BIOQUMICA

GENERAL Universidad Nacional Daniel Alcides Carrin

Agosto del 2014 Ing. Lucio Rojas Vitor

BIOQUMICA GENERAL

1. DEFINICIN DE BIOQUMICA: Es rama de la Biologa y de la Qumica que

procede del prefijo bios, trmino griego que

significa "vida y Qumica estudia la materia.

La bioqumica es la ciencia que estudia la

composicin qumica(elementos y

sustancias qumicas) presentes en los seres

vivos o en las clulas, especialmente las

protenas, carbohidratos, lpidos y cidos nucleicos, adems de otras pequeas molculas

presentes en las clulas y las reacciones qumicas que sufren estos compuestos que les

permiten obtener energa y generar macromoleculas.

Por lo tanto como su nombre lo indica, es la qumica de la vida. Por consiguiente, acta

como puente en el intervalo entre la qumica, el estudio de las estructuras y la

interaccin de tomos y molculas, y la biologa, el estudio de las estructuras y las

interacciones de clulas y organismos. Dado que los elementos vivientes estn

compuestos por molculas inanimadas, la vida, en su nivel ms bsico, es un fenmeno

bioqumico.

El origen aproximado de la Bioqumica se ha establecido en el ao 1828 se descubri

que la molculas biolgicas, como la urea, se podan sintetizar a partir de componentes

no vivos.

2. NIVELES DE ORGANIZACIN BIOLGICA O ORGANIZACIN VIVA En la organizacin de la materia viva se

distinguen dos niveles jerrquicos: qumicos

y biolgicos:

El nivel qumico tenemos a los biolementos,

biomolculas simples, las macromolculas y

los complejos macromolculares.

En el nivel biolgico tenemos la clula, los

tejidos, los rganos, los sistemas, los

individuos pluricelulares, la poblacin, la

comunidad y ecosistema.

2.1 Nivel de organizacin qumica Los seres vivientes tienen una complejidad enorme, incluso las clulas ms simples

como el Escherichia coli, contiene unos 3 a 6 mil moleculas diferentes, el Homo

sapiens por ejemplo, pueden contener 100.000 tipos diferentes de molculas. Por

consiguiente se podria suponer que obtener una comprensin bioqumica coherente

de cualquier organismo sera una tarea en extremo dificil.

Ejm: Escherichia coli: Corte transversal simulado de una clula de E.coli con un aumento de alrededor de un milln de veces. El lado derecho del dibujo muestra las numerosas capas de la pared

celular y la membrana, en su superficie exterior presenta lipopolisacridos. Un flagelo abajo a la

derecha es fijado por un motor en la membrana interna. El citoplasma, que ocupa la regin media del

dibujo, est repleto sobre todo de ribosomas encardo de la produccin de protenas, el lado izquierdo

contiene presencia de ADN.

Uno de los interrogantes centrales en la bioqumica es el modo que se forman las

estructuras biolgicas, esto se puede explicar, las unidades monomricas1 de

macromolculas se adquiere ya sea en forma directa por la clula como nutrientes o se

sintetizan a partir de sustancia ms simples. Acontinuacin veremos como estan formados

los seres vivos:

1 Manomricas: Es una molcula de pequea masa molecular que unida a otros

monmeros, a veces cientos o miles, por medio de enlaces qumicos, generalmente

covalentes, forman macromolculas llamadas polmeros.

a. bioelemento - tomos y partculas subatmicas El tomo es la unidad de materia ms pequea de un elemento qumico, una

partcula muy reducido de tamao de 10-8

cm, cada una de ellas tiene sus

estructura sub atmica constituida por partculas elementales (electrn, protones y

neutrones), y que no es posible dividir

mediante procesos qumicos. Est

compuesto por un ncleo atmico, en el que

se concentra casi toda su masa, rodeado de

una nube de electrones.

El ncleo atmico est constituido por

protones (con carga positiva) y neutrones

(sin carga). La carga total del ncleo

atmico (positiva) es igual a la carga negativa de los electrones. Un tomo en su

estado natural es neutro y tiene nmero igual de electrones y protones

Ejm: carbono: El carbono tiene un nmero atmico (Z) de seis, lo que significa

que tiene seis protones en el ncleo y seis electrones en la corteza, que se

distribuyen en dos electrones en la primera capa y cuatro en la segunda capa.

Este nmero es un entero, que se denomina nmero atmico y se designa por la

letra "Z". En el caso del carbono como dijimos es Z= 6.

La suma del nmero de protones y neutrones en el ncleo se denomina nmero

msico del tomo y se designa por la letra, "A". En el carbono la suma de

protones ms neutrones nos darn 12.

b. Molculas Simples(biomolculas)

La unin de dos bioelementos constituye las molculas

simples. El modo particular de interaccin entre los

distintos bioelementos, los enlaces que forman entre ellos,

dan lugar a una gran variedad de biomolculas.

Las ms importantes son:

Biomolculas inorgnicas: agua y sales minerales.

Biomolculas orgnicas simples: como aminocidos, monosacridos,

nucletidos y cidos grasos.

c. Macromolculas

Estn constituidas de la unin de molculas

simples. Las biomolculas que tienen las

propiedades de unirse entre s, se convierten en

unidades de molculas ms grandes. Las

macromolculas. Las ms importantes son las

protenas, compuesta por aminocidos, los

carbohidratos constituidos de monosacridos;

los cidos nucleicos, constituido de nucletidos

y cidos grasos forman los lpidos.

d. Complejos macromoleculares

Las clulas contienen numerosos complejos macromoleculares. Las

macromolculas constituyen estructuras complejas tales como las membranas y

las organelas. Estos complejos macromolculas es las suma de protenas,

carbohidratos, lpidos y otros.

Las estructuras de los complejos

macromolculas estn presentes

tanto en procariotas como en

eucariotas, pero difieren en ambos

tipos de organismos. Un complejo

de macromolculas que se

encuentra en todas las clulas es la

membrana plasmtica.

Ejm: La membrana

citoplasmticas y otras organelas

conforman la clula.

2.2 Nivel de organizacin biolgica

e. Clulas La clula es la unidad estructural y

funcional de los seres vivos. Las clulas

se forman a partir de la suma de los

complejos macromolculas.

f. Tejidos Est constituido por asociacin e

integracin funcional de clulas con

caractersticas semejantes o de la misma

condicin. Cada clula conservando su

individualidad, se une a otras dando un

conjunto que adquiere propiedades

especficas. Tenemos diferentes tejidos

animal y vegetal.

g. rganos Los rganos estn formados por la unin de diferentes

tejidos. Cada tejido aporta sus caractersticas

particulares. Los resultados son cuerpos con

funciones integrales. En los animales son rganos

caractersticas ejm: uno de los rganos del sistema

circulatorio es el corazn. En las plantas

destacan la raz, el tallo, las hojas, las

flores, las semillas y los frutos.

h. Nivel sistmico

El conjunto de rganos forma los sistemas de

rganos. Los sistemas de rganos trabajan en

forma integrada y desempean una funcin

particular. Ejm. Sistema circulatorio,

respiratorio, nervioso, reproductor, etc.

En las plantas distinguimos el sistema

radicular y vegetativo. El sistema radicular

est formado por un conjunto de races y el sistema

vegetativo por el tallo y las hojas.

i. Individuos

El conjunto de sistemas nos formara un individuo.

En los individuos ms simples un individuo es una

clula y por ende se

llama unicelular. Los

individuos multicelulares

est formado por 2 o

ms clulas.

j. Poblaciones Las poblaciones son grupos de individuos de la misma

especie que se ubican en el rea y tiempo determinado.

k. Comunidad Poblaciones de especies distintas que comparten un

rea geogrfica comn. En trminos ecolgicos, las

comunidades incluyen a todas las poblaciones que

habitan un ambiente comn y que interactan entre

s. Estas interacciones son las fuerzas principales de

la seleccin natural.

l. Ecosistemas

Los ecosistemas estn formados por componentes o

comunidades biticas y abiticas que interactan

entre s.

Ejm: Organizacin jerrquica de la estructuras qumicas y biolgicas

3. COMPOSICIN BIOQUMICA DE LOS SERES VIVOS

La tabla peridica est

compuesta por 117

elementos de los que

solamente 92 tienen

presencia natural. El resto

ha sido obtenido a partir de

ellos en laboratorios, de

ellos unos 70 se

encuentran en los seres vivos.

De estos solo unos 27 se encuentran

en todos en cierta abundancia y

cumplen una cierta funcin, a estos

elementos qumicos lo llamamos

bioelementos.

Los ms abundantes son: C, H, O, N (estos 4 constituyen suman ms del 95% de la masa

celular).

3.1 Clasificacin de los bioelementos:

Si se realiza un anlisis qumico detallado de la composicin de cada uno de los seres vivos y

luego se promedia el resultado se podr determinar que algunos bioelementos son ms

abundantes que otros, en base a este criterio se puede clasificar en:

1. Elementos mayoritarios

Estn presentes en porcentajes superiores al 0,1 % y aparecen en todos los seres vivos.

a. Bioelementos primarios (C, H, O, N, P, S)

Principales constituyentes de las biomolculas. En conjunto suma el 95% de la

materia viva (C 19.5 %, H 9.5 %, O 62 % y N 4 %).

b. Bioelementos secundarios (Na, K, Ca, Mg, Cl), en conjunto 4,5% de la materia

viva.

2. Elementos minoritarios (Oligoelementos): Fe, Mn, Zn, Mo, Se, Si, etc. Presentes en

porcentajes inferiores al 0,1%, no son los mismos en todos los seres vivos. Son

indispensables para el desarrollo armnico del organismo.

Imagen: Se muestra una tabla peridica, lo que seala solamente elementos qumicos

presentes en los seres vivos, lo que se observa los cuadros de color amarillo, rojo, verde

son los biolementos mayoritarios y los cuadros transparentes son los bioelementos

minoritarios.

3.2 Formas de Incorporacin de los Bioelementos al Organismo

El C,H,O,N son elementos abundantes en la

naturaleza por lo cual son fcilmente

aprovechables por los seres vivos, la

primera incorporacin de estos elementos

a la cadena alimentaria ocurre a travs de

los organismos auttrofos.

El carbono(C), hidrogeno (H) y oxigeno(O),

se incorporan a las plantas y algas como

dixido de carbono (CO2) y agua (H2O),

mientras que el nitrgeno(N) lo hacen a travs de los bacterias nitrificadoras que juntos

con las races capturas el nitrgeno desde la atmsfera.

3.3 Funciones de los Bioelementos Primarios

El carbono(C), hidrogeno (H) y oxigeno(O),

nitrgeno(N), fosforo (P), Azufre(S) se unen

para formar las siguientes biomolculas:

3.4 Funciones de los Bioelementos Segundarios y Oligoelementos

Calcio. Es un elemento que constituye el

tejido seo y dentario. En las

aves, conforma la glndula

nidamentosa segrega calcio que

envuelve al huevo.

Sodio. Interviene en la regulacin

hdrica, una baja concentracin

de sodio en los tejidos

determina una sensacin de

sed.

Imagen: Bioelementos Segundarios en los hombres

4. LAS BIOMOLCULAS Los bioelementos se unen dentro de los seres vivos mediante enlaces qumicos entre s para formar molculas, a las que llamaremos biomolculas. Adoptan mltiples conformaciones y cumplen diversas funciones, de acuerdo al grado de complejidad y de estructura que presenten.

4.1 Clasificacin de las biomolculas

Las biomolculas se clasifican en biomolculas orgnicas e inorgnicas como se muestra en el siguiente cuadro:

Asimismo existe otras sustancias son de gran importancia para los seres vivos pero estos las

necesitan en muy pequea cantidad y nunca tienen funciones energticas ni estructurales. Las

enzimas que son biocatalizadores y vitaminas.

Biomolculas inorgnicas.

a. Agua: El agua 60-90% de la materia viva

b. Las Sales Minerales: Aparecen formando estructuras esquelticas, como el

carbonato de calcio (caparazones

calcreos) o el fosfato de calcio

(esqueleto de vertebrados).

Biomolculas orgnicas.

a. Glcidos: compuestos orgnicos

como los azucares, almidn presentes en el ser vivo, formados por

monosacridos.

b. Lpidos: Los lpidos son molculas

orgnicas conformadas por las

grasas, aceites, ceras. Los lpidos

estn formados por cidos grasos.

c. Protenas: Son macromolculas

formadas por aminocidos.

d. Acido nucledo: Son responsables

del almacenamiento, interpretacin y transmisin de la informacin gentica.

Estn formados por nucletidos.

4.2 Interacciones Biolgicas o Enlaces de los bioelementos

Los elementos se combinan y forman las biomoleculas, los tomos tienden a

asociarse formando molculas, la unin entre tomos se establecen a travs de

enlaces qumicos, y estos nuevos agregados poliatmicos (biomoleculas) se

comportan como unidades elementales de nueva sustancia, a veces se asocian

dos tomos iguales como en el caso del oxigeno(O2), a las molculas que estn

constituidas por tomos diferentes se denomina compuestos como por ejemplo, la

molcula de agua, formada por dos tomos de hidrogeno y uno de oxigeno (H2O)

a. El Enlace Covalente: Este tipo de enlace se forma cuando dos tomos

comparten uno o ms pares de electrones y son bastantes estables. Se forman

porque los tomos tratan de completar el nmero de electrones de su capa

electrnica ms externa (capa de valencia)2.

El tomo de carbono tiene 4 electrones de

valencia en la ltima capa. Esto hace que

pueda unirse a otros tomos mediante cuatro

enlaces covalentes.

El hidrgeno tiene un electrn de valencia, por lo que slo podr formar un

enlace simple.

El oxgeno tiene dos electrones

de valencia por lo que podr

formar dos enlaces simples o

uno doble, igual que el azufre.

El nitrgeno tiene tres

electrones de valencia por lo

que podr formar tres enlaces

simples, uno doble y otro

simple, o uno triple.

Este tipo de unin es la que encontramos en las molculas biolgicas

orgnicas, se trata de un enlace muy resistente cuando la molcula est en

disolucin acuosa, lo que es el caso de los seres vivos.

2 La Valencia: de un determinado elemento qumico se puede definir como su capacidad de combinacin, y

es un digito que indica el nmero de enlaces con que el elemento interviene en el compuesto. Por ejemplo, la valencia de carbono es cuatro, y podr formar cuatro enlaces.

El carbono (C) se une con los otros elementos (H, O, N, P, S) por medio de

enlaces covalentes, as como tambin se une a otros tomos de carbono dando

largas cadenas, como veremos ms adelante.

b. Enlaces No Covalente: Este tipo de enlace son dbiles que se forman entre

biomolculas.

Enlaces inicos o electrovalente:

Es la unin de tomos que resulta

de la presencia de atraccin

electrosttica entre los iones de

distinto signo, es decir, uno

fuertemente electropositivo (baja

energa de ionizacin) y otro

fuertemente electronegativo (alta

afinidad electrnica).

Algunos tomos tienden a ganar o

a perder electrones con gran facilidad (debido a su configuracin

electrnica) formando partculas cargadas que se denominan IONES.

Aquellos tomos que ganan con facilidad electrones se dice que son

electronegativos3, formarn entonces iones con carga negativa que se

denominan ANIONES. Si el tomo pierde electrones los llamamos

electropositivos y por lo tanto se formarn iones con carga positiva o

CATIONES.

Unin puente hidrgeno. Este

tipo de interaccin es de

naturaleza relativamente fuerte.

Es muy comn en molculas en

medio acuoso. Para que se

forme un puente de hidrogeno es

necesario la presencia de un

tomo de hidrogeno(H) unido

3 Electronegatividad: Se puede definir como la tendencia que presentan los tomos a atraer hacia si el par

de electrones compartido. Cuando mayor sea el numero de electrones, mas fcil ser completar su ltima capa; por lo tanto, los tomos que tengan ms electrones en su ltima capa son ms electronegativos. En el caso en los seres vivos el oxigeno y el nitrgeno son ms electronegativos que el carbono y el hidrgeno.

covalentemente a un tomo electronegativo(habitualmente el O y N) que,

debido a su carga parcial positivo ser atrado por otro tomo

electronegativo presente en una molcula diferente

Para los tomos que participan en la formacin de enlaces de hidrgeno el orden de electronegatividad es: O > N > C > H (ver figuras).

En las biomolculas que se da los puentes de hidrogeno son en las

protenas y de los cidos nucleicos. En las hlices a de las protenas se

forman puentes de hidrgeno. Las dos hebras del DNA se mantienen unidas

mediante los puentes de hidrgeno, que se forman entre las bases

nitrogenadas.

Tambin se dan puente de hidrogeno entre

dos o ms molculas de agua (Ver Imagen).

Fuerzas de Van der Waals. El trmino "fuerzas de van der Waals"

engloba colectivamente a las fuerzas de atraccin y repulsin entre las

molculas. Son fuerzas de atraccin dbiles que se establecen entre

molculas pero son muy numerosas y desempean un papel

fundamental en multitud de

procesos biolgicos.

Uniones hidrofobicas.

Las fuerzas hidrofbicas difieren mucho de

las anteriores descritas en que nos presenta

en naturaleza electrosttica. En este caso

no va ver interaccin: la unin se basa

nicamente a mantener unidas a las

molculas hidrofbicas4. La fuerza que mantiene unidas a las molculas

hidrofbicas se basan en la tendencia de expulsar el agua de su entorno, la

interaccin hidrofbicas les obliga a mantener unidas formando

estructuras para alejarse del agua y as formar verdaderamente una

barrera hidrofbicas, como las membranas lipdicas que definen las clulas

y sus orgnulos.

En un medio acuoso, las molculas hidrofbicas una parte es amiga del

agua y la otra parte no se junta con el agua.

Ejm de la unin hidrofbicas:

Las que se establecen entre los fosfolpidos

que forman las membranas celulares

(forman bicapas)

5. INTERRELACIN DE LA BIOQUMICA CON OTRAS CIENCIAS

En la medicina: se utiliza para la decodificacin del mapa gentico humano y el saber

cmo leerlo para detectar dnde se forman algunas enfermedades, se abre un

horizonte de insospechadas consecuencias para detectar enfermedades, combatirlas o

incluso, para manipular genticamente a personas.

Ayuda a valorar la respuesta al tratamiento.

Surge tratamientos

Biotecnologa: Uso de las clulas para elaborar medicinas, alimentos y otros productos

tiles para los seres humanos, dandole valor agregado a la materia prima.

Cuatro ciencias biolgicas poseen un impacto especial en el desarrollo biotecnolgico,

ciencia relacionada con el elemento vivo y los procesos que los mismos desarrollan;

estos son Biologa, la Microbiologa, la Bioqumica y la Gentica.

Gentica : se apoya en al bioqumica de los cidos nucleicos.

Nutricin: estudio de compuestos orgnicos.

4 Hidrofbico: Fobia, odio al agua- Hidrfilo: atraccin por el agua.

Avances recientes de la bioqumica aplicado a la Ingeniera Ambiental.

La fitorremediacin.

El trmino fitorremediacin hace referencia a una serie de tecnologas que se basan en

el uso de plantas para limpiar o restaurar ambientes contaminados, como aguas y

suelos.

Se compone de dos palabras, fito(ta), que en griego significa planta o vegetal, y

remediar (del latn remediare), que significa poner remedio al dao, o corregir o

enmendar algo. Por lo tanto:

Fitorremediacin significa remediar un dao por medio de plantas o vegetales.

De manera ms completa, la fitorremediacin puede definirse como una tecnologa

sustentable que se basa en el uso de plantas para reducir in situ la concentracin o

peligrosidad de contaminantes orgnicos e inorgnicos de suelos, sedimentos, agua,

a partir de procesos bioqumicos realizados por las plantas y microorganismos

asociados a su sistema de raz que conducen a la reduccin, mineralizacin,

degradacin, volatilizacin y estabilizacin de los diversos tipos de contaminantes.

La fitorremediacin Acutica

Tradicionalmente, las plantas vasculares acuticas han sido consideradas como una

plaga en sistemas enriquecidos con nutrientes. Su rpida proliferacin puede dificultar

la navegacin y amenazar el balance de la biota en los ecosistemas acuticos.

Tratamiento del lirio acutico

(Eichhornia crassipes)

con diferentes dosis de Pb.

Spirodela polyrhiza, conocida

comnmente como flor de agua,

lagrimilla o lenteja de agua.

Uno de los principales procesos que ocurren en el tratamiento de aguas residuales, es la

degradacin de la materia orgnica que llevan a cabo los microorganismos que viven sobre y

alrededor de las races de las plantas. Los productos de degradacin son absorbidos por las plantas

junto con nitrgeno, fsforo y otros minerales. A su vez, los microorganismos usan como fuente

alimenticia parte o todos los metabolitos desechados por las plantas a travs de su raz. Otro

fenmeno importante es el relacionado con la atraccin electrosttica entre las cargas elctricas

de las races de las plantas con las cargas opuestas de partculas coloidales suspendidas, las cuales

se adhieren a la superficie de la raz y posteriormente son absorbidas y asimiladas por las plantas y

los microorganismos.

6. LAS SALES MINERALES

Adems del agua en los seres vivos se encuentran otras molculas inorgnicas: Las sales

minerales, las cuales se dividen en dos grandes grupos:

a) Insolubles en agua(Sustancias minerales precipitadas). Son aquellas que no estn

disueltas en el agua y que forman, originando estructuras slidas insolubles, con

naturaleza esqueltica, formando tantos exoesqueletos5 o como endoesqueletos6.. Las

principales son:

Carbonato clcico, que forma los caparazones de

moluscos y crustceos.

Fosfato clcico, que forma parte de los huesos de los

vertebrados.

Fluoruro clcico, que se encuentra en el esmalte de los

dientes.

Slice, que forma los caparazones de las algas diatomeas y

tambin se halla recubriendo las hojas de algunas plantas

gramneas, hacindolas cortantes.

b) Solubles en agua(Sales minerales disueltas): Solubles en agua. Estas sales se encuentran

disociadas en sus iones correspondientes, las sustancias minerales al disolverse mantienen

constante el grado de salinidad dentro del organismo y ayudan a mantener el equilibrio

cido-base (pH), lo que es imprescindible para el correcto desarrollo de las reacciones

metablicas celulares. los cuales son los que actan en los seres vivos.

Entre los cationes destacan: Na+, K+, Mg2+, Zn2+, Fe2+, Fe3+, Cu+, Cu2+ y Mn2+.

Entre los aniones se encuentran: Cl- , HCO3-, SO4, I

-, H2PO7

4, HPO4

6.1 Propiedades y funciones biolgicas

5 El exoesqueleto es el esqueleto externo continuo que recubre toda la superficie de los animales del filo

artrpodos (arcnidos, insectos, crustceos y otros grupos relacionados), donde cumple una funcin protectora, de respiracin, proporcionando el sostn necesario para la eficacia del aparato muscular. Tambin se llama exoesqueleto a la base, frecuentemente mineralizada, que secretan los corales 6 El endoesqueleto es una estructura interna de soporte de un animal.

7 Fosfato dihidrogeno

Constitucin de estructuras de sostn y proteccin. Las sales precipitadas como el

carbonato clcico (CaCO3), fosfato clcico (Ca3(PO4)2,) forman estructuras tan importantes

como los caparazones o las conchas de muchos organismos y los huesos en los seres

humanos respectivamente.

Las funciones biolgicas

requieren de la presencia de

sales minerales en forma de

iones como los cloruros, los

carbonatos, fosfatos y los

sulfatos para realizar

diversas funciones

especficas como:

Amortiguar con el fin de

evitar cambios de pH,

mediante el efecto amortiguador y como catalizadores

Las sales ms importantes tenemos al sodio (Na), el potasio (K), Magnesio (Mg), calcio (Ca)

y el fosforo(P)

SODIO: El sodio es el catin ms abundante de los lquidos extracelulares del

organismo. El sodio constituye uno de los factores principales regulacin del equilibrio

cido-base. Asimismo regula la presencia de agua en el organismo, ayuda a los

riones determinar la cantidad de agua para excretar y la cantidad de agua para

mantener en el cuerpo. Estos alimentos son obtenidas mediante generalmente

verduras y a travs del cloruro de sodio.

POTASIO: Este elemento es uno de los minerales ms importantes para nuestro

organismo. Es necesario para el funcionamiento de los msculos y el sistema nervioso

evitando la contraccin. Fuentes: la fruta (tomate, banana) y verdura fresca, las

legumbres y los frutos secos.

CALCIO: Forma parte de los huesos, del tejido conjuntivo y de los msculos. Junto con

el potasio y el magnesio, es esencial para una buena circulacin de la sangre. El 99% de

este mineral en el cuerpo forma parte del esqueleto seo (huesos), reemplazndose

un 20% cada ao. Fuentes: productos lcteos y derivados, frutos secos, verduras.

MAGNESIO: El magnesio tiene una gran importancia en el control de la forma en que

las cargas elctricas son utilizadas por el cuerpo para conducir el paso de los

nutrientes dentro y fuera de las clulas. Tambin tiene beneficios comprobados en

tratamientos de nerviosismo, sensibilidad al ruido y temblor en las manos. El magnesio

ayuda a proteger la acumulacin de calcio en los depsitos de las zonas urinarias. Esto

favorece que el calcio y el fsforo sean solubles en la orina y previene que stos se

conviertan en clculos.

FOSFORO: Es un componente esencial de los huesos, cartlago y exoesqueleto de

crustceos, es un componente esencial de los fosfolpidos, cidos nucleicos, los

fosfatos inorgnicos sirven como buffers importantes en la regulacin del balance

normal cido-base (es decir pH) de los fluidos corporales.

7. EL AGUA COMO BIOMOLCULA

El agua es la biomolcula ms abundante en el ser humano. Constituye entre el 60% al 90% del

peso del cuerpo de los seres vivos, debindose mantener alrededor de estos valores. De lo

contrario, el organismo sufrira graves situaciones de desequilibrio.

7.1 Importancia del Agua

Est presente en todos los lugares de la clula, es el medio de transporte de los

nutrientes celulares y el medio de reaccin en el que tiene lugar la inmensa mayora

de las reacciones qumicas del metabolismo; es en definitiva, el medio en el que se

mueven e interactan las dems biomolculas.

Es el solvente por naturaleza, principal componente del aparato circulatorio, permite

mantener la temperatura del cuerpo.

La abundancia del agua en la materia viva no debe conducirnos al error de

considerarla como un lquido inerte con la nica misin de rellenar espacios vacos en

los organismos vivos. Muy por el contrario, el agua participa activamente como

reactivo en muchas reacciones qumicas celulares y, lo que es ms importante, la

estructura y propiedades de muchas biomolculas y otros componentes celulares

dependen de su interaccin con las molculas de agua que los rodean. Por lo tanto es

el principal disolvente biolgico.

La diferencia de agua entre del hombre y las plantas representa los dos tercios (2/3)

del peso total del hombre y hasta 9 dcimas partes del peso de los vegetales.

7.2 Agua corporal en los seres humanos:

75 % (NACIMIENTO)

60 % (DESDE 1 AO ADULTEZ)

50 % (ADULTOS MAYORES)

60% 75% 50%

7.3 Estructura Molecular Del Agua

La molcula de agua libre est formada por un tomo de

Oxigeno unido a otros dos tomos de Hidrogeno es

triangular de este modo, los tres (H-O-H) tomos de la

molcula forman un ngulo de 104,5 y la distancia de

enlace O-H es de 0,96 A. Puede considerarse que el

enlace en la molcula es covalente, con una cierta

participacin del enlace inico debido a que

tienden a ganar o a perder electrones entre los

tomos que la forman.

Las dos restantes direcciones de enlace

corresponden a los electrones sin compartir

ocupados cada uno de ellos por una pareja de

electrones.

Esta estructura condiciona muchas de las

propiedades fsicas y qumicas del agua, debido

fundamentalmente a la posibilidad de

establecimiento de puentes de hidrgeno entre

molculas agua y con otras molculas.

Para recordar un enlace por puente de hidrgeno se efecta

entre un tomo electronegativo y el tomo de hidrogeno (tomo

electropositivo).

Cada molcula de agua puede interactuar por puentes de

hidrogeno con otras cuatro molculas de agua.

Los enlaces de hidrgeno no se presentan solamente en el agua,

tienden a formarse entre cualquier tomo electronegativo tal

como: O, N, F.

Este tipo de enlace dbil es de vital importancia, no solo para permitir la formacin y rotura

de los enlaces y, por lo tanto da naturaleza liquida al agua, sino tambin porque gracias a

este tipo de interaccin se va disolver muchas molculas biolgicas en este medio.

La estructura del agua, va desordenndose de un

modo creciente, es decir, aumenta su entropa, a

medida que aumenta su temperatura.

7.4 El agua como disolvente.

Entre las excepcionales propiedades fsicas del agua destaca por su importancia biolgica la

extraordinaria capacidad que presenta para disolver una amplia gama de sustancias, dado que

la gran mayora de las biomolculas se encuentran en las clulas en disolucin acuosa.

Al igual que las dems propiedades fsicas, la capacidad disolvente del agua est basada en su

naturaleza dipolar8, que le permite establecer interacciones electrostticas con determinados

tipos de solutos.

Podemos considerar tres tipos de sustancias en lo que se refiere a su solubilidad en agua:

sustancias hidroflicas, sustancias hidrofbicas, y sustancias anfipticas.

Las molculas hidrfilas "les gusta" el agua, son molculas

polares por lo que se mezclan con agua, por ejemplo sales

minerales y las biomolculas orgnicas poseedoras de grupos

funcionales ionizados al pH de la clula (por ejemplo los

aminocidos).

Otras muchas son sustancias polares, como las biomolculas

orgnicas (por ejemplo los azcares).

Las molculas hidrofbicas son las que "nos les gusta" el agua, son

bsicamente molculas no polares, como los lpidos en general, por

esto el aceite o grasas no se mezcla con agua.

La molculas anfipticas tienen ambas caracterstica, son

molculas largas, donde una parte es no polar y un extremo es

polar, por lo tanto la molcula es capaz de mezclarse con lquidos

no polares y polares Ejm: fosfolipidos.

Se les denomina as a las molculas que presentan dos extremos

uno hidroflico (que se siente atrado por el agua) o polar y otro

hidrofbico (que siente rechazo al agua)o no polar,

estas molculas se encuentran en la bicapa lipdica

de la clula la cual sirve como barrera de selectividad

de sustancias que van del interior al exterior o

8 Dipolar: El agua es una molcula neutra, pero, al estar formada por un elemento muy electronegativo, el

oxgeno, y por otro electropositivo, el hidrgeno, tiene un carcter dipolar. Es decir, la molcula se comporta como si por un extremo tuviera carga negativa (-), y por el otro, carga positiva (+). Cuando se dice que es polar y no polar: Las molculas polares y no polares son tipos de uniones covalentes en las que dos o ms tomos comparten electrones hasta tener ambos ocho en su ltimo orbital. Las polares se dan entre elementos con distinta electronegatividad o capacidad de atraer electrones, como ocurre por ejemplo en el caso del H2O (agua). Las no polares se dan entre tomos del mismo elemento, ya que tienen igual electronegatividad. Un ejemplo de ellas es el O2 (oxgeno).

viceversa.

7.5 Flujo del agua en los animales y plantas

Segn su compartimentacin, el agua corporal se puede clasificar en agua intracelular y

extracelular:

El agua intracelular existe en el interior de la

clula y constituye un 70% o 2/3 del total del

agua existente en el organismo.

El agua extracelular o liquido extracelular(LEC), constituye un 30% del contenido total

de agua en el organismo y comprende el agua que se encuentra fuera de la clula,

puede clasificar en:

Est dividido en dos compartimientos: el

intravascular (IV) y el intersticial (IT).

El compartimiento intravascular corresponde

al interior de los vasos sanguneos; all circula

la sangre, cuya mayor parte est formada por

un lquido llamado plasma. El plasma representa la cuarta(25%) parte del LEC.

El lquido intersticial (IT) es la porcin del LEC que baa a las clulas o se encuentra

fuera de la celula y se encuentra fuera de los vasos. ste representa las tres cuartas

partes del LEC(75%).

7.6 Ingestin y Excrecin del Agua

La ganancia de agua en el organismo se deriva de dos tipos de fuentes: La exgena y endgena.

La exgena, est constituda por la suma de: el contenido de agua de los alimentos y el agua

consumida en forma lquida.

La endgena, es el agua que se produce durante la oxidacin de los alimentos y corresponde a

300 ml/da: 1 g de carbohidratos proporciona 0.55 ml de agua, 1 g de protena proporciona

0.41 mL y 1 g de grasa libera 1.07 mL.

En lo referente a la ingestin y excrecin de agua en los seres humanos, los valores

considerados como normales son los siguientes:

Ingestin media (2700 ml)

o Bebida: 1500 ml

o Alimentos: 700 ml

o Endgena: 300 ml

Excrecin (2700 ml)

o Respiracin: 150- 225 ml

o Transpiracin, evaporacin: 450 - 675 ml

o Orina: 1500 ml

o Heces: 250 ml

7.7 Cmo obtienen agua las plantas?

Las plantas obtienen agua a travs de estructuras especializadas. Las races, en la mayora de

las plantas y Rizoides, en plantas pequeas de zonas muy hmedas.

Las plantas con sus races buscan agua debajo de la tierra y de all toman agua que las llevan

por sus venas hasta el tronco y sus ramas.

El agua circula a travs de las plantas, desde la raz hacia las hojas por el xilema.

7.8.- El Agua Como Reactivo

El agua no es tan slo el

disolvente en el que tienen

lugar las reacciones qumicas de

las clulas vivas, sino que a

menudo participa efectivamente como reactivo en dichas reacciones. Un tipo de reaccin

qumica muy comn en los seres vivos es la hidrlisis9 (del griego "rotura por el agua") en la

que una molcula de agua se adiciona a un enlace qumico rompindolo. Esta reaccin

participa en la degradacin biolgica de distintos tipos de biomolculas.

7.9 Ionizacin del agua, cidos, bases y tampones

El pequeo grado de ionizacin del agua en iones hidrgeno e iones hidroxilo tambin debe ser tenido en cuenta. La molcula de agua tiene una ligera tendencia a

ionizarse reversiblemente dando lugar a un ion hidrgeno y un ion hidroxilo segn la

9 Hidrlisis: es una reaccin qumica entre una molcula de agua y otra molcula, en la cual la molcula de

agua se divide y sus tomos pasan a formar parte de otra especie qumica

reaccin que se refleja en la Figura.

Para la ionizacin reversible del agua, como para cualquier otra reaccin qumica,

podemos escribir su constante de equilibrio:

La constante de equilibrio de la ionizacin reversible del agua nos permite describir este

proceso en trminos cuantitativos, es decir, conocer en qu grado se encuentra ionizada el

agua a una temperatura determinada.

Como la concentracin del (H20) agua no disociada es muy grande 55,5 M

De donde viene: 55,5 M.

Viene de calcular la concentracin molar del H2O:

Considerando 1 L o 1 Kg:

[H2O]= masa

PM

=1000 gr = 55 mol/lt = 55M

18 gr/mol

Dado que las concentraciones de iones hidrgeno e hidroxilo en el agua pura son muy

bajos, este valor es esencialmente constante (55 M), no disminuye significativamente

cuando el agua se ioniza, por lo que podemos sustituirlo en la ecuacin anterior y

reordenarla como sigue:

El trmino Kw se conoce como producto inico del agua, y es constante para una

temperatura dada. El valor de Keq, que se ha determinado a partir de las medidas de

conductividad elctrica en el agua pura, es de 1,8 x 10-16 M a 25C. Sustituyendo este valor

en la ecuacin anterior tenemos:

As, el valor del producto inico del agua a 25C es 10-14. A partir de este valor se puede

calcular la concentracin de iones hidrgeno e iones hidroxilo en el agua pura a 25C.

Como si se disocia una molcula de agua se obtiene un

ion hidrgeno y un ion hidroxilo podemos deducir

que:

Slo una de cada diez millones de molculas se

encuentra ionizada en el agua pura a 25C. El agua

pura contiene un ion hidrgeno como ion hidroxilos, por lo tanto, es neutra.

El producto inico del agua depende de la temperatura, pudiendo expresarse el valor de Kw . A una temperatura de 25 C, es constante. El Kw. Cambia con la temperatura, un pequeo cambio en la temperatura, por ejemplo de 37C a 40 C, causa incremento de 8% en hidrogeno. As pues una pequea elevacin o descenso de temperatura puede producir un cambio biolgico profundo en organismos vivos sensibles a la concentracin de hidrgenos.

En una disolucin acuosa, si [H+] es igual a [OH-], tal como ocurre en el agua pura, se dice que la disolucin es neutra; si [H+] es mayor que [OH-] se dice que es cida; y si [H+] es menor que [OH-] se dice que es bsica. En cualquier caso, el producto de ambas concentraciones (Kw) es constante e igual a 10-14 a 25C, de tal modo que si una de las dos concentraciones es elevada la otra debe ser proporcionalmente reducida para que el producto inico del agua permanezca constante. A partir del producto inico del agua se introduce la

escala de pH. La escala de pH constituye una forma gil y

cmoda de expresar las concentraciones de iones

hidrgeno (y consiguientemente de iones hidroxilo) en disoluciones acuosas diluidas.

El pH se define como el logaritmo negativo de la concentracin de iones hidrgeno:

Se define pH= -log (H), donde(H) es la concentracin molar: numero de moles de H+ por

litro de disolucin

Una disolucin acuosa neutra tiene un pH=7 ya que en ella [H+]=10-7 y por lo tanto:

De la misma manera, el pH de una disolucin cida ser menor que 7 y el de una

disolucin bsica mayor que 7. Obsrvese que la escala de pH es logartmica, no

aritmtica: decir que dos disoluciones difieren en una unidad de pH significa que una de

ellas posee una concentracin de iones hidrgeno diez veces superior a la de la otra.

Aunque existen definiciones de cidos y bases de aplicacin ms general, los conceptos

introducidos en su da por Brnsted y Lowry son de mayor utilidad para describir el

comportamiento de cidos y bases.

Segn el concepto de Brnsted-Lowry un cido es un dador de protones, y una base es un

aceptor de protones.

El trmino protn se refiere al ion hidrgeno, H+.

Por ejemplo, el cido actico, un dador de protones, y el anin acetato, su

correspondiente aceptor, forman un par cido-base conjugado relacionado por la reaccin

reversible.

7.11.- Buffers o Soluciones Tampones

Los denominados sistemas tampn o buffer representan la lnea de defensa que posee

nuestro organismo ante los cambios desfavorables en el pH. Un sistema tampn (o

simplemente un tampn), consiste en una disolucin de un par conjugado cido-

bsico que presenta concentraciones aproximadamente iguales de la especie dadora y

de la especie aceptora de protones. Este tampn tiene la capacidad de amortiguar los

cambios bruscos de pH en los organismos biolgicos.

Los amortiguadores son sistemas acuosos que tienden a resistir los cambios en el pH cuando

se les agregan pequeas cantidades de cido (H+) o base (OH-).

Como se vio el concepto de pH, introduciremos ahora el concepto de pK.

El pK expresa tanto la tendencia de un cido a ceder protones como la de su base

conjugada a aceptarlos.

En base a esta frmula se introdujo la ecuacin de Henderson-Hasselbalch.

Se puede definir el pK como el valor de pH de una solucin amortiguadora en el que

el cido y la base se encuentran a concentraciones equimoleculares o al 50% cada

una.

Para definir mejor tenemos un ejemplo:

Si se aade 1 ml de HCl a un litro de agua pura (pH 7) el pH descender

aproximadamente hasta un valor de 2;

Si se aade la misma cantidad de HCl a un litro de plasma sanguneo, que tiene su

propio sistema tampn, el pH slo descender desde 7,4 hasta aproximadamente 7,2.

Si se aade un cido a una disolucin de tales caractersticas (sistema de tampn), lo

que implica un aumento en la concentracin de iones H+, el par conjugado reacciona

desplazando su equilibrio de disociacin en el sentido de retirar iones H+ de la

disolucin de manera que el pH no vara o lo hace muy poco. Si por el contrario se

aade una base, los iones hidroxilo retirarn iones hidrgeno de la disolucin para

formar agua y el par conjugado reaccionar desplazando su equilibrio de disociacin

en el sentido de liberar ms iones H+ consiguiendo as que el pH tampoco vare.

En el punto medio de esta regin

tamponante, exactamente cuando se

igualan las concentraciones de la especie dadora y de la

especie aceptora de protones, la capacidad de

tamponamiento del par conjugado es mxima. Aplicando la ecuacin Henderson-

Hasselbalch podemos deducir que en este punto el pH de la disolucin es

numricamente igual al pK del par conjugado:

Por lo que podemos afirmar que todo par conjugado cido-bsico tiene capacidad de

tamponamiento para valores de pH prximos a su pK.

Los tres principales amortiguadores en los seres vivos son las protenas, el bicarbonado y el

fosfato.

Protenas

Muchas de las protenas de nuestro organismo en trminos generales y la Hemoglobina en

particular tienen la propiedad de comportarse como buffers biolgicos(pKa= 7.4)

El principal radio de accin de las protenas es el nivel intracelular, contribuyendo de forma

importante en el mantenimiento del pH all.

La Hemoglobina constituye el principal buffer de la sangre, de accionar extremadamente

eficiente gracias a su elevada concentracin y a la gran cantidad de residuos de histidina que

posee en su estructura.

Fosfato

Este buffer ejerce su accin fundamentalmente a nivel intracelular, ya que es aqu donde

existe una mayor concentracin de fosfatos y el pH es ms prximo a su (pKa = 6,8). Este

sistema tambin posee una accin importante a nivel de los tbulos renales.

Bicarbonato

El sistema cido Carbnico-Bicarbonato es el buffer ms importante de nuestro organismo.

Existen mltiples caractersticas que hacen de este sistema un regulador de pH el ms eficaz

en el hombre. En primer lugar se trata de un sistema que est presente en todos los medios

tanto intracelulares como extracelulares. A primera vista su pKa parecera corresponder a un

buffer poco til para nuestro organismo ya que su valor es de 6,10. Sin embargo este hecho se

ve compensado por la posibilidad de regular independientemente las concentraciones tanto

de la especie aceptora de protones como la dadora de protones. La reaccin qumica est

dada por:

H2CO3 H+ + HCO3

-

Es importante tener en cuenta que todos los sistemas buffer estn interrelacionados y que se

amortiguan unos a otros, de modo que todos los amortiguadores de un mismo

compartimento van a actuar conjuntamente ante un cambio en el pH.

El pH de una persona lo ideal es 7.4.

Plantas

El pH de las plantas esta entre 5.2 y 6.5. Algunos jugos de las plantas son muy acidos(naranja y

toronja tiene pH de 3).

Ejercicios:

1. Calcular el pH de una solucin amortiguadora que contiene 0,05 M de cido

actico (Ka = 1,8 x 10-5

) y 0,1 M de acetato de sodio.

pH = pKa + log [Aceptor de protones o base]

[Donador de protones o cido]

pKa = -log Ka

pKa = - log 1,8 x 10-5

pKa = 4,74

[cido] = 0,05 M

[base] = 0,1 M

pH = 4,75 + log [0,1 M]

[0,05 M]

pH = 4,74 + log 2

pH = 4,74 + 0,30

pH = 5,04

2. Calcular el pH de una solucin amortiguadora que es 0.10 M en cido actico y 0.10 M en

acetato de sodio.

Ka para cido actico es 1.8 x 10-5

Solucin:

Podemos determinar el pH utilizando la ecuacin Henderson-Hasselbalch.

pH = pKa + log [Aceptor de protones o base]

[Donador de protones o cido]

Para utilizar la ecuacin necesitamos el pKa del cido y la concentracin del acido y base.

El pKa se puede calcular del Ka:

pKa = -log Ka = -log(1.8 x 10-5) = 4.74

La concentracin de cido actico es 0.10 M. La concentracin de la base conjugada,

acetato de sodio, es tambin 0.10 M

pH = pKa + log [Aceptor de protones o base]

[Donador de protones o cido]

pH= 4.74 + log 0.10 M

0.10 M

pH= 4.74 + log 1

pH= 4.74 + 0 = 4.74

Note que en este caso, pH es igual al pKa. Esto ser siempre cierto cuando tengamos iguales

concentraciones de cido y de base conjugada.

3. Supongamos que tenemos 100 ml del buffer en el problema 2. aadimos 5.00 mL de una

solucin de NaOH 1.00 M. Cul ser el nuevo pH de la solucin?

La primera parte de este problema es una de estequiometra10. Debemos primero decidir la

reaccin qumica que ocurre cuando la solucin de NaOH se aade al buffer de cido

actico/acetato de sodio. NaOH es una base. Reaccionar con el componente cido del buffer.

NaOH + CH3COOH CH3COO- + H2O

Ahora usaremos una tabla de estequiometra. La parte estequiomtrica se resuelve en trmino

de moles. Nos dan los volmenes y las molaridades del hidrxido de sodio, el cido actico y el

acetato de sodio:

OH- + CH3COOH CH3COO- + H20

Medido 5.00 ml 100 ml 100 ml

Factor de conversin

1.00 mol 0.100 mol 0.100 mol

Moles iniciales

Cambio de moles

Moles Finales

A partir de esta informacin, podemos calcular el nmero de moles de cada especie en la

mezcla de reaccin:

10

Es el clculo de las relaciones cuantitativas entre reactantes(o tambin conocidos como reactivos) y productos en el transcurso de una reaccin qumica. La estequiometra es la ciencia que mide las proporciones cuantitativas o relaciones de masa de los elementos qumicos que estn implicados.

5.00 ml NaOH x 1 lt x 1.00 mol OH- = 0.00500 mol OH-

1000 ml 1lt

100 ml CH3COOH x 1 lt x 0.100 mol CH3 COOH= 0.0100 mol CH3 COOH

1000 ml 1lt

100 ml CH3COO- x 1 lt x 0.100 mol CH3 COO- = 0.0100 mol CH3 COO

-

1000 ml 1lt

Podemos entrar esta informacin en la tabla:

OH- + CH3COOH CH3COO- + H20

Medido 5.00 ml 100 ml 100 ml

Factor de conversin

1.00 mol 0.100 mol 0.100 mol

Moles iniciales

0.00500 mol 0.0100 mol 0.0100 mol

Cambio de moles

Moles Finales

Debido a que la proporcin estequiometrica de hidrxido de sodio a cido actico en esta

reaccin es 1:1, podemos mirar a los moles de reactivos y determinar el reactivo limitante. OH-

es el reactivo limitante porque est presente en menor cantidad (se acaba primero). Todo

habr de reaccionar. Cuando hace esto, la misma cantidad de cido actico habr de reaccionar

y la misma cantidad de acetato ser producida.

OH- + CH3COOH CH3COO- + H20

Medido 5.00 ml 100 ml 100 ml

Factor de conversin

1.00 molt 0.100 mol 0.100 mol

Moles iniciales

0.00500 mol 0.0100 mol 0.0100 mol

Cambio de moles

-0.00500 mol -0.00500 mol +0.00500 mol

Moles Finales*

0 mol 0.00500 mol 0.0150 mol

*Podemos calcular ahora el numero final

Este es el final de la parte de estequiometra del problema. Hasta ahora, hemos determinado

que luego de la reaccin, tenemos 0.0050 moles de cido actico y 0.0150 moles de acetato

presentes. Ahora necesitamos determinar el pH de un nuevo buffer que tenga esas cantidades

de CH3COOH y CH3COO-. Para hacer esto, usamos la ecuacin de Henderson-Hasselbalch.

pH = pKa + log [Aceptor de protones o base]

[Donador de protones o cido]

pH= 4.74 + log 0.0150 M

0.0050 M

pH= 4.74 + log 3

pH= 4.74 + 0.47 = 5.21