Captulo 2 Agua y pH C A P ITULO Agua y pH 2Peter J. Kennelly, PhD y Victor W. Rodwell, PhD

Describir las propiedades del agua que explican su tencin de superficie, viscosidad, estado lquido a temperatura ambiente, y poder solvente.O B J E T I V O SDespus de estudiar este captulo, usted debe ser capaz de:

Usar formulas estructurales para presentar varios compuestos orgnicos que pueden servir como donadores de enlace de hidrogeno o como aceptores del mismo. Explicar el papel que desempea la entropa de la orientacin, en un ambiente acuoso, de las regiones polares y no polares de macromolculas. Indicar las contribuciones cuantitativas de los puentes de sal, las alteraciones hidrofbicas y las fuerzas de Van der Waals a la estabilidad de las macromolculas. Explicar la relacin del pH con la acidez, alcalinidad y los determinantes cuantitativos que caracterizan los cidos dbiles y fuertes. Calcular el cambio d pH que acompaa a la adicin de una cantidad dada de cido o base a una solucin amortiguadora. Describir que hacen los amortiguadores, como lo hacen, y las condiciones en las cuales un amortiguador es ms eficaz en condiciones fisiolgicas o en otras condiciones. Ilustrar como la ecuacin de Henderson-Hasselbalch puede usarse para calcular el cambio neto de un polielectrlito a un pH dado.E

IMPORTANCIA BIOMDICAEl agua es el componente qumico predominante de los organismos vivos. Sus singulares propiedades fsicas, que incluyen la capacidad para disolver una amplia gama de molculas orgnicas e inorgnicas, se derivan de su estructura bipolar y de su excepcional capacidad para formar enlaces de hidrgeno. La manera en que el agua interacta con una biomolcula solvatada influye sobre la estructura de ambas, tanto de la biomolcula como del agua. El agua, un excelente nuclefilo, es un reactivo o un producto en muchas reacciones metablicas. La regulacin del equilibrio del agua depende de mecanismos hipotalmicos que controlan la sed, de la hormona antidiurtica (ADH), de la retencin o excrecin de agua por los riones, y de la prdida por evaporacin. La diabetes inspida nefrognica, que comprende la incapacidad para concentrar orina o para hacer ajustes a cambios sutiles de la osmolaridad del lquido extracelular, se produce por falta de capacidad de respuesta de los osmorreceptores de los tbulos renales a la ADH. El agua tiene una propensin leve a disociarse hacia iones hidroxilo y protones. La concentracin de protones, o acidez, de soluciones acuosas por lo general se reporta usando la escala de pH logartmica. El bicarbonato y otros amortiguadores en circunstancias normales mantienen el pH del lquido extracelular entre 7.35 y 7.45. Las alteraciones sospechadas del equilibrio acidobsico se verifican al medir el pH de la sangre arterial y el contenido de CO2 de la sangre venosa. Las causas de acidosis (pH sanguneo < 7.35) son cetosis diabtica y acidosis lctica. La alcalosis (pH > 7.45) puede presentarse despus de vmitos de contenido gstrico cido.

EL AGUA ES UN SOLVENTE BIOLGICO IDEALLas molculas de agua forman dipolosUna molcula de agua es un tetraedro irregular, un tanto asimtrico, con oxgeno en su centro (figura 2-1). Los dos hidrgenos y los electrones no compartidos de los dos orbitales sp3 -hibridados restantes ocupan los ngulos del tetraedro. El ngulo de 105 grados entre los hidrgenos difiere un poco del ngulo tetradrico ideal, de 109.5 grados. El amoniaco tambin es tetradrico, con un ngulo de 107 grados entre sus hidrgenos. El agua es un dipolo, una molcula con carga elctrica distribuida de manera asimtrica en toda su estructura. El tomo de oxgeno fuertemente electronegativo empuja los electrones en direccin contraria a los ncleos de hidrgeno, lo que los deja con una carga positiva parcial, mientras que sus dos pares de electrones no compartidos constituyen una regin de carga negativa local.

FIGURA 2-1 La molcula de agua tiene geometra tetradrica

Una molcula con carga elctrica distribuida de manera asimtrica alrededor de su estructura se denomina dipolo. La constante dielctrica alta del agua depende de su dipolo fuerte. Como se describe de manera cuantitativa mediante la ley de Coulomb, la fuerza de la interaccin F entre partculas que tienen carga opuesta es inversamente proporcional a la constante dielctrica e del medio circundante. La constante dielctrica para un vaco es la unidad; para el hexano es 1.9; para el etanol, 24.3, y para el agua, 78.5. Por ende, el agua disminuye mucho la fuerza de atraccin entre especies cargadas y polares en comparacin con ambientes libres de agua que tienen constantes dielctricas ms bajas. Su fuerte dipolo y constante dielctrica alta permiten al agua disolver grandes cantidades de compuestos cargados, como las sales.

Las molculas de agua forman enlaces de hidrgeno

Un ncleo de hidrgeno parcialmente desprotegido, unido de manera covalente a un tomo de oxgeno o de nitrgeno que extrae electrones, puede interactuar con un par de electrones no compartidos sobre otro tomo de oxgeno o nitrgeno para formar un enlace de hidrgeno. Dado que las molculas de agua tienen estas dos caractersticas, la formacin de enlaces de hidrgeno favorece la autoasociacin de molculas de agua hacia disposiciones orden nadas (fig. 2-2). La formacin de enlaces de hidrgeno ejerce una profunda influencia sobre las propiedades fsicas del agua, lo que explica su viscosidad, tensin superficial y punto de ebullicin excepcionalmente altos. En promedio, cada molcula en agua lquida se asocia por medio de enlaces de hidrgeno con otras 3.5. Estos enlaces son hasta cierto punto dbil y transitorio, con una vida media de unos pocos nanosegundos o menos. La ruptura de un enlace de hidrgeno en agua lquida slo requiere alrededor de 4.5 kcal/mol, menos de 5% de la energa necesaria para romper un enlace OH covalente. La formacin de enlaces de hidrgeno permite al agua disolver muchas biomolculas orgnicas que contienen grupos funcionales que pueden participar en la formacin de enlaces de hidrgeno. Los tomos de oxgeno de aldehdos, cetonas y amidas, por ejemplo, proporcionan pares de electrones solitarios que tienen la capacidad de servir como aceptores de hidrgeno. Los alcoholes y las aminas pueden servir como aceptores de hidrgeno y como donadores de tomos de hidrgeno desprotegidos para formacin de enlaces de hidrgeno (fig. 2-3).

FIGURA 2-1 Izquierda: asociacin de dos molculas de agua dipolares mediante un enlace de hidrgeno (lnea punteada). Derecha: agrupacin de cuatro molculas de agua con enlaces de hidrgeno. Note que el agua puede servir de manera simultnea como donador y como aceptor de hidrgeno.

LA INTERACCIN CON AGUA INFLUYE SOBRE LA ESTRUCTURA DE BIOMOLCULAS

Los enlaces covalentes y no covalentes estabilizan molculas biolgicasEl enlace covalente es la mayor fuerza que mantiene juntas a las molculas (cuadro 2-1). Las fuerzas no covalentes, aunque son de menor magnitud, hacen contribuciones importantes a la estructura, estabilidad y competencia funcional de macromolculas en las clulas vivas. Estas fuerzas, que pueden ser de atraccin o de repulsin, comprenden interacciones tanto dentro de la biomolcula como entre la misma y el agua, que es el principal componente del ambiente circundante.CUADRO 2-1 Energa de enlace para tomos de importancia biolgicaTipode enlaceEnerga(Kcal/mol)Tipode enlaceEnerga(Kcal/mol)

O-O34O=O96

S-S51C-H99

C-N70C=S108

S-H80O-H110

C-C82C=C147

C-O84C=N147

N-H94C=O164

Las biomolculas se pliegan para colocar a grupos polares y cargados sobre sus superficiesCasi todas las biomolculas son anfipticas; esto es, poseen regiones con alto contenido de grupos funcionales cargados o polares, as como regiones con carcter hidrofbico. Las protenas tienden a plegarse con los grupos R de aminocidos con cadenas laterales hidrofbicas en el interior. Los aminocidos con cadenas laterales de aminocidos cargadas o polares (p.ej., arginina, glutamato, serina) por lo general estn presentes sobre la superficie en contacto con agua. Un modelo similar prevalece en una bicapa de fosfolpidos, donde los grupos con cabeza cargada de fosfatidil serina o fosfatidil etanolamina tienen contacto con agua, mientras que sus cadenas la terales de cido graso (acilo) hidrofbicas se agrupan juntas y excluyen el agua. Este modelo maximiza las oportunidades para la formacin de interacciones de carga-dipolo, dipolo-dipolo, y formacin de enlaces de hidrgeno, favorables desde el punto de vista energtico entre grupos polares sobre la biomolcula y el agua. Tambin minimiza contactos desfavorables desde el punto de vista energtico entre el agua y grupos hidrofbicos.

Interacciones hidrofbicasEl trmino interaccin hidrofbica (o hidrfoba) alude a la tendencia de compuestos no polares a autoasociarse en un ambiente acuoso. Tal autoasociacin no est impulsada por atraccin mutua ni por lo que a veces es denominado de manera incorrecta como enlaces hidrofbicos. La autoasociacin minimiza interacciones desfavorables desde el punto de vista energtico entre las molculas de agua circundantes. Dado que los hidrgenos de grupos no polares como los grupos metileno de hidrocarburos no forman enlaces de hidrgeno, afectan la estructura del agua que los rodea. Las molculas de agua adyacentes a un grupo hidrofbico tienen restriccin en cuanto al nmero de orientaciones (grados de libertad) que les permiten participar en el nmero mximo de enlaces de hidrgeno favorables desde el punto de vista energtico. La formacin mxima de mltiples enlaces de hidrgeno slo puede mantenerse al aumentar el orden de las molculas de agua adyacentes, con una disminucin agregada de la entropa. La segunda ley de la termodinmica establece que la energa libre ptima de una mezcla de hidrocarburo agua est en funcin tanto de la entalpa mxima (por formacin de enlaces de hidrgeno) como de la entropa mnima (grados mximos de libertad). De este modo, las molculas no polares tienden a formar gotitas a fin de minimizar el rea de superficie expuesta y reducir el nmero de molculas de agua afectadas. De modo similar, en el ambiente acuoso de la clula viva las porciones hidrofbicas de biopolmeros tienden a estar recluidas dentro de la estructura de la molcula o dentro de una bicapa lpida, lo que minimiza el contacto con agua.

Interacciones electrostticasLas interacciones entre grupos cargados ayudan a dar forma a la estructura biomolecular. Las interacciones electrostticas entre grupos que tienen carga opuesta dentro de biomolculas o entre las mismas se denominan puentes de sal, los cuales tienen fuerza comparable a la de los enlaces de hidrgeno, pero actan en distancias mayores; por ende, a menudo facilitan el enlace de molculas y iones cargados a protenas y cidos nucleicos.

Fuerzas de van der WaalsSurgen por atracciones entre dipolos transitorios generados por el movimiento rpido de electrones de todos los tomos neutros. Las fuerzas de van der Waals mucho ms dbiles que los enlaces de hidrgeno, pero potencialmente abundantes disminuyen en trminos de la sexta potencia de la distancia que separa a los tomos (figura 2-4). De este modo, actan en distancias muy cortas, por lo general de 2 a 4 .

FIGURA 2-4 La fuerza de interaccin de van der Waals varia con la distancia, R, entre especies que interactan. La fuerza de interaccin entre especien que interactan aumenta con la distancia decreciente hasta que son separadas por la distancia de contacto de van der Waals (vase la marca con A). A continuacin sobreviene repulsin debido a la interaccin entre los electrones de cada tomo de molcula. Si bien las interacciones de van der Waals son en extremo dbiles, el efecto acumulativo es considerable para macromolculas como DNA y protenas con muchos tomos en contacto estrecho.

Fuerzas mltiples estabilizan biomolculasLa doble hlice de DNA ilustra la contribucin de mltiples fuerzas a la estructura de biomolculas. Si bien cada cadena de DNA individual se mantiene junta por medio de enlaces covalentes, las dos hebras de la hlice se mantienen unidas de manera exclusiva mediante interacciones no covalentes. Estas ltimas comprenden enlaces de hidrgeno entre bases de nucletido (apareamiento de bases de Watson-Crick) e interacciones de van der Waals entre las bases de purinay pirimidina apiladas. La hlice presenta los grupos fosfato cargado y azcares ribosa polar del esqueleto a agua mientras que resguarda dentro las bases nucletido relativamente hidrofbicas. El esqueleto extendido maximiza la distancia entre fosfatos que tienen carga negativa, lo que minimiza interacciones electrostticas desfavorables.

EL AGUA ES UN EXCELENTE NUCLEFILOLas reacciones metablicas a menudo comprenden el ataque por pares solitarios de electrones que residen sobre molculas ricas en electrones llamadas nuclefilos sobre tomos con pocos electrones llamados electrfilos. Los nuclefilos y electrfilos no necesariamente poseen una carga negativa o positiva formal.El agua, cuyos dos pares solitarios de electrones sp3 tienen una carga negativa parcial, (figura 2-1), es un excelente nuclefilo. Otros nuclefilos de importancia biolgica son los tomos de oxgeno de fosfatos, alcoholes y cidos carboxlicos; el azufre de tioles; el nitrgeno de aminas y el anillo imidazol de la histidina. Los electrfilos comunes son los carbonos carbonilo en amidas, steres, aldehdos y cetonas, y los tomos de fsforo de fosfosteres.El ataque nucleoflico por agua a menudo origina la ruptura de los enlaces amida, glucsido o ster que mantienen juntos a los biopolmeros. Este proceso recibe el nombre de hidrlisis. A la inversa, cuando unidades de monmeros se unen para formar biopolmeros como protenas o glucgeno, el agua es un producto, por ejemplo, durante la formacin de un enlace peptdico entre dos aminocidos:

Si bien la hidrlisis es una reaccin favorecida desde el punto de vista termodinmico, los enlaces amida y fosfoster de polipptidos y oligonucletidos son estables en el ambiente acuoso de la clula. Esta conducta al parecer paradjica refleja el hecho de que la termodinmica que rige el equilibrio de una reaccin no determina la velocidad a la cual proceder. En las clulas, catalticos protena llamadas enzimas aceleran el ndice de reacciones hidrolticas cuando es necesario. Las proteasas catalizan la hidrlisis de protenas hacia los aminocidos que las componen, mientras que las nucleasas catalizan la hidrlisis de los enlaces fosfoster en el DNA y elRNA. Se requiere control cuidadoso de las actividades de estas enzimas para asegurar que slo acten sobre molculas blanco apropiadas en momentos apropiados.

Muchas reacciones metablicas comprenden transferencia de grupo Muchas de las reacciones enzimticas de las cuales depende la sntesis y desintegracin de biomolculas comprenden la transferencia de un grupo qumico G desde un donador D hacia un aceptor A para formar un complejo de aceptor-grupo, A-G: D-G + A A-G + DPor ejemplo, la hidrolisis y la fosforlisis de glucogeno comprenden la transferencia de grupos glucosilo hacia agua o hacia ortofosfato. La constante de equilibrio para la hidrolisis de enlaces covalentes favorece de manera significativa la formacin de productos de divisin. Por el contrario, en muchos casos las reacciones de transferencia de grupo a la cuales depende la biosntesis de macromolculas comprenden la formacin no favorecida termodinmicamente de enlaces covalentes. Los catalticos de enzimas desempean un papel crucial en la superacin de estas barreras en virtud de su capacidad para enlazar directamente entre si dos reacciones que en circunstancias normales estn separadas. Al unir una reaccin de transferencia de grupo energticamente desfavorable con una reaccin termodinmicamente favorable, como la hidrolisis del ATP, puede generarse una nueva reaccin acoplada cuya carga general neta en energa libre favorece la sntesis de biopolmeros.Dado el carcter nucleofilico del agua y su alta concentracin en las clulas, Por qu los biopolmeros como las protenas y el DNA son relativamente estables?, adems, de qu modo la sntesis de biopolmeros puede ocurrir en un ambiente acuoso, en apariencia prohidrolitico? Las propiedades de las enzimas son fundamentales para ambas preguntas. En ausencia de catlisis enzimtica, incluso las reacciones muy favorecidas desde el punto de vista termodinmico no necesariamente tienen lugar con rapidez. El control preciso y diferencial de la actividad enzimtica, as como el secuestro de enzimas en organelos especficos, determinan en que situaciones fisiolgicas un biopolmero dado se sintetiza o o degradara. Los biopolmeros recin sintetizados no se hidrolizan de inmediato, ya que los sitios activos de enzimas biosisteticas secuestran sustratos en una ambiente del cual es factible excluir en agua. Las molculas de agua muestran una tendencia leve pero importante a disociarse

La capacidad del agua para ionizarse, si bien es leve, tiene importancia fundamental para la vida. Dado que el agua tiene la capacidad de actuar como una cido y como una base, su ionizacin puede representarse como una transferencia de protn intermolecular que forma un ion hidronio (H3O+) y un ion hidroxilo (OH-):H2O + H2O H3O+ + OH-El protn transferido en realidad se relaciona con una agrupacin de molculas de agua. Los protones existen en solucin no slo como H3O, sino tambin como multmeros tipo H5O2+ Y H7O3+. Sin embargo, el protn se representa de manera sistemtica como H+, aun cuando de hecho est muy hidratado.Dado que los iones hidronio e hidroxilo se recombinan de manera continua para formar molculas de agua, es imposible declarar que un hidrgeno u oxgeno individual est presente como un ion o formando parte de una molcula de agua. En un instante es un ion, pero al siguiente forma parte de una molcula de agua; de modo que no se consideran iones o molculas individuales. En lugar de eso, se hace referencia a la probabilidad de que en cualquier instante en el tiempo un hidrgeno estar presente como ion o como parte de una molcula de agua. Dado que 1 g de agua contiene 3.46 1022 molculas, la ionizacin del agua puede describirse de manera estadstica. Declarar que la probabilidad de que un hidrgeno exista como un ion es de 0.01 significa que, en cualquier momento dado en el tiempo, un tomo de hidrgeno tiene una probabilidad en 100 de ser un ion pero 99 probabilidades en 100 de formar parte de una molcula de agua. La probabilidad real de que un tomo de hidrgeno en agua pura exista como un ion hidrgeno es de alrededor de 1.8x109. De este modo, la probabilidad de que forme parte de una molcula de agua es de casi la unidad. Dicho de otra manera, por cada ion hidrgeno y cada ion hidroxilo en agua pura, hay 1.8 mil millones o 1.8 109 molculas de agua. Sin embargo, los iones hidrgeno y los iones hidroxilo contribuyen de manera importante a las propiedades del agua.Para la disociacin del agua,

Donde los corchetes representan concentraciones molares (estrictamente hablando, actividades molares) y K es la constante de disociacin. Puesto que un mol pesa 18g, 1 litro (L) (1000g) de agua contiene 1000/18=55.56 mol. As, el agua pura es 55.56 molar. Dado que la probabilidad de que un hidrogeno es de 1.8x10-9 la concentracin molar de iones H+, (o iones OH-) en agua pura es el producto de la probabilidad, 1.8x10-9, veces la concentracin de agua, 55.56 mol/L. El resultado es 1.0x10-7 mol/L.Ahora es posible calcular K para es agua pura:

0.018x10-14 = 1.8x10-16 mol/LLa concentracin molar del agua, 55.56 mol/L, es demasiado grande como para que la disociacin le afecte de manera significativa, de modo que se considera que, en esencia, es constante. Asi, esta constante puede incorporarse en la constante de disociacin K para proporcionar una nueva y til constante KW (W, de wter, agua) llamada el producto ion para el agua. La relacin entre KW y K se muestra a continuacin: mol/L

KW= (1.8x10-16 mol/L)(55.56 mol/L) 1.00x10-14 (mol/L)2Note que la disociacin de K son mol por litro y las de KW son mol2 por L2. Como su nombre lo siguiere, el producto ion KW es igual desde el punto de vista al producto de las concentraciones molares de H+ y OH-: KwA 25C, K = (10-7)2, o 10-14 (mol/L)2; la temperatura por debajo de 25C es un poco mayor de 10-14. Dentro de las limitaciones declaradas del efecto de la temperatura KW es igual a 10-14 (mol/l)2 para todas las soluciones acuosas, incluso soluciones de cidos o bases. Se usa KW para calcular el pH de soluciones acidas y bsicas.

EL pH ES EL LOGARITMO NEGATIVO DE LA CONCENTRACIN DE ION HIDRGENO

El trmino pH fue introducido en 1909 por Srensen, quien lo defini como el logaritmo negativo de la concentracin de ion hidrgeno: pH = -log [H+].Esta definicin, si bien no es rigurosa, es suficiente para muchos propsitos bioqumicos; a fin de calcular el pH de una solucin:

1. Se calcula la concentracin de ion hidrgeno [H+].2. Se calcula el logaritmo base 10 de [H+].3. El pH es el negativo del valor que se encuentra en el paso 2. Por ejemplo, para agua pura a 25C pH = -log [H+] = -log 10-7 = -(-7) =7.0Este valor tambin se conoce como la potencia (power , puissant o potennz del exponente, de ah el uso de p. Los valores de pH bajos corresponden a concentraciones altas de H+, y los valores de pH altos correspondes a concentraciones bajas de H+.Los cidos son donadores de protones y las bases son aceptores de protones. Los cidos fuertes (p. ej., HCL, H2SO4) se disocian por completo hacia aniones y protones, incluso en soluciones fuertemente acidas (pH bajo); por su parte, los cidos dbiles se disocian solo en parte en soluciones acdicas. De modo similar, las bases fuertes (p. ej., KOH, NAOH)- no as las bases dbiles (p. ej., Ca[OH2])- estn por completo disociadas a pH alto. Muchas sustancias bioqumicas son cidos dbiles. Las excepciones son intermediarios fosforilados, cuyo grupo fosforilo contiene dos protones disociables, el primero de los cuales es fuertemente acdico. Los ejemplos que siguen ilustraran como calcular el pH de soluciones acdicas y bsicas. Ejemplo 1: Cul es el pH de una solucin cuya concentracin de ion hidrogeno es de 3.2x10-4 mol/L?pH = -log [H+] = -log(3.2x10-4) = -log(3.2) log(10-4) = -0.5 + 4.0 = 3.5 Ejemplo 2: Cul es el pH de una solucin cuya concentracin de ion hidrxido es de 4.0x10-4 mol/L? Primero se define una cantidad pOH que es igual a -log[OH-] y que puede derivarse a partir de la definicin de KW:Kw10-14Por ende,

log[H+] + log[OH-] = log10-14o bienpH + pOH = 14Para resolver el problema mediante este mtodo:

[OH-] = 4.0x10-4 pOH = - log[OH-] = -log(4.0x10-4) = -log(4.0) log(10-4) = -0.60 + 4.0 = 3.4AhorapH= 14 pOH = 14-3.4 = 10.6Los ejemplos anteriores ilustran de modo la escala de pH logartmica facilita la emisin de reporte y la comparacin de concentraciones de ion hidrogeno que difieran por rdenes de magnitudes de otra, esto es, 0.00032 M (pH 3.5) y 0.000000000025 M (pH 10.6).

Ejemplo 3: Cules son los valores de pH de a) 2.0x10-2 mol/L KOH y b) 2.0x10-6 mol/L KOH? El OH- surge a partir de dos fuentes: KOH y agua. Dado que el pH est determinado por el [H+] total, (y el pOH por el [OH-] total), ambas fuentes deben considerarse. En el primer caso, a) la contribucin del agua [OH-] total es insignificante; es imposible decir lo mismo para el segundo caso, b):

Una vez se ha llegado a una decisin acerca de la importancia de la contribucin por el agua, es factible calcular el pH como se mencion. Los ejemplos anteriores suponen que la base fuerte KOH est por completo disociada en soluciones y que, entonces, la concentracin de iones OH- fue igual a la del KOH ms de la presente al principio en el agua. Esta suposicin es vlida para soluciones diluidas de bases o cidos fuertes, no asi para acidos o bases dbiles. Dado que los electrolitos dbiles solo se disocian un poco en solucin, es necesario usar la constante de disociacin para calcular la concentracin de [H+] (o de [OH-]) producida por una molaridad dada de un cido (o base) dbil antes de calcular el [H+] total (o el [OH-] total) y despus el pH.

Los grupos funcionales que son cidos dbiles tienen gran importancia fisiolgicaMuchas sustancias bioqumicas poseen grupos funcionales que son dbiles. Los grupos carboxilo, los grupos amino y los teres fosfato, cuya segunda disociacin cae dentro del rango fisiolgico, estn presentes en protenas y cidos nucleicos, en casi todas las coenzimas y en casi todos los metabolitos intermediarios. De este modo, el conocimiento de la disociacin de cidos bases dbiles es bsico para entender la influencia del pH intracelular sobre la estructura y la actividad biolgica. La separaciones basadas en carga, como la electroforesis y la cromatografa de intercambio inico, tambin se entiende mejor en trminos de la conducta de disociacin de grupos funcionales. La especie protonada (p. ej., HA o R-NH3+) recibe la denominacin de cido, en tanto que la especie no protonada (p. ej., A- o R-NH2) en su base conjugada. De modo similar, puede hacerse referencia a una base (p. ej., A- o R-NH2) y su acido conjugado (p. ej., HA o R-NH3+). Los acides dbiles representativas (columna izquierda), sus bases conjugadas (al centro) y valores de pKa (columna derecha) incluyen los siguientes.

Las fuerzas relativas de cidos y bases dbiles se expresan en funcin de sus constantes de disociacin. A continuacin se muestran las expresiones para la constante de disociacin (Ka) para dos cidos dbiles representativos, E-COOH y R-NH3+.R-COOH R-COO- + H+Ka

R-NH3+ R-NH2 + H+Ka Dado que los valores numricos de Ka para cidos dbiles son nmeros exponenciales ms fuerte es el cido, ms bajo es el valor de pKa, dondepKa = - logKaNote que pKa se relaciona con Ka como el pH se relaciona con [H+]. Mientras ms fuertes es el cido, ms bajo es el valor de pKa. La pKa se usa para expresar las fuerzas relativas tanto de cidos como de bases. Para cualquier acido dbil, su conjugado es una base fuerte; de modo similar, el conjugado de una base fuerte es un cido dbil. Las fuerzas relativas de bases se expresan en trminos de la pKa de sus cidos conjugados. Para compuestos poliproticos que contienen ms de un protn disociable, se asigna un numero subndice a cada disociacin, comenzando a partir de la unidad en orden decreciente de acidez relativa. Para una disociacin del tipoR-NH3+ -> R-NH2 + H+La pKa es el pH al cual la concentracin del cido R-NH3+ es igual a la de la base R-NH2 A partir de las ecuaciones anteriores que relacionan la Ka con el [H+] y con las concentraciones de cido no disociado y su base conjugadas, cuando [R-COO-] = [R-COOH]O cuando[R-NH2] = [R-NH3+]EntoncesKa = [H+]De este modo, cuando las especias asociadas (protonada) y disociada (base conjugada) estn presentes a iguales concentraciones, de ion hidrogeno [H+] prevaleciente es igual desde el punto de vista numrico a la constante de disociacin, Ka. Si se toman los logaritmos de ambos lados de la ecuacin anterior y se multiplica por -1, las expresiones quedan como sigue:Ka = [H+] logKa = - log[H+] Dado que logKa se define como pKa y log[H+] define al pH, la ecuacin puede rescribirse comopKa = pHEsto es, la pKa de un grupo acido es el pH al cual las especies protonada y no protonada estn presentes a concentraciones iguales. La pKa para un cido puede al aadir 0.5 equivalente de alcalino por equivalente de cido. El pH resultante ser igual a la pKa del cido.

La ecuacin de Henderson-Hasselbalch describe el comportamiento de cidos dbiles y amortiguadores

La ecuacin de Hasselbalch se deduce a continuacin. Un cido dbil, HA, se ioniza como sige:HA H+ + A-La constante de equilibrio para la disociacin es La multiplicacion cruzada da[H+][A-] = Ka[HA]Se dividen ambos lados por [A-]:[H+] = Ka Se toma el logaritmo a ambos lados:log[H+] = log = log Ka + logSe multiplica por -1: -log[H+] = -log Ka - logSe sustituye el pH y la pKa para -log[H+] y logKa, respectivamente; entonces:pH = pKa - logLa inversin del ultimo termino elimina el signo de menos y de la ecuacin de Henderson Hasselbalch:pH = pKa + logLa ecuacin de Henderson Hasselbalch tiene gran valor predictivo en equilibrios protnicos. Por ejemplo, Cuando exactamente la mitad de un cido neutralizada, [A-] = [HA]. En estas condiciones:pH = pKa + log = pH = pKa + log = pKa + 0 Por ende, cuando la mitad de un cido esta neutralizada, `H = `Ka Cuando la proporcin [A-]/[HA] = 100:1,pH = pKa + logpH = pKa + log = pKa + 2 Cuando la proporcin [A-]/[HA] = 1:10,pH = pKa + log = pKa + (-1) Si la ecuacin se evala a proporciones de [A-]/[HA] que varan desde 103 hasta 10-3 y se grafican los valores de pH calculados, el grafico resultante describe la curva de titulacin para un cido dbil (figura 2-5)Las soluciones de cidos dbiles y sus sales amortiguan cambios del pH

Las soluciones de cidos o bases dbiles y sus conjugados muestran amortiguacin, la capacidad para resistir a un cambio del pH despus de la adicin de un cido o una base fuerte. Dado que muchas reacciones metablicas se acompaan de liberacin o captacin de protones, casi todas las reacciones intracelulares estn amortiguadas.El metabolismo oxidativo produce CO2, el anhdrido del cido carbnico, que de no amortiguarse producira acidosis grave. El mantenimiento de un pH constante comprende amortiguacin mediante fosfato, bicarbonato y protenas, que aceptan o liberan protones para resistir a un cambio del pH. En FIGURA 2-5: Curvas de titulacin para un cido de tipo HA El pinto grueso, en el centro de la curva, indica el pKa de 5.0

experimentos donde se usan extractos de tejido o enzimas, el pH constante se mantiene por medio de la adicin de amortiguadores como MES (cido [2-Nmorfolino]- etanosulfnico, pKa 6.1), ortofosfato inorgnico (pK a7.2), HEPES (cido N-hidroxietilpiperazina-N-2-etanosulfnico, pKa 6.8) o Tris (tris[hidroximetil] aminometano, pK 8.3). El valor de pKa respecto al pH deseado es el principal determinante de cul amortiguador se selecciona.La amortiguacin se observa al usar un medidor de pH mientras se titula un cido o una base dbil (fig.2-5). Tambin es factible calcular la desviacin de pH que acompaa a la adicin de cido o base a una solucin amortiguada.En el ejemplo, la solucin amortiguada (un cido dbil, pKa = 5.0 y su base conjugada) se encuentra, al inicio en uno de los cuatro valores de pH; se calcula el cambio de pH producido cuando se aade 0.1 mEq de KOH a 1mEq de cada solucin.Note que el cambio de pH por mEq de OH- aadido depende del pH inicial. La solucin se resiste a cambios del pH con mayor eficacia a valores de pH cercanos al pKa. Una solucin de un cido dbil y su base conjugada amortigua de manera ms eficaz en el rango de pH de pKa + 1.0 unidades de pH. La figura 2-4 tambin ilustra la carga neta en una molcula del cido como una funcin del pH. Una carga fraccionaria de -0.5 no significa que una molcula individual porta una carga fraccionaria sino que la probabilidad es de 0.5 de que una molcula dada tenga una carga negativa de unidad en cualquier momento dado en el tiempo. La consideracin de la carga neta sobre macromolculas como una funcin del pH proporciona la base para tcnicas de separacin, como la cromatografa de intercambio de ion y la electroforesis.

La fuerza del cido depende de la estructura molecular

Muchos cidos de inters biolgico poseen ms de un grupo que se disocia. La presencia de carga negativa adyacente obstaculiza la liberacin de un protn desde un grupo cercano, lo que aumenta su pKa. Esto queda de manifiesto a partir de los valores de pKa tres grupos que se pueden disociar de cido fosfrico y cido ctrico (cuadro 2-2). El efecto de la carga adyacente disminuye con la distancia.El segundo pKa para el cido succnico, que tiene dos grupos metileno entre sus grupos carboxilo, es de 5.6, mientras que el segundo pKa para el cido glutrico, que tiene un grupo metileno adicional, es de 5.4.

Los valores de pKa dependen de las propiedades del medioEl pKa de un grupo funcional tambin est profundamente influido por el medio circundante. El medio puede aumentar o disminuir el pKa dependiendo de si el cido no disociado o su base conjugada es la especie cargada. El efecto de la constante dielctrica sobre el pKa se observa al aadir etanol a agua. El pKa de un cido carboxlico aumenta, mientras que la de una amina disminuye, porque el etanol aminora la capacidad del agua para disolver una especie cargada. De este modo, los valores de pKa de grupos que se estn disociando en los interiores de protenas, estn muy afectados por su ambiente local, lo que incluye la presencia o ausencia de agua.

RESUMEN

El agua forma agrupaciones de enlaces de hidrgeno consigo misma y con otros donadores o aceptores de protones. Los enlaces de hidrgeno explican la tensin superficial, viscosidad, estado lquido a temperatura ambiente y el poder solvente del agua.

Los compuestos que contienen O, N o S pueden servir como donadores o aceptores de enlaces de hidrgeno.Las macromolculas intercambian enlaces de hidrgeno de superficie interna por enlaces de hidrgeno con agua. Las fuerzas entrpicas dictan que las macromolculas exponen regiones polares a una interfaz acuosa y resguardan regiones no polares.

Los puentes de sal, las interacciones hidrofbicas y las fuerzas de van der Waals participan en el mantenimiento de la estructura molecular.

El pH es el logaritmo negativo de [H-]. Un pH bajo caracteriza a una solucin cida, mientras que un pH alto denota una solucin bsica.

La fuerza de cidos dbiles se expresa mediante el pKa, el logaritmo negativo de la constante de disociacin de cido. Los cidos fuertes tienen valores de pKa bajos, en tanto que los dbiles muestran valores de pKa altos.

Los amortiguadores resisten a un cambio del pH cuando se producen o consumen protones. La capacidad amortiguadora mxima ocurre 1 unidad de pH a uno u otro lado del pKa. Los amortiguadores fisiolgicos son bicarbonato, ortofosfato y protenas.

REFERENCIAS

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