Bioquímica

FACULTAD DE SALUD

MATERIAL DE REFERENCIA

BIOQUIMICA

AGUA Y pH

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Bioquímica

BIOQUIMICA

Estudios de los compuestos químicos que forman parte de los seres vivos, así como su comportamiento químico y su participación en los procesos biológicos.

BIOQUÍMICA (Reseña)

En el primer numero de la revista Zeitschriftfur physiologissche CEIME, en 1877, Hoppe-Seyler utilizo el nombre de bioquímica con la intención indudable de que bajo el se amparasen todo estudio e interpretación de la biología desde el punto de vista molecular. Esta fecha puede servir para trazar una gran divisoria en la ciencia y tecnología de las transformaciones moleculares en el seno de los seres vivos. Cuando aparece, pues, el termino bioquímica, hace ya un siglo de la época cumbre de Lavoisier y falta un solo año para la muerte de Claude Bernard; corren los años de los trabajos de proust, Dumas y Von Liebig; y, paralelas en el tiempo transcurren las vidas de bernard, Pasteur Y Darwin.Si puede confirmarse que la química orgánica y la fisiología nacen con la revolución científica que llevo a cabo Lavoisier; en la misma época, y en virtud del mismo paradigma creado, se establecen relaciones estrechas entre la combustión, la respiración animal y la producción de calor. El ultimo tercio de siglo XVIII comienza a examinarse la presencia en los seres vivos de gran numero de compuestos del carbono. Rouelle investigo sobre la lactosa (773), el almidón (1770) y la clorofila (1773). Scheele descubrió los ácidos tartàrico(1770), músico (1780), láctico (1780), ùrico (1780), oxálico (1776), cítrico (1784), málico (1785), gàlico (1786), la glicerina (1783) y la caseína (1780).Fourcroy y Vauquelin obtuvieron el ácido benzoico (1799). Berzelius obtuvo la fibrina (1813), la caseína (1814) y el ácido cólico (1841). Robiquet aisló la asparagina (1805), la narcotina (1817) y la codeína (1832).Cuando avanza el siglo XIX, la química orgánica y la fisiología, independientes conocen la química de los alimentos y de los componentes del cuerpo humano; llevan a cabo la síntesis de numerosos compuestos orgánicos; Pasteur descubre la asimetría molecular; se comienza a hablar de la digestión haciendo uso de los términos metabolismo, catálisis y enzima. Pero la química orgánica y la fisiología continúan sujetas a los fenómenos, las leyes y las teorías de la valencia y la estereoquímica, de un lado; de otro, a la teoría cromosomica de la herencia, al nacimiento de la endocrinología experimental, a la extensión de las ideas de la fermentación al conocimiento de las bacterias, la asepsia y el origen microbiológico de muchas de las enfermedades humanas y animales.Mediado el siglo XIX, vuelve a establecerse la unión de las ramas, durante un siglo aisladas, de la química orgánica y la fisiología. Y el estudio de los procesos fisiológicos en términos de la química, asiendo uso de las leyes, conceptos y metodología de la química orgánica, ve nacer una nueva rama de la ciencia, la química fisiológica. Esta química logro, en efecto, una yuxtaposición de conceptos, pero que enseguida se hizo inservible para asimilar todo lo que la ciencia ofrecía. Y en la misma medida que la química, en su versión orgánica. Dejo de ser el único soporte de la química fisiológica, la fenomenologia biológica amplio rápidamente su variedad, así como la posibilidad de sus tratamientos moleculares.La nueva dimensión que la biología adquiere en el tratamiento del hombre, la necesidad que la biología siente de penetrar en las situaciones patológicas, los factores sociales y económicos, promotores de un más rápido desarrollo, y, sin duda, la influencia positivista de la época y su impulso de la observación, la medida y el hecho experimental, fueron factores que promovieron esta transformación y que han hacho posible en el siglo presente el proceso de asimilación conceptuales que la bioquímica moderna ha supuesto.

Ángel Martín MunicioDiccionario Esencial de las Ciencias – Ed. ESPASA(Real Academia de las Ciencias Exactas, Físicas y Naturales)

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EL AGUA

El agua, una molécula simple y extraña, puede ser considerada como el líquido de la vida. Es la sustancia más abundante en la biosfera, dónde la encontramos en sus tres estados y es además el componente mayoritario de los seres vivos, pues entre el 65 y el 95% del peso de la mayor parte de las formas vivas es agua.

El agua fue además el soporte donde surgió la vida. Molécula con un extraño comportamiento que la convierten en una sustancia diferente a la mayoría de los líquidos, posee una manifiesta reaccionabilidad y posee unas extraordinarias propiedades físicas y químicas que van a ser responsables de su importancia biológica.

Durante la evolución de la vida, los organismos se han adaptado al ambiente acuoso y han desarrollado sistemas que les permiten aprovechar las inusitadas propiedades del agua.

El contenido de agua varia de una especie a otra; también es función de la edad del individuo (su % disminuye al aumentar la edad) y el tipo de tejido. Puedes ver ejemplos de esto en la siguiente tabla.

CONTENIDO EN AGUA DE ALGUNOS ORGANISMOS YALGUNOS TEJIDOS HUMANOS

Organismo % agua

 

Tejido % agua

Algas CaracolCrustáceosEspárragosEspinacasEstrella marPersona adultaHongosLechugaLombrizMaízMedusaPinoSemillaTabacoTrébol

98 807793937662809583869547109290

Líq. cefalorraquídeo Sangre (plasma)Sangre (Gl. rojos)Tej. nervioso (s.gris)Tej. nervioso (Médula)Tej. nervioso (s.blanca)MúsculoPielHígadoTej. conjuntivoHueso (sin medula)Tej. adiposoDentina

99 91-9360-6585757075-807270-756020-2510-203

Estructura del agua La molécula de agua está formada por dos átomos de H unidos a un átomo de O por medio de dos enlaces covalentes. La disposición tetraédrica de los orbitales sp3 del oxígeno determina un ángulo entre los enlaces H-O-H aproximadamente de 104'5:, además el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y atrae con más fuerza a los electrones de cada enlace.

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El resultado es que la molécula de agua aunque tiene una carga total neutra (igual número de protones que de electrones ), presenta una distribución asimétrica de sus electrones, lo que la convierte en una molécula polar, alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa , mientras que los núcleos de hidrógeno quedan desnudos, desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad de carga positiva.

Por eso en la práctica la molécula de agua se comporta como un dipolo

Entre los dipolos del agua se establecen fuerzas de atracción llamados puentes de hidrógeno, formándose grupos de 3-9 moléculas. Con ello se consiguen pesos moleculares elevados y el agua se comporta como un líquido. Estas agrupaciones, le

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confieren al agua sus propiedades de fluido, en realidad, coexisten estos pequeños polímeros de agua con moléculas aisladas que rellenan los huecos.

Los enlaces por puentes de hidrógeno son, aproximadamente, 1/20 más débiles que los enlaces covalentes, el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan otras moléculas unidas por puentes de hidrógeno, permite que se forme en el seno del agua una estructura ordenada de tipo reticular, responsable en gran parte del comportamiento anómalo y de sus propiedades físicas y químicas.

El agua se presenta en tres estados: Sólida líquida o gaseosa como podemos observar en la siguiente figura:

La estructura del agua y la vida en la tierra

La estructura reticular del agua, se debe a las interacciones entre sus moléculas que se establecen por puentes de hidrógeno. Esto permite, entre otras cosas, que el agua se mantenga en estado líquido entre 0º y 100ºC. Sin este comportamiento extraño, posiblemente no existiría vida en la Tierra. Esta recibe el nombre de planeta azul por su color azulado, vista desde el espacio, debido al agua liquida de su superficie, así como colores blanquecinos debido a las nubes.

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Propiedades del agua

1. Acción disolvente

El agua es el líquido que más sustancias disuelve, por eso decimos que es el disolvente universal. Esta propiedad, tal vez la más importante para la vida, se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con otras sustancias que pueden presentar grupos polares o con carga iónica ( alcoholes, azúcares con grupos R-OH , aminoácidos y proteínas con grupos que presentan cargas + y - , lo que da lugar a disoluciones moleculares. También las moléculas de agua pueden disolver a sustancias salinas que se disocian formando disoluciones iónicas.

En el caso de las disoluciones iónicas figura izquierda arriba los iones de las sales son atraídos por los dipolos del agua, quedando "atrapados" y recubiertos de moléculas de agua en forma de iones hidratados o solvatados.

La capacidad disolvente es la responsable de dos funciones :

1. Medio donde ocurren las reacciones del metabolismo 2. Sistemas de transporte

Hidrofobia: No puede considerarse este término únicamente como la aversión al agua de las personas o animales... Las moléculas que no son polares, como los hidrocarburos, no pueden establecer puentes de hidrógeno, por lo que interrumpen la estructura reticular del agua, que se reorganiza alrededor de cada molécula apolar y forma estructuras altamente organizadas en forma de jaulas. En el interior de cada jaula, las moléculas apolares repelidas por el agua incrementan su cohesión al aumentar las fuerzas que las mantienen juntas lo que se denomina interacción hidrofóbica.

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2. Elevada fuerza de cohesión

Los puentes de hidrógeno mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incomprensible. Al no poder comprimirse puede funcionar en algunos animales como un esqueleto hidrostático, como ocurre en algunos gusanos perforadores capaces de agujerear la roca mediante la presión generada por sus líquidos internos.

¿Se puede comprimir el agua?: La contestación más sencilla es que cualquier cosa se puede comprimir. Lo cierto, es que es mucho más fácil comprimir materia en forma gaseosa que en cualquier otra modalidad. Los gases están compuestos de moléculas muy separadas entre sí. En el caso de los líquidos y sólidos, los átomos y moléculas que los componen están más o menos en contacto. Si no se acercan aún más es por la repulsión mutua de los electrones que existen en las regiones exteriores de los átomos. Esta repulsión es una resistencia mucho más fuerte a la compresión que el movimiento molecular en un gas. Pensemos por un momento que vertimos cierta cantidad de agua en un recipiente rígido abierto por arriba y que ajustamos un pistón en la abertura hasta tocar el agua. Si empujamos el pistón hacia abajo con todas nuestras fuerzas, veremos que apenas cederá. Por eso se dice a menudo que el agua es "incomprensible" y que no se puede apretujar en un volumen más pequeño.Nada de eso, Al empujar el pistón sí que comprimimos el agua, pero no lo suficiente para medirlo. Si la presión aplicada es mucho mayor que la que pueden ejercer nuestros músculos, la disminución del volumen de agua, o de cualquier otro líquido o sólido, llega a ser medible. Por ejemplo si comprimimos 100 litros de agua con una fuerza de 1.050 Kg. Por centímetro cuadrado, su volumen se contraerá a 96 litros.Si la presión aumenta aún más, el volumen seguirá disminuyendo. Bajo tal compresión los electrones son empujados, por así decir, cada vez más cerca del núcleo.Si la presión se hace suficientemente grande –digamos que por el peso acumulado de muchos miles de kilómetros de materia bajo una gran fuerza gravitatoria–, la repulsión electrostática se viene abajo. Los electrones ya no se pueden mantener en órbita alrededor del núcleo y son desplazados. La materia se reduce entonces a núcleos atómicos desnudos y electrones volando de acá para allá en movimientos alocados.Los núcleos son mucho más diminutos que los átomos, de manera que esta "materia degenerada" sigue siendo en su mayor parte espacio vacío. La presión en el centro de la Tierra o incluso de Júpiter no es suficiente para formar materia degenerada, pero en cambio sí la hay en el centro del Sol.

3. Elevada fuerza de adhesión

Esta fuerza está también en relación con los puentes de hidrógeno que se establecen entre las moléculas de agua y otras moléculas polares y es responsable, junto con la cohesión del llamado fenómeno de la capilaridad. Cuando se introduce un capilar en un recipiente con agua, ésta asciende por el capilar como si trepase agarrándose por las paredes, hasta alcanzar un nivel superior al del recipiente, donde la presión que ejerce la columna de agua , se equilibra con la presión capilar. A este fenómeno se debe en parte la ascensión de la savia bruta desde las raíces hasta las hojas, a través de los vasos leñosos.

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4. Gran calor específico

También esta propiedad está en relación con los puentes de hidrógeno que se forman entre las moléculas de agua. El agua puede absorber grandes cantidades de "calor" que utiliza para romper los puentes de hidrogeno por lo que la temperatura se eleva muy lentamente. Esto permite que el citoplasma acuoso sirva de protección ante los cambios de temperatura. Así se mantiene la temperatura constante .

Agua y clima costero: A causa del elevado calor específico del agua, los mares y océanos moderan los climas costeros. El contenido hídrico de los suelos influye en el intervalo de temperaturas (máxima y mínima) que alcanzan, lo cual afecta al riesgo de heladas y a lo temprano o tardío de los cultivos vegetales en localidades concretas.

5. Elevado calor de vaporización

Sirve el mismo razonamiento, también los p.de H. son los responsables de esta propiedad. Para evaporar el agua, primero hay que romper los puentes 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 20º C.

¡La sombra de la higuera!: Cuando se evapora el agua o cualquier otro líquido, disminuye la temperatura, lo que constituye un método eficaz en los vertebrados para disipar calor por sudoración; también las plantas utilizan este sistema de refrigeración, sobre todo algunas como el tomillo, el romero, etc. Estas plantas están adaptadas a los ambientes calurosos del verano, mediante el almacenamiento de esencias volátiles, cuya evaporación provoca un ligero descenso de la temperatura en su entorno.

¿Por qué el hielo flota sobre el agua?: La estructura del hielo, forma un retículo que ocupa más espacio y es menos denso que el agua líquida. Cuando el agua se enfría, se contrae su volumen, como sucede en todos los cuerpos, pero al alcanzar los 4ºC cesa la contracción y su estructura se dilata hasta transformarse en hielo en el punto de congelación. Por eso el hielo es menos denso que el agua y flota sobre ella.Gracias a esta anomalía del agua, los lagos, ríos y mares, comienzan a congelarse desde la superficie hacia abajo, y esta costra de hielo superficial sirve de abrigo a los seres que viven, pues aunque la temperatura ambiental sea extremadamente baja (-50º 0 -60º C), el agua de la superficie transformada en hielo mantiene constante su temperatura en 0ºC.Y el agua del fondo queda protegida térmicamente del exterior, y puede alcanzar los 4º o 5ºC, que son suficientes para la supervivencia de ciertas especies. En esta propiedad se basan los esquimales para construir sus casa de hielo (iglúes).

6. Elevada constante dieléctrica.

Por tener moléculas dipolares, el agua es un gran medio disolvente de compuestos iónicos, como las sales minerales, y de compuestos covalentes polares como los glúcidos.

Las moléculas de agua, al ser polares, se disponen alrededor de los grupos polares del soluto, llegando a desdoblar los compuestos iónicos en aniones y cationes, que quedan así rodeados por moléculas de agua. Este fenómeno se llama solvatación iónica.

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Propiedades Bioquímicas del agua

Los seres vivos se han adaptado para utilizar químicamente el agua en dos tipos de reacciones:

a) En la fotosíntesis en la que los enzimas utilizan el agua como fuente de átomos de hidrógeno.

¿SABIAS QUÉ...?: SON NECESARIOS 800 LITROS DE AGUA PARA PRODUCIR 1Kg. DE TRIGO. Se evalúan de 350 litros de agua a 800 litros, según cultivos, los exigidos para la formación de 1 kg. de materia. De ahí dependen las enormes cantidades de agua que requieren las plantas hasta alcanzar su normal desarrollo. Una cosecha de 4000 kg. de trigo por Hc. exige unos 5000 metros cúbicos de agua, lo que representa un nivel de 0,5 m. de agua sobre la citada superficie.

b) En las reacciones de hidrólisis, en que los enzimas hidrolíticos han explotado la capacidad del agua para romper determinados enlaces hasta degradar los compuestos orgánicos en otros más simples, durante los procesos digestivos.

Funciones del agua Las funciones del agua se relacionan íntimamente con las propiedades anteriormente descritas. Se podrían resumir en los siguientes puntos

1. Soporte o medio donde ocurren las reacciones metabólicas 2. Amortiguador térmico 3. Transporte de sustancias 4. Lubricante, amortiguadora del roce entre órganos 5. Favorece la circulación y turgencia 6. Da flexibilidad y elasticidad a los tejidos 7. Puede intervenir como reactivo en reacciones del metabolismo, aportando hidrogeniones o hidroxilos al medio.

IONIZACIÓN DEL AGUA

Disociación del agua

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Un ion hidrogeno se disocia de su átomo de oxigeno de la molécula (unidos por enlace covalente), y pasa a unirse con el átomo de oxígeno de la otra molécula, con el que ya mantenía relaciones mediante el enlace de hidrógeno.El agua pura tiene la capacidad de disociarse en iones, por lo que en realidad se puede considerar una mezcla de :

agua molecular (H2O ) protones hidratados (H3O+ ) e iones hidroxilo (OH-) (Se utiliza el símbolo H+, en lugar de H3O+).

En realidad esta disociación es muy débil en el agua pura, y así el producto iónico del agua a 25: es

Este producto iónico es constante. Como en el agua pura la concentración de hidrogeniones y de hidroxilos es la misma, significa que la concentración de hidrogeniones es de 1 x 10 -7. Para simplificar los cálculos en 1909 el químico danés Sørensen definió el potencial hidrógeno (pH) como el logarítmo negativo de la actividad de los iones hidrógeno. Esto es:

pH= -log[H+]

Según ésto:

disolución neutra   pH = 7 disolución ácida    pH < 7 disolución básica    pH > 7

El pH del agua es 7 y lo consideramos neutro. Valores mayores serán básicos o alcalinos y valores menores ácidos.

En la siguiente figura se señala el pH de algunas soluciones. En general hay que decir que la vida se desarrolla a valores de pH próximos a la neutralidad.

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Desde entonces, el término pH ha sido universalmente utilizado por la facilidad de su uso, evitando así el manejo de cifras largas y complejas. En disoluciones diluidas en lugar de utilizar la actividad del ión hidrógeno, se le puede aproximar utilizando la concentración molar del ión hidrógeno. Por ejemplo, una concentración de [H+] = 1×10-7 M (0,0000001) es simplemente un pH de 7 ya que : pH = -log[10-7] = 7

El pH típicamente va de 0 a 14 en disolución acuosa, siendo las disoluciones con pH menores a 7 ácidas, y las tiene pH mayores a 7, básicos. El pH = 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 OH-. Puesto que el agua está disociada en una pequeña extensión en iones OH- y H+, tenemos que:

Kw = [H+][OH-]=10-14

en donde [H+] es la concentración de iones de hidrógeno, [OH-] la de iones hidróxido, y Kw es una constante conocida como producto iónico del agua.

Por lo tanto,

log Kw = log [H+] + log [OH-]

-14 = log [H+] + log [OH-]

pOH = -log [OH-] = 14 + log [H+]

Por lo que se puede relacionar directamente el valor del pH con el del pOH.

En disoluciones no acuosas, o fuera de condiciones normales de presión y temperatura, un pH de 7 puede no ser el neutro. El pH al cual la disolución es neutra estará relacionado con la constante de disociación del disolvente en el que se trabaje.

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EL EQUILIBRIO ÁCIDO BÁSICO

En la práctica clínica se producen con cierta frecuencia alteraciones del equilibrio ácido-básico como consecuencia de un gran número de patologías. En la actualidad, el laboratorio dispone de analizadores de gases sanguíneos totalmente automatizados y disponibles de forma permanente para detectar y monitorizar estos trastornos.

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 volátil. La mayor parte de ácido volátil se produce en forma de CO2 durante la 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 provienen del metabolismo de los hidratos de carbono y las grasas, de las nucleoproteínas (ácido úrico) y de los compuestos fosforados inorgánicos (tabla 1).

Tabla 1. Fuentes de los principales ácidos no volátiles: Metionina y cisteína: ácido sulfúrico I. Combustión incompleto de grasos: Ácidos orgánicos 2. Combustión incompleta de hidratos de carbono: Ácidos orgánicos 3. Metabolismo de las nucleoproteínas: Ácido úrico4. Metabolismo de fosfato y fósforo orgánico: H+ y P inorgánico 5. Ácidos potenciales en los alimentos: citrato

A medida que so producen los iones hidrógeno (H+) son neutralizados por sistemas de tampón circulantes, que los preparan para su excreción final del organismo. la capacidad tamponadora total de los diferentes sistemas que son capaces de realizar esta función es aproximadamente de 15 nmol/kg. de peso corporal. La producción normal de ácido no volátil agotaría esa capacidad tamponadora en pocos rifas, pero ello no es así porque los riñones excretan iones H+, restableciendo los depósitos de bicarbonato. De esta forma, el ion H+, como otros iones, está sometido a un estricto control que logra mantener su concentración en los líquidos extracelulares dentro de unos limites que oscilan entre 35 y 46 nmol/L.

Esta concentración es muy baja en comparación con otros iones. Por ejemplo, en el plasma representa aproximadamente una concentración 300.000 veces menor que la del ion sodio (tabla 2). La importancia de mantener este valor dentro de unos límites tan estrechos es evidente si consideramos la influencia que tienen los iones H+. sobre muchos de los procesos metabólicos (por ejemplo, sobre la actividad de las enzimas).

Tabla 2: Concentración de algunos electrólitos en el plasma

Na+: 145.000.000 nmol/L Cl-: 95.000.000 nmol/L HCO-3: 24.000.000 nmol/L K+: 4.500.000 nmol/L Ca2+: 2.500.000 nmol/L Mg2+: 1.000.000 nmol/L H+: 40 nmol/L

En el organismo se produce continuamente H+ pero no OH - ; ésta es una de las razones más importantes del hecho de que la acidosis sea mucho más frecuente que la alcalosis.

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ACIDOS Y BASES

Se puedo definir como ácido toda sustancia capaz de transferir iones H+. - protones - a una base, mientras que 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 se convierte en un ácido conjugado. Hay que tener presente la existencia de sustancias capaces de comportarse como ácido o como baso, según el entorno químico en el que se encuentran.

ACIDO BASE CONJUGADA

Cuando trabajamos con ácidos y bases fuertes el calculo del pH se reduce a simples expresiones considerando que estos se disocian al 100% (los ácidos y bases fuertes se definen por esto). De esta forma una solución 0.1 M de HCl (ác. clorhídrico, un ácido fuerte) tendra una concentración 0.1 M de protones y por lo tanto un pH igual al logaritmo negativo de 0.1, es decir, 1 (muy ácido). Mientras que una solución 0.1 M de NaOH (hidróxido de sodio, una base fuerte) tendra una concentración 0.1 M de OH-, por lo tanto un pOH = 1, y como es sabido que la suma de pH y pOH es igual a 14 se llega a la respuesta de que el pH es igual a 13.

No todos los ácidos y bases se disocian totalmente. Algunos son débiles, ya que se disocian parcialmente. En este caso el valor de pH puede calcularse fácilmente conociendo la esteoqueometría de la reacción química y su naturaleza. Supongamos el caso general de un ácido AH que se disocia en un solvente (agua) de la siguiente forma:

AH + H2O --> A- + H+3O

Con A- como la base conjugada del ácido y H+3O el ácido conjugado de la base (este par de conceptos deben de estar claros

para hacer más sencillo y lógico el desarrollo). La ecuación anterior expresada deacuerdo a la constante de acidez Ka, la cual es solo la constante de equilibrio de la reacción, seria:

Ka = [A-][H+3O]

--------- [AH][H2O]

Ahora solo basta conocer la constante de equilibrio del ácido AH y las concentraciones de las especies en el equilibrio para poder calcular la concentración de H+

3O (también conocida como [H+]). Observando la estequiometria de la reacción se deduce que la [A-] es igual a [H+

3O] y la concentración de [AH] sera la concentración inicial del ácido AH sin disociar menos la concentración que se disocio de este en el equilibrio, en otras palabras, [A-]. De lo anterior se llega a:

Ka = (x2) ---------- (AHi - x)

Recordando que la [H2O] es siempre considerada como 1 en las ecuaciones de equilibrio.

De forma similar a la anterior podemos decir que en el caso de una base fuerte B +, que se comporta en una reacción de la siguiente forma:

B+ + H2O --> BH + OH-

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Si conocemos la concentración de la base fuerte en solución y la constante de basicidez de la base se puede llegar a calcular [OH-] o el pOH y de esto calcular el pH (recordar que la supa de pH y pOH es igual a 14 y que el producto de sus concentraciones es igual a Kw, es decir, 10-14).

No siempre es obligatorio resolver la ecuación de segundo grado para estimar el pH en presencia de un ácido o base débil, ya que pueden asumirse ciertas condiciones que permiten simplificar los cálculos. Esto no siempre es correcto. Supongamos que estamos trabajando con un ácido debil con una Ka muy pequeña, de esto podriamos decir que el ácido se disocia muy poco, quizas tan poco como para poder despreciarse en la ecuación de equilibrio, si asi lo fuera podriamos calcular el pH como:

Ka = (x2) ----------

(AHi)

Ya que la concentración de AH en el equilibrio es muy similar a la inicial, ya que es muy poco lo que se disocia (y en una resta de algo muy grande menos algo muy chico el resultado es muy similar al valor más grande). Parecería que se están asumiendo muchas condiciones pero en realidad no, siempre y cuando estemos trabajando con ácidos o bases debiles que se disocien muy poco (constantes de equilibrio muy pequeñas, del orden de los 10-3 y menores, con concentraciones iniciales del ácido o la base debiles razonablemente grandes como 0.1). Para estar más seguros también se puede realizar el siguiente calculo:

[AHi] [H+supuesto]

------- = --------100% X

Si X resulta ser mayor que el 5% entonces el supuesto (calculado despreciando la disociación) es falso y es necesario desarrollar la ecuación de segundo grado.

SISTEMAS DE TAMPÓN

Un amortiguador ácido-básico es una solución de dos o más compuestos químicos 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.Cuando a una solución que contiene bicarbonato sódico se le añade un ácido como el clorhídrico, ocurre la siguiente reacción:

HCl + NaHCO3 H2CO3 + NaCl

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 bajarla ligeramente el pH de la solución.

De la misma forma, si añadimos una base fuerte, como el hidróxido sódico, a una solución que contiene ácido carbónico, tendrá lugar la siguiente reacción:

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NaOH + H2CO3 NaHCO3 + H2O

Donde observamos que el ion del hidróxido sódico se combina con el ion hidrógeno del 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 (NaHCO3 ).

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 efectuar 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 liquido intracelular hay muy poco bicarbonato sódico, y el ion bicarbonato es proporcionado por el bicarbonato potásico y magnésico.

Existen otros sistemas tampón en el organismo que, aunque con menos intensidad que el que acabamos de describir, también contribuyen a mantener estable el pH. Esos sistemas son el fosfato y las proteínas.

Mediante la aplicación de la ecuación de Henderson-Hasselbalch podemos deducir que en un individuo normal, con un pH de 7,4, la relación existente entre el bicarbonato y el asido carbónico es de 20:1, y el organismo tratará de corregir cualquier alteración de esta relación para mantener la estabilidad de este equilibrio.

Para estudiar el equilibrio ácido-básico de un paciente debemos medir por lo menos dos de estos tres parámetros: pH, pCO2

y HCO-3, obteniéndose el restante mediante un cálculo matemático (actualmente los analizadores de gases miden pH y pCO2

y calculan HCO-3).

El CO2 y, consiguientemente el ácido carbónico, cuya concentración es controlada por los pulmones, se denominan de forma genérica componente respiratorio, mientras que el bicarbonato, que es controlado por los riñones, recibe el nombre genérica de componente metabólico o renal.

En condiciones normales, tanto los pulmones como los riñones son capaces de aumentar o disminuir el nivel de sus respectivos constituyentes tampón para alcanzar el objetivo primario; es decir, la relación 20:1, que es esencial para mantener el pH normal de la sangre.

Veamos a continuación cómo se intenta mantener este equilibrio en algunas situaciones patológicas.

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 pCO2 normal produce unta disminución de la relación entro el bicarbonato y el ácido carbónico (menos de 20:1), por lo que ocasiona una reducción del pH. Algunas causas de esta alteración son la cetosis diabética, la intoxicación ácida (por ejemplo, el ácido acetilsalicilico) y la acidosis láctica por sobrecarga muscular. En todas estas situaciones el organismo tiende a reponer la relación normal de 20:1 entre el bicarbonato y el ácido carbónico. A este proceso lo conocemos como compensación. En la acidosis metabólica los pulmones tienden a compensar eliminando cantidades mayores de CO2, hiperventilando. Al reducir la pCO2, como el bicarbonato está bajo por la alteración primaria, se tiende a restablecer la relación 20:1 entre el bicarbonato y el ácido carbónico y, en consecuencia, el pH se desplaza hacia la normalidad. Fisiológicamente, la compensación nunca es completa.

La alcalosis metabólica se caracteriza por la presencia de bicarbonato en exceso y puede producirse como consecuencia del agotamiento del ácido en el organismo o de la ingestión de un exceso de base. En estas condiciones, un nivel aumentado de bicarbonato se asocia a una pCO2 normal y el resultado es un aumento en la relación bicarbonato / ácido carbónico, lógicamente con la elevación del pH sistémico. Algunas causas de este trastorno son los vómitos persistentes, el lavado gástrico, el exceso de medicación diurética y la ingestión desordenada de sustancias alcalinas. En todos estos casos el sistema reaccionará para restablecer el equilibrio entre bases y ácidos y normalizar el pH. El centro de control respiratorio inducirá una hipoventilación con retención de CO2 y, por tanto, de nuevo se compensa el aumento del bicarbonato con aumento de la pCO2.

La acidosis respiratoria se caracteriza por la incapacidad de los pulmones para eliminar todo el CO 2 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. Algunas causas de esta alteración son la enfermedad broncopulmonar, 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+ causando, de este modo, un incremento del bicarbonato.

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Bioquímica

Por último, la alcalosis respiratoria se caracteriza por una eliminación excesiva de CO2 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. Las causas más frecuentes de este trastorno son los estados de ansiedad, fiebre alta, anoxia e intoxicación por ciertos fármacos. En este caso, la compensación la establecen los riñones, reduciendo la producción de bicarbonato.

Hemos de recordar que, 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.

Los organismos vivos no soportan variaciones del pH mayores de unas décimas de unidad y por eso han desarrollado a lo largo de la evolución sistemas de tampón o buffer, que mantienen el pH constante mediante mecanismos homeostáticos. Los sistemas tampón consisten en un par ácido-base conjugada que actúan como dador y aceptor de protones respectivamente.

El tampón bicarbonato es común en los líquidos intercelulares, mantiene el pH en valores próximos a 7,4, gracias al equilibrio entre el ión bicarbonato y el ácido carbónico, que a su vez se disocia en dióxido de carbono y agua:

Si aumenta la concentración de hidrogeniones en el medio por cualquier proceso químico, el equilibrio se desplaza a la derecha y se elimina al exterior el exceso de CO2 producido. Si por el contrario disminuye la concentración de hidrogeniones del medio, el equilibrio se desplaza a la izquierda, para lo cual se toma CO2 del medio exterior.

ECUACIÓN DE HENDERSON –HASSELBACH.

La relación entre el pH de una solución y las concentraciones de un ácido y su base conjugada pueden ser derivadas al despejar [H+] de la ecuación de la constante de disociación del ácido:

A

HAKH

Si se extrae el logaritmo negativo de la ecuación, se tiene:

A

HAlogKlogHlog

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Bioquímica

recordar que el logaritmo de un producto es igual a la suma de los multiplicandos.

El pH es igual al logaritmo negativo de [H+], definiendo en analogía con la ecuación de Sörensen, pK = - logK se tiene:

A

HAlogpKpH

para obtener la ecuación de Henderson-Hasselbach hay que invertir el – log [HA]/[A-], lo que involucra cambiar el signo:

HA

AlogpKpH

o más generalmente:

rotonesdonadordeprotonesaceptordep

logpKpH

Esta ecuación indica que el pK de un ácido es numéricamente igual al pH de la solución cuando las concentraciones molares del ácido y su base conjugada son iguales (log1=0).

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Bioquímica

Sales minerales

Además del agua existe otras biomoléculas inorgánicas como las sales minerales. En función de su solubilidad en agua se distinguen dos tipos: insolubles y solubles en agua.

1. Sales insolubles en agua.

Forman estructuras sólidas, que suelen tener función de sostén o protectora, como :

o Esqueleto interno de vertebrados, en el que encontramos : fosfatos, cloruros, y carbonatos de calcio o Caparazones de carbonato cálcico de crustáceos y moluscos. o Endurecimiento de células vegetales, como en gramíneas (impregnación con sílice). o Otolitos del oído interno, formados por cristales de carbonato cálcico (equilibrio).

2. Sales solubles en agua.

Se encuentran disociadas en sus iones (cationes y aniones) que son los responsables de su actividad biológica. Desempeñan las siguientes funciones:

o Funciones catalíticas. Algunos iones, como el Cu+, Mn2+, Mg2+, Zn+,...actúan como cofactores enzimáticos

o Funciones osmóticas. Intervienen en los procesos relacionados con la distribución de agua entre el interior celular y el medio donde vive esa célula. Los iones de Na, K, Cl y Ca, participan en la generación de gradientes electroquímicos, imprescindibles en el mantenimiento del potencial de membrana y del potencial de acción y en la sinapsis neuronal.

o Función tamponadora. Se lleva a cabo por los sistemas carbonato-bicarbonato, y también por el monofosfato-bifosfato.

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