
condiciones:
ser muy electronegativos
(con dobletes
electrónicos sin
compartir)
ser de pequeño tamaño,
(para poder
aproximarse al núcleo
del hidrógeno) .
34
INTERACCIONES POR PUENTE DE HIDRÓGENO
Es un enlace débil. La fuerza de
este enlace es menor que la de
un enlace covalente o un
enlace iónico. Su valor oscila
entre 2 y 10 Kcal/mol. Sin
embargo, como son muy
abundantes, su contribución a
la cohesión entre biomoléculas
es grande.
La distancia entre los átomos
electronegativos unidos
mediante un puente de
hidrógeno suele ser de unos 3
Å. El hidrógeno se sitúa a 1Å
del átomo al que está
covalentemente unido y a 2 Å
35
INTERACCIONES POR PUENTE DE HIDRÓGENO
Muchas de las
propiedades físicas y
químicas del agua se
deben a los puentes de
hidrógeno.
Cada molécula de agua
es capaz de formar 4
puentes de hidrógeno,
lo que explica su
elevado punto de
abullición, ya que es
necesario romper gran
cantidad de puentes de
hidrógeno para que una
molécula de agua pase
36
ENLACES POR PUENTE DE HIDRÓGENO
PRESENTES EN BIOMOLÉCULAS
Átomo
electronegativo
H unido covalentemente a otro átomo
electronegativo
37
INSOLUBILIDAD EN AGUA DE
SUSTANCIAS APOLARES
38
Hielo: agua en estado sólido
El agua sólida aumenta de
volumen respecto al agua líquida
y flota sobre esta, actuando como
aislante térmico que impide la
congelación.
39
[D2O]= (1000g/18) / 1L = 55,5 M
40
41
Este equilibrio se desplaza hacia la izquierda en un ácido débil
42
ECUACIÓN DE HENDERSON-HASSELBALCH
43
Desarrollo de la ECUACIÓN DE HENDERSON-HASSELBALCH
44
Desarrollo de la ECUACIÓN DE HENDERSON-HASSELBALCH
45
VALORACIÓN DEL ÁCIDO ACÉTICO
VALORACIÓN DEL ÁCIDO FOSFÓRICO
En el “punto de equivalencia” todo el ácido
acético se ha desprotonado, y partíamos de
100 mM
46
VALORACIONES COMPARADAS
Cada sustancia es
adecuada
para tamponar a un
rango de pH.
Ejemplos de tampones
con relevancia fisiológica
son:
1.- Tampón fosfato
2.- bicarbonato
47
Disoluciones amortiguadoras = tampones = bufers
Una disolución
tamponante está
formada por:
A) Un ácido débil y la sal
de su base conjugada:
ej. Ác.
Acético/acetato sódico
B) Una base débil y la sal
de su ácido conjugado:
ej. amoniaco/cloruro
amónico
La adición de ácido o base en el
rango rojo de la figura no modifica
significativamente el pH.
48

similar documents