UNIDAD 2. DEL AGUA Y LAS SALES MINERALES . .pdf

Resumen de manera entendible el agua y las sales minerales

1. UN PROTAGONISTA EXCEPCIONAL:
EL AGUA
BIOQUIMICA I

2. Estructura
molecular del agua

3. La estructura de la
molécula de H
2O
tiene carácter
tetraédrico.
Una hibridación sp
3
del
átomo de oxígeno, situado
en el centro, y con los dos
átomos de hidrógeno
dispuestos en dos de los
vértices de dicho tetraedro.
Las dos restantes
direcciones de enlace
corresponden a los
otros dos orbitales,
ocupados cada uno de
ellos por una pareja de
electrones.
El ángulo entre los dos átomos
de hidrógeno (HOH) es de
104.5°y la distancia de enlace
entre oxígeno e hidrógeno (O—
H) es de 0.96 Å.
La mayor electronegatividad del
oxígeno con respecto al
hidrógeno determina una
distribución asimétrica de la
carga electrónica, con mayor
densidad electrónica sobre el
oxígeno y, por tanto, un déficit
electrónico sobre los
hidrógenos.
En consecuencia, la
molécula de agua es
un dipolo eléctrico,
sin carga neta.

4. •Estaestructuramolecularysunaturalezadipolar
condicionanmuchasdelaspropiedadesfísicasy
químicasdelagua,debidofundamentalmenteala
posibilidaddeestablecimientodepuentesde
hidrógenoentremoléculasacuosasydeéstascon
otrasmoléculas.
•Unenlaceporpuentedehidrógenoseefectúa
entreunátomoelectronegativoyelátomode
hidrógenounidocovalentementeaotroátomo
electronegativo.
•Esteenlaceesmuchomásdébilquelosenlaces
covalentes,formándoseyrompiéndosecon
mayorrapidezqueestosúltimos.
•Cadamoléculadeaguapuedeinteraccionarpor
puentesdehidrógenoconotrascuatromoléculas
deagua(Fig.3-2).

5. •Enestadosólido(hielo)parecequeestadisposición
demoléculasconstituiríaunaunidadestructural
espacialtetraédrica,avecesdenominadaestructura
detetrahidrol,queserepetiríacontinuamente
formandoelentramadodelaguasólida(Fig.3-3).
•Paraelagualíquidasehanpropuestomuchos
modelosestructurales.Elmásaceptadoesel
modelodelosracimosparpadeantes:racimos
abiertos,quecambiaríandeforma,constituidospor
moléculasdeaguaunidasporenlacesdehidrógeno
encontinuaformaciónyescisión.

6. Propiedades físicasy
químicasdel
AGUA
•Comosehamencionado,laestructura
moleculardelaguaylacapacidadde
formarpuentesdehidrógenoconstituyen
elfundamentodelaspropiedadesfísicasy
químicasdelagua.

7. Densidad máxima a 4 °C. Este comportamiento anómalo permite que el hielo flote en el agua. Y,
con ello, la existencia de vida marina en los casquetes polares ya que el hielo flotante actúa como aislante
térmico, impidiendo que la masa oceánica se congele.
Elevada temperatura de ebullición. En comparación con otros hidruros del grupo del oxígeno
(H2S, H2Se, etc.), la temperatura de ebullición del H2O es mucho más elevada (100 °C a 1 atmósfera, frente
a los –60.7 °C del H2S). Esto hace que el agua se mantenga líquida en un amplio margen de temperatura (0-
100 °C), lo que posibilita la vida en diferentes climas, incluso a temperaturas extremas.
Elevado calor específico (1 cal/g · °C: calor necesario para elevar la temperatura de 1 g de agua
en 1 °C concretamente desde 15 a 16 °C). Este alto valor permite que en el organismo ocurran importantes
cambios de calor con escasa modificación de la temperatura corporal. Por ello, el agua es un excelente
mecanismo regulador de la temperatura del organismo, fundamentalmente a través de la circulación
sanguínea, evitando alteraciones peligrosas.

8. Elevado calor de
vaporización.
Por término medio el número de
enlaces por puente de hidrógeno,
con una energía de enlace de 2.8
Kcal/mol, es:
Ello significa que:
Calor de fusión equivale a
80 cal/g
Calor de vaporización es
de unas 540 cal/g.
Este valor elevado permite
eliminar el exceso de calor, por
evaporación de cantidades
relativamente pequeñas de agua.
Ello posibilita, cuando es
necesario, mantener la
temperatura del organismo más
baja que la del medio ambiente.
Por tanto, la vaporización
continua de agua por la piel y los
pulmones (unos 500 mL diarios
por la respiración) constituye un
excelente mecanismo regulador
de la temperatura.
La evaporación del sudor (unos
700 mL diarios) también
contribuye a este mantenimiento,
con lo que globalmente ello
supone la eliminación total de
unas 620 kcal diarias.
4agua sólida
3.5líquida
0gaseosa

9. Elevada conductividad calorífica. Permite una adecuada
conducción de calor en el organismo, contribuyendo a la termorregulación, al
mantener constante e igualar la temperatura en las diferentes zonas corporales.
Elevada constante dieléctrica (∈ = 80 a 20 °C). Implica que el
agua sea un buen disolvente de compuestos iónicos y sales cristalizadas. El
elevado valor de esta constante supone que las moléculas de agua se oponen a
la atracción electrostática entre los iones positivos y negativos, debilitando
dichas fuerzas de atracción.
Disolvente de compuestos polares de naturaleza no
iónica. Ello sucede por la capacidad del agua de establecer puentes
de hidrógeno con grupos polares de otras moléculas no iónicas. Así,
puede disolver compuestos tales como alcoholes, ácidos, aminas y
glúcidos

10. Capacidad de hidratación o solvatación
de iones. El carácter dipolar del agua determina que sus
moléculas rodeen a los distintos iones, aislándolos del resto.

•A este fenómeno se le denomina hidratación o
solvatación de iones y facilita, a su vez, la separación de
iones de diferente carga, lo que contribuye a la
solubilización de compuestos iónicos.
•La esfera de solvatación o hidratación puede producir
cambios en el radio iónico efectivo de un ion.
•Así, por ejemplo, el catión sodio sin hidratar presenta
menor radio iónico (0.096 nm) que el del catión potasio
(0.133 nm); sin embargo, cuando se encuentran
hidratados, el radio iónico efectivo del sodio (0.256 nm)
es mayor que el del potasio (0.198 nm), debido a las
moléculas de agua que lo hidratan, rodeando al ion

11. Disolvente de moléculas
anfipáticas. El agua solubiliza compuestos
anfipáticos (se llaman así aquellos que presentan
en su estructura grupos polares y apolares
simultáneamente).
•Esta solubilización lleva consigo la formación de
micelas, con los grupos apolares o hidrófobos
en su interior y los grupos polares o hidrófilos
orientados hacia el exterior para contactar con
el agua.
•Ésta y las propiedades anteriores determinan
que el agua sea considerada como el disolvente
universal, sobre todo en lo que se refiere al
organismo, permitiendo la realización de
procesos de transporte, nutrición, ósmosis,
etcétera, cuya ausencia haría imposible el
desarrollo de la vida.

12. Elevada Tensión superficial. Determina
una elevada cohesión entre las moléculas de su
superficie y facilita su función como lubricante en
las articulaciones.
La tensión superficial disminuye con la presencia en
el líquido de ciertos compuestos que reciben el
nombre genérico de tensioactivos (jabones,
detergentes, etc.), que facilitan la mezcla y emulsión
de grasas en el medio acuoso; así, las sales biliares
ejercen esta acción tensioactiva en el intestino
delgado, facilitando la emulsión las de grasas y, con
ello, la digestión.
Asimismo, el epitelio alveolar secreta una sustancia
fosfolipídica (derivada de la lecitina) que hace
disminuir la tensión superficial del agua que reviste
los alveolos. De no existir esta macromolécula, no se
podría producir la expansión pulmonar,
colapsándose las estructuras alveolares

13. Transparencia. Esta propiedad física no afecta directamente al ser
humano, pero es importante para que se origine el proceso de
fotosíntesis en la masa oceánica y fondos marinos.
•Como éste es el comienzo de una cadena trófica que finaliza en la
nutrición humana, la transparencia acuosa contribuye al adecuado
desarrollo de la vida.

14. El agua es un electrólito débil. Ello
se debe a la naturaleza de su estructura molecular.
•Libera el mismo catión que los ácidos (H+ o
H3O+ ; ion hidrógeno o protón, o ion hidronio) y
el mismo anión que las bases (OH– ; ion
hidroxilo).
•Por tanto, el agua es un anfólito o sustancia
anfótera, es decir, puede actuar como ácido o
como base. El equilibrio de disolución es:
•aunque se puede simplificar expresándolo como:
•El hecho de que el agua se comporte como un
electrólito débil viene determinado porque el
equilibrio se encuentra muy desplazado hacia la
izquierda. A 25 °C, la concentración de protones y
de iones hidroxilo es aproximadamente de 10
–7
M

15. Funciones
bioquímicas
y fisiológicas
del agua

16. 1. El agua actúa como componente
estructural de macromoléculas, como
proteínas y polisacáridos, entre otros, ya
que estabiliza su estructura,
fundamentalmente a través de la formación
de puentes de hidrógeno.
2. El agua, como disolvente universal de
sustancias, tanto iónicas como anfipáticas y
polares no iónicas, permite que en su seno se
produzcan casi todas las reacciones
bioquímicas, y es, además, un excelente
medio de transporte en el organismo.

17. 3. El agua es el sustrato o el producto de
diversas reacciones enzimáticas. Puede
actuar como cosustrato en reacciones
catalizadas por hidrolasas e hidratasas, o
puede ser el producto de reacciones
catalizadas por oxidasas. Asimismo,
participa como reactante o como
producto en infinidad de vías metabólicas.

4. El carácter termorregulador del agua
permite conseguir un equilibrio de
temperaturas en todo el cuerpo, la
disipación de cantidades elevadas de calor
metabólico, la refrigeración corporal tras
un ejercicio intenso o la exposición a
temperaturas elevadas, etcétera.

18. Ingestión y
excreción del
agua

19. Compartimentación
acuosa corporal
Según su compartimentación, el agua
corporal se puede clasificar en:
✓ Agua intracelular
✓Agua extracelular.

20. AGUA INTRACELULAR
Existe en el interior de la célula, tanto en el
citosol como en el resto de las estructuras
celulares, y constituye un 70% del total del
agua existente en el organismo.
Esta agua intracelular se puede clasificar a
su vez en:
— Agua libre, de la que puede disponer la
célula de inmediato y con facilidad.
— Agua ligada o asociada, que es la que se
encuentra unida a estructuras y entidades
macromoleculares.

21. AGUA EXTRACELULAR
El agua extracelular constituye un 30%
del contenido total del agua en el
organismo y se puede clasificar en:

— Agua plasmática, en la que se incluye
el agua del plasma y de la linfa, y que
supondría un 7% del total.
— Agua intersticial, que comprende el
agua presente en el líquido intersticial, en
el líquido cefalorraquídeo, en el humor
ocular, etcétera. Supone un 23% del total
del agua del organismo.

22. El cálculo del volumen de los compartimentos acuosos
corporales tiene un gran interés para la detección y el
estudio de diversas situaciones patológicas, y se realiza
inyectando en el plasma sustancias que se distribuyen
selectivamente en los diferentes compartimentos.
Por ejemplo, el agua deuterada (
2
H2O) o el agua
tritiada (
3
H2O) se reparte uniformemente por todos los
compartimentos acuosos y se utiliza para medir el agua
corporal total; la inulina (polisacárido de fructosa de
origen vegetal) queda restringida a los espacios
extracelulares y se usa para determinar el volumen de
líquido extracelular.
La albúmina marcada (125I-albúmina) solamente se
distribuye en el plasma y sirve para medir el volumen
plasmático.
El volumen de agua intracelular se calcula por
diferencia entre el agua corporal total y el volumen de
agua extracelular. De forma análoga, el volumen de
líquido intersticial se calcula por diferencia entre el
volumen de líquido extracelular y el volumen
plasmático.

23. DISOLUCIONES

24. Una disolución se puede definir
como una combinación homogénea
de varios componentes, con
composición variable.
El concepto de disolución se diferencia
de otros relacionados, como mezclas,
compuestos, suspensiones, dispersiones
y emulsiones.
Cada porción homogénea que constituye
una mezcla se denomina fase.
Una fase es un material homogéneo,
uniforme en toda su extensión, no sólo
en su composición química, sino también
en su estado físico

26. Expresiones
de la
concentración

27. a) Expresiones en forma de porcentaje
1.Tanto por ciento en peso: unidades de peso de soluto en 100 unidades de peso
de disolución (p. ej., una disolución al 5% en peso implicaría que existen 5 g de
soluto en 100 g de disolución).
2.Tanto por ciento en volumen: unidades de volumen de soluto en 100 unidades
de volumen de disolución (p. ej., una disolución al 5% en volumen implicaría
que existen 5 mL de soluto en 100 mL de disolución).
3.Tanto por ciento en peso/volumen: unidades de peso de soluto en 100
unidades de volumen de disolución (p. ej., una disolución al 5% en
peso/volumen implicaría que existen 5 g de soluto en 100 mL de disolución).
En general, si la concentración de una disolución se menciona en tanto por ciento
escuetamente, sin aludir a unidades de peso o volumen, se considera un porcentaje
peso/volumen.

28. b) Expresiones en forma absoluta
Existen muchos tipos. Los más utilizados son:
✓el número de gramos por litro de disolución (g/L);
✓el número de miligramos por mililitro de disolución (mg/mL),
equivalente a la anterior;
✓o las expresiones volumen:volumen, que indican la proporción de
volumen de cada componente puro que integra una disolución.
En la práctica sanitaria, quizás la más utilizada es la que refleja el
número de gramos o miligramos existentes en 100 mL de disolución
(g/100 mL o mg/100mL).

29. c) Expresiones químicas
1.Molaridad (M): número de moles de soluto existentes en un litro de
disolución.
2.Molalidad (m): número de moles de soluto existentes en un
kilogramo de disolvente.
3.Normalidad (N): número de equivalentes-gramo de soluto
existentes en un litro de disolución.
4.Fracción molar (X): número de moles de un componente de la
disolución, con respecto al número total de moles de todos los
componentes que integran la disolución.

30. ÁCIDOS, BASES
Y pH

32. Ionización del agua.
Escala de pH

34. •El agua es un electrólito débil cuyas moléculas se disocian en muy
pequeña cantidad (tan sólo 1 molécula de cada 5.53 · 10
8
, a 25 °C).
•Lo que verdaderamente ocurre es un equilibrio en el que está
implicado el ion hidronio, esa disociación puede expresarse en forma
del siguiente equilibrio químico equivalente:
•Tal equilibrio de disociación hace que el agua, de acuerdo con las
teorías de acidez y basicidad expuestas, se comporte como una
sustancia anfótera o anfiprótica, ya que actúa al mismo tiempo como
ácido y como base.

36. •En 1909, Söreh Peter Sörensen,
bioquímico danés, estableció la
denominada escala de pH
(abreviatura de potencial de
hidrógeno, ya que el pH varía
proporcionalmente al potencial
de un electrodo de hidrógeno
introducido en la disolución).

37. pH
“El logaritmo decimal de la concentración molar de iones hidrógeno,
hidrogeniones o iones hidronio”
pOH
“El logaritmo decimal de la concentración molar de iones hidroxilo, con
el signo cambiado”

40. Ácidosy bases débiles
Se denominanasílosácidoso bases que en
disoluciónse encuentrantotalmentedisociados

41. Los ácidos y las bases que regulan el pH del cuerpo humano, que
mantienen los potenciales de acidez en las estructuras
correspondientes y el del medio extracelular en un valor próximo a 7.4,
y los que desempeñan funciones importantes en el metabolismo son
ácidos o bases débiles, es decir, se encuentran poco disociados.
✓Según el grado de disociación, los ácidos o las bases serán más o
menos fuertes; así, serán más fuertes cuanto mayor sea su
disociación.
✓Esta disociación viene regida por la denominada constante de
disociación o ionización del ácido o de la base, representadas por lo
general como Ka o Kb.

44. Disoluciones reguladoras

45. Los valores de pH en el organismo
deben permanecer casi constantes
(en torno a 7.4 en el medio
extracelular)
Por debajo de 7.0 o por encima de
7.8, puede sobrevenir la muerte del
individuo.
Por esta razón, el mantenimiento
de la homeostasis ácido-base
fisiológica es fundamental.

46. Para lograr esta constancia de pH, el cuerpo humano utiliza tres
estrategias diferentes:
a) Amortiguadores fisiológicos (disoluciones reguladoras).
b) Ventilación pulmonar.
c) Filtración renal.

47. Disolución reguladora, disolución
amortiguadora, tampón, o buffer
como la disolución formada:
a)Por un ácido débil y la sal de su base
conjugada; por ejemplo, ácido acético/acetato
sódico.
b)Por una base débil y la sal de su ácido
conjugado; por ejemplo, amoníaco/cloruro
amónico.
En ambos casos, se trata de disoluciones que
admiten la adición de ácido o base sin que se
modifique apreciablemente el pH de la disolución.

48. •Se define capacidad amortiguadora de una disolución reguladora la cantidad de
ácido o base que, añadida a dicha disolución, produce una variación máxima de
una unidad en el pH.
•Siguiendo con los ejemplos anteriores, una buena disolución reguladora
contendría, en proporciones análogas un ácido débil y su forma disociada (su
base conjugada) procedente de la sal correspondiente.
•El equilibrio, como ya se ha expresado anteriormente sería:
a) Amortiguadores fisiológicos (disoluciones reguladoras).

49. Principio de Le
Chatelier-Braun
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
para formar agua.
En ambos casos, al final del
proceso, la concentración de
iones hidrógeno libres tenderá a
ser igual a la inicial.

50. Ecuación de Henderson-Hasselbalch
Aplicando la ley de acción de masas al equilibrio
anterior, podemos obtener la ecuación de
Henderson-Hasselbalch, utilizada para el estudio
y cálculo de los equilibrios ácido-base de las
disoluciones reguladoras.
•ACIDO:
•BASE
1.El valor de pH de una disolución reguladora depende de la
proporción relativa de ácido/sal o base/sal; no depende de
sus concentraciones absolutas.
2.Sin embargo, estas concentraciones absolutas sí que
influyen en la capacidad de amortiguación. Al aumentar la
concentración de la disolución reguladora, aumenta la
capacidad para amortiguar los cambios de pH.
3.La amortiguación es máxima cuando el pH del medio
coincide con el pKa de la disolución. Esto sucede cuando
las concentraciones de ácido y sal o de base y sal son
iguales.
Generalmente, las disoluciones reguladoras tamponan bien hasta
valores de pH una unidad por encima o por debajo del valor de su
pKa, es decir, cuando la proporción sal/ácido o base/sal no es
inferior a 1:10 o superior a 10:1. Fuera de este intervalo, la
capacidad de amortiguación disminuye considerablemente

51. Disoluciones reguladoras fisiológicas
Los principales sistemas amortiguadores de pH en el organismo, que
contribuyen al mantenimiento del mismo en el margen adecuado son:

52. 1.Amortiguador fosfato.
A efectos de regulación fisiológica, el equilibrio que
más interesa es el segundo, ya que el pKa2 que lo
gobierna se encuentra próximo al pH del medio
extracelular (7.4).
Suele ser buen amortiguador, aunque su
concentración en plasma es baja.
Es más importante en los líquidos tubulares de los
riñones y en el medio intracelular, ya que en ellos el
pH es algo menor y el fosfato se encuentra más
concentrado.
El fosfato puede encontrarse en forma libre (sal
inorgánica) o asociado con otras moléculas orgánicas
(lípidos, azúcares, etc.)

53. 2. Amortiguador bicarbonato.
(Amortiguadores sanguíneos)
✓Este sistema carbónico/bicarbonato es el
principal tampón extracelular, tanto en la
sangre como en los líquidos intersticiales.
✓Permite que el pH de la sangre arterial sea de
7.40 y el de la sangre venosa lo sea de 7.35
(ésta presenta mayor concentración de
anhídrido carbónico).
Regulación respiratoria

54. 3. Proteínas.
Las proteínas constituyen otro sistema regulador
del pH sanguíneo, junto a los aminoácidos, pero
donde adquieren verdadera importancia es en el
interior de la célula.
El poder amortiguador de las proteínas se basa en
su composición aminoacídica.
Varios de los distintos aminoácidos proteicos
poseen una cadena lateral ionizable, con su
correspondiente pKa, lo que permite que la
proteína sea un buen amortiguador a diferentes
valores de pH.

55. 4. Hemoglobina.
Dentro de las proteínas, debe destacarse
la hemoglobina por su importancia en la
respiración y su abundancia en la sangre
(eritrocitos).
El sistema global regulador es el
constituido por las dos formas
individuales, hemoglobina y
oxihemoglobinato/oxihemoglobina.
Por otra parte, ambos sistemas están relacionados ya que:
De los valores de pKa, se puede deducir que la
desoxihemoglobina es un ácido más débil que la
oxihemoglobina.
En condiciones de producción de anhídrido carbónico
(respiración celular), formación de ácido carbónico y la
correspondiente acidificación, los protones convierten el
oxihemoglobinato en desoxihemoglobina, y con ello, se
amortigua el efecto acidificante y se libera el oxígeno.
Por otra parte, en los pulmones el efecto es el contrario.
Lógicamente, el lugar de regulación del sistema
hemoglobina es allí donde se encuentra, es decir, en el
interior del eritrocito.

56. Alcalosis y
acidosis
Cuando se produce una alteración en los valores del pH del organismo, las disoluciones
fisiológicas reguladoras que se acaban de comentar constituyen la primera opción para
tratar de subsanar el problema; posteriormente, se recurre a la regulación de la
ventilación pulmonar y, finalmente, a la regulación de la filtración renal.
La acción coordinada de estos sistemas para evitar los efectos negativos del aumento o la
disminución protónica se suele denominar principio isohídrico de mantenimiento del pH.

57. La alcalosis y la acidosis son alteraciones patológicas del pH del organismo.
Se pueden clasificar en:
✓ Metabólicas (producidas por disfunciones o anomalías del metabolismo o
renales)
✓Respiratorias (producidas por alteraciones o problemas originados en las vías
respiratorias, que afectan a la pCO2)

58. Acidosis
La acidosis o disminución
del pH en el organismo
puede clasificarse, según lo
anteriormente expuesto, en
acidosis metabólica y
acidosis respiratoria

59. Tratamiento.
El tratamientoclínicomássencilloconsisteenla administraciónoral de
bicarbonatosódico.
Tambiénse utilizala infusiónal enfermoporvíaintravenosade disoluciones
isotónicasde naturalezaligeramentealcalina: porejemplo, infusionesde
tampónTris, [tris-(hidroximetil)aminometano], tambiénllamadotrometamina

65. CONTINUARÁ…