QUÍMICA MÉDICA

GUÍA DE SEMINARIOS Y

PROBLEMAS DE QUÍMICA APLICADOS

A LA MEDICINA HUMANA

Responsable de la asignatura: MSc. Angel Alvarado Yarasca

Coordinador de la asignatura:

Q.F. Mario Pineda Pérez

Coordinador de Seminarios: Mg. Hugo Villanueva Vílchez

AUTORES:

MSc. Angel Alvarado Yarasca Mg. Hugo Villanueva Vílchez Mg. Antonio Quezada Reyes

Q.F. Neuman Mario Pineda Pérez Q.F. Gaby Ochoa Pachas

Q.F. Gloria Taber Chuecas Mg. John Ponce Pardo

2013

QUÍMICA MÉDICA SEMANA 2

ELEMENTOS BIOGENÉTICOS Y ENLACE QUÍMICO EN LA MEDICINA Objetivo Identificar los elementos químicos de importancia médica Determinar los moles, átomos y moléculas de los compuestos químicos. Realizar la notación de Lewis y la regla de octeto de los compuestos de importancia médica. Identificar los enlaces químicos electrostáticos y covalentes de los compuestos químicos. Realizar la estructura espacial geométrica de los compuestos químicos. Dinámica de pequeño grupo Resolver con su facilitador los ejercicios y problemas propuestos en la presente semana. S-1. La hemoglobina de los eritrocitos contiene 0,33% en masa de hierro. Si el peso molecular de la hemoglobina es de 68 000 uma. Determine cuántos átomos de Fe hay en la molécula de hemoglobina? S-2. La nicotina es un alcaloide que activa a los receptores nicotínicos neuronales (NN o N1) y nicotínicos neuromusculares (NM o N2). Determine la masa molar de la nicotina en g/mol?. Los enlaces químicos de importancia en las ciencias médicas son: Las atracciones electrostáticas: puente de hidrógeno, enlace iónico Enlace de Van der Waals Enlace hidrófobo Enlace covalente Atracciones electrostáticas En la atracción mutua de una carga positiva y una carga negativa. Enlace iónico Es la atracción de iones en la que un catión (ion de carga positiva, en la que tiene un electrón menos) se une con un anión (de carga negativa, en la que tiene un electrón de más). Ejemplos de enlace iónico en la medicina:

Los anestésicos locales (lidocaína, procaína) tiene un grupo amino terminal catiónico que interacciona con el grupo carboxilato aniónico del canal de sodio. Proponer el enlace químico entre la lidocaína y el canal de sodio:

La acetilcolina tiene una longitud de 0,5 nm y posee un grupo amino terminal catiónico (trimetilamino de la colina) que interacciona con la subunidad α del receptor muscarínico. Proponer el enlace químico entre la acetilcolina y el receptor muscarínico M2 del miocardio:

Enlace o puente de hidrógeno Es la atracción electrostática entre cargas parciales de signo opuesto denominado dipolo-dipolo.

Si el átomo de hidrógeno con carga parcial positiva (dipolo) hace un puente con dos átomos de carga parcial negativa (dipolo) se genera un puente de hidrógeno. La condición para que se genere el enlace, los átomos de las moléculas deben quedar en línea y que el hidrógeno debe quedar entre dos nubes electrónicas. Proponer los puentes de hidrógeno que se

generan en la noradrenalina con el receptor β1 del miocardio

Enlace de Van der Waals Se genera entre dos porciones de moléculas no polares que se encuentran a escasa distancia entre sí. Las desviaciones espontáneas y pasajeras de la distribución regular de los electrones (dipolos momentáneos de escasa intensidad) inducen modificaciones opuestas en la molécula vecina. Enlaces hidrófobos La atracción entre los dipolos de agua es tan fuerte que una partícula apolar, es decir sin carga, casi no puede desplazarse o mantenerse entre ellos. Las moléculas de agua que se mantienen cercanas repelen la partícula apolar hacia afuera de su centro. En consecuencia, en el organismo, las partículas apolares tienen una mayor probabilidad de encontrarse en un entorno no acuoso apolar, por ejemplo, entre las cadenas de ácidos grasos dentro de las membranas celulares o en las porciones apolares de un receptor. Enlace covalente Dos átomos se unen en un enlace covalente cuando cada uno de ellos aporta al menos un electrón a una nube electrónica común. En la forma estructural, esta condición de un par electrónico común se representa como una línea de unión. El enlace covalente es firme, con escasa o nula reversibilidad Ejemplos de enlace covalente en la medicina:

En la intoxicación por organofosforados (paratión, malatión) se genera el enlace covalente denominado fosfoéster que tiene una fuerza de unión de 140 Kcal/mol, lo que lo hace irreversible. El paratión en el organismo se activa en el metabolito paraoxón que reacciona con el grupo OH de la serina de la acetilcolinesterasa, con ello se evita la degradación de la acetilcolina. Para el tratamiento de la intoxicación se utiliza atropina y oximas (pralidoxima, obidoxima). Se desea realizar: La reacción química entre el OFOS y la AchE. La reacción química de reactivación de la AchE con la pralidoxima.

El omeprazol (inhibidor de la bomba de protones) después de su absorción llega a través de la sangre a la zona adyacente del canalículo que tiene un pH de 3, en donde se activa en un metabolito denominado ácido sulfénico, el cual inhibe a la cisteína de la subunidad α de la bomba de protones (H+-K+-ATPasa) de la célula parietal del estómago, generando un enlace covalente denominado puente disulfuro. Se desea realizar: La reacción de transposición de Smiles que genera el ácido sulfénico. La reacción química entre el grupo funcional del ácido sulfénico y el grupo funcional de la cisteína de la bomba de protones.

El ácido acetilsalicílico acetila al grupo hidroxilo de la serina de la prostaglandina H sintetasa 1 (COX1) formando un enlace covalente de tipo éster irreversible, inhibiendo la agregación plaquetaria. La reacción de acetilación ocurre en la sangre de la región esplácnica, antes que llegue al hígado. Los citostáticoa alquilantes se unen de manera covalente manteniendo sus efectos aun después de la finalización de la administración del fármaco, de manera tal que la terapia es poco manejable. Durante la fase II de biotransformación hepática los fármacos se conjugan con el ácido UDP-α-glucurónico y con el ácido sulfúrico activado (3´-fosfoadenosina-5´-fosfosulfato; PAPS).

QUÍMICA MÉDICA SEMANA 3

NOMENCLATURA INORGÁNICA DE IMPORTANCIA MÉDICA Objetivo Formular compuestos de importancia médica. Identificar las funciones oxigenadas e hidrogenadas de los compuestos químicos de utilidad en la

medicina.. Dinámica de pequeño grupo Resolver con su facilitador los ejercicios y problemas propuestos en la presente semana. GRUPO FUNCIONAL Es el átomo o la agrupación de dos o más átomos comunes a todos los compuestos, que confieren a éstos ciertas propiedades y comportamiento químico análogos. FUNCIÓN QUÍMICA Es un conjunto de compuestos con propiedades químicas semejantes, este comportamiento análogo se debe a que poseen el mismo grupo funcional.

GRUPO FUNCIONAL FUNCIÓN QUÍMICA EJEMPLOS H+1 Ácido H2SO4, HNO3, HCl O-2 Óxido CaO, Al2O3, SO2 (O2)-2 Peróxido H2O2, Na2O2, CaO2, BaO2 -OH Hidróxido NaOH, KOH, Ca(OH)2, Al(OH)3 H-1 Hidruro LiH, NaH, CaH2

CLASIFICACIÓN DE LAS FUNCIONES INORGÁNICAS Las funciones inorgánicas se clasifican en oxigenadas e hidrogenadas, teniendo en cuenta su origen, esto indica si derivan de óxidos o derivan de hidruros: Funciones oxigenadas

OXÍGENO + NO METAL METAL

ANHIDRIDO + H2O

ÁCIDOS OXÁCIDOS HIDRÓXIDO (BASES)

SAL OXISAL

OXÍGENO +

ÓXIDO BÁSICO + H2O

Ácidas Básicas Neutras Dobles

Hidratadas

Funciones hidrogenadas

ÓXIDO BÁSICOS Los óxidos básicos resultan de la unión de un metal con el oxígeno. Los óxidos básicos reaccionan con el agua y generan a los hidróxidos. El manganeso es anfótero, con E.O. +2 y +3 actúa como metal; y con E.O. +4, +6 y +7 actúa como no metal. Se desea que proponga la formulación, la fórmula y los nombres de lo se señala en la siguiente tabla:

Formulación Fórmula Nombre IUPAC Nombre stock y clásico (tradicional) Na+1 + O-2 Na2O Monóxido disódico Óxido de sodio K+1 Monóxido dipotásico Óxido de potasio Ca+2 Monóxido de calcio Óxido de calcio Mg+2 Monóxido de magnesio Óxido de magnesio Zn+2 Monóxido de cinc Óxido de cinc (cincita) Al+3 Trióxido de di aluminio Óxido de aluminio (alúmina o corindon) Fe+2 Monóxido de fierro Óxido ferroso Fe+3 Trióxido de di fierro Óxido de hierro (III); óxido férrico

(hematita) Ti+4 Dióxido de titanio Óxido de titanio

El ZnO, que es un polvo blanco que se mezcla con el talco (polisilicato de magnesio hidratado) y es usado como polvo protector de aplicación tópica. El óxido de zinc forma parte de las cremas y pasta para las escaldaduras, dermatitis por pañal y para las escaras. La calamina es una combinación de óxido de zinc con óxido férrico, de color semejante a la piel, y es usado en las quemaduras por los rayos solares y como protector tópico de la piel. El dióxido de titanio es una sustancia que dispersan, reflejan e impiden el paso de la luz, actuando como una barrera física que protege frente a longitudes de onda comprendidos entre 290 y 700 nm. El talco, la calamina y la bentonita son protectores de las radiaciones solares. Óxidos neutros

Formulación Fórmula Nombre IUPAC Nombres comunes N+2 + O-2 NO Monóxido de nitrógeno Óxido nítrico

ÁCIDOS HIDRÁCIDO (HIDRÁCIDOS)

SAL HALOIDEA

HIDRÓGENO

B, C, Si, N P, As, Sb

HIDRURO ESPECIALES

METAL

+

GRUPO VIA y VIIA

HIDRUROS METÁLICOS

NO METAL

+ HIDRÓGENO

HIDRUROS NO METÁLICOS

HIDRÓXIDO (BASES)

ÓXIDOS ÁCIDOS O ANHIDRIDOS Los óxidos ácidos o anhídridos resultan de la unión de un no metal con el oxígeno. Los anhídridos al reaccionar con el agua generan ácidos oxácidos.

Formulación Fórmula Nombre sistemático o IUPAC

Nombre clásico

C+2 + O-2 CO Monóxido de carbono Anhídrido carbonoso C+4 + O-2 CO2 Dióxido de carbono Anhídrido carbónico N+3 + O-2 N2O3 Trióxido de di nitrógeno Anhídrido nitroso N+5 + O-2 N2O5 Pentóxido de di nitrógeno Anhídrido nítrico P+3 + O-2 P2O3 Trióxido de di fósforo Anhídrido fosforoso P+5 + O-2 P2O5 Pentóxido de di fósforo Anhídrido fosfórico S+2 + O-2 SO Monóxido de azufre Anhídrido hiposulfuroso S+4 + O-2 SO2 Dióxido de azufre Anhídrido sulfuroso S+6 + O-2 SO3 Trióxido de azufre Anhídrido sulfúrico Mn+4 + O-2 MnO2 Dióxido de manganeso Anhídrido manganoso (pirolusita) Mn+6 + O-2 MnO3 Anhídrido mangánico Mn+7 + O-2 Mn2O7 Anhídrido permangánico Cl+1 + O-2 Cl2O Monóxido de di cloro Anhídrido hipocloroso Cl+3 + O-2 Cl2O3 Trióxido de di cloro Anhídrido cloroso Cl+5 + O-2 Cl2O5 Pentóxido de dicloro Anhídrido clórico Cl+7 + O-2 Cl2O7 Heptaóxido de dicloro Anhídrido perclórico I+1 + O-2 I2O Anhídrido hipoyodoso I+3 + O-2 I2O3 Trióxido de diyodo Anhídrido yodoso I+5 + O-2 I2O5 Pentóxido de di iodo Anhídrido yódico I+7 + O-2 I2O7 Anhídrido peryódico Se+4 + O-2 SeO2 Dióxido de selenio Anhídrido selenioso Se+6 + O-2 SeO3 Trióxido de selenio Anhídrido selénico

HIDRÓXIDOS Los hidróxidos se generan al hacer reaccionar los óxidos básicos con el agua o al reaccionar un metal con el agua. Hidróxidos generados al reaccionar un óxido básico con el agua:

Formulación Fórmula Nombre tradicional y común Nombre stock Al2O3 Trióxido de di Al

+ 3 H2O 2 Al(OH)3 Hidróxido de aluminio Hidróxido de aluminio

MgO Monóxido de Mg

+ H2O Mg(OH)2 Hidróxido de magnesio (leche de magnesia)

Na2O Óxido de sodio

+ H2O 2 NaOH Hidróxido de sodio (soda cáustica)

K2O + H2O 2 KOH Hidróxido de potasio (potasa cáustica o sosa cáustica)

CaO Óxido de calcio

+ H2O Ca(OH)2 Hidróxido de calcio (cal apagada, agua de cal o lechada de cal)

Hidróxido de calcio

ZnO + H2O Zn(OH)2 Hidróxido de cinc FeO Óxido ferroso

+ H2O Fe(OH)2 Hidróxido de ferroso Hidróxido de hierro (II)

Fe2O3 + 3 H2O 2 Fe(OH)3 Hidróxido férrico (limonita) Hidróxido de hierro (III)

El Al(OH)3 al 15% es una sustancia astringente que suele combinarse con detergentes catiónicos y ser formulada en las cremas y barras como antitransparente. Su función es inhibir la fermentación bacteriana del sudor. El Mg(OH)2 es usado como laxante y combinado con el Al(OH)3 se usa como antiácido.

ÁCIDOS OXÁCIDOS Los ácidos oxácidos se generan al reaccionar un óxido ácido con el agua.

Formulación Fórmula Nombre tradicional N2O3 + H2O 2 HNO2 Ácido nitroso N2O5 + H2O 2 HNO3 Ácido nítrico HClO Ácido hipocloroso HClO2 Ácido cloroso Cl2O5 Ácido clórico Cl2O7 Anhídrido perclórico

Ácido perclórico

I2O3 Ácido yodoso I2O5 Ácido yódico I2O7 Ácido periódico Ácido hiposulfuroso SO2 Ácido sulfuroso SO3 Anhídrido sulfúrico

Ácido sulfúrico

SeO3 Ácido selénico Ácido hipofosforoso Ácido fosforoso P2O5 Ácido fosfórico o ácido

orto fosfórico

CO Ácido carbonoso (inestable)

CO2 Ácido carbónico Br2O3 Anhídrido bromoso

Ácido bromoso

Ácido manganoso Ácido mangánico Ácido permangánico

ÁCIDOS HIDRÁCIDOS Los ácidos hidrácidos son compuestos binarios que resultan de la combinación del hidrógeno (forma de hidrogenión) con los halógenos y calcógenos.

Formulación Fórmula Nombre sistemático o IUPAC Nombre tradicional H+1 + O-2 H2O Agua Agua H+1 + S-2 H2S Sulfuro de hidrógeno Ácido sulfhídrico H+1 + Cl-1 HCl Cloruro de hidrógeno Ácido clorhídrico H+1 + F-1 HF Fluoruro de hidrógeno Ácido fluorhídrico H+1 + I-1 HI Yoduro de hidrógeno Ácido yodhídrico H+1 + Br-1 HBr Bromuro de hidrógeno Ácido bromhídrico H+1 + Se-2 H2Se Seleniuro de hidrógeno Ácido selenhídrico H+1 + Te-2 H2Te Teleruro de hidrógeno Ácido telerhídrico

SALES OXISALES Las sales oxisales se generan al neutralizar al ácido oxácido con un hidróxido

Formulación Fórmula Nombre tradicional Nombre IUPAC H2SO4 + Fe(OH)2 H2SO4 + Ba(OH)2 HClO + NaOH H2CO3 + 2 LiOH H2CO3 + Ca(OH)2 HNO2 + NaOH HNO3 + NaOH

El carbonato de calcio, se utiliza como abrasivo en las cremas dentales. La greda o Creta preparada se usa en cremas como protector dérmico. HIDRUROS NO METÁLICOS Resultan de la combinación de un metal con el hidrógeno.

Formulación Fórmula Nombre sistemático o IUPAC Nombre clásico o común C+4 + H-1 CH4 Tetrahidruro de carbono Metano N+3 + H-1 NH3 Trihidruro de nitrógeno Amoníaco

SALES HALOIDEAS Las sales haloideas resultan de la combinación de un ácido hidrácido con un hidróxido.

Formulación Fórmula Nombre clásico y común HCl + NaOH NaCl + H2O HCl H2S

SEMANA 4 REACCIONES QUÍMICAS Y ESTEQUIOMETRÍA

S-1. Al incrementarse la concentración de calcio se activa la óxido nítrico sintetasa, la cual captura el nitrógeno de la L-arginina y lo une con el oxígeno proveniente de la célula endotelial, para generar óxido nítrico. En este proceso participan 85 g de L-arginina con 16 g de oxígeno para generar a nivel del endotelio vascular 14 g de óxido nítrico. El óxido nítrico actúa como neurotransmisor relajante a nivel de la musculatura lisa intestinal y vasodilatador de los vasos peneales, por lo que participa en la erección peneal. Se desea: (a) Determinar el reactivo limitante

(b) Determinar la masa de óxido nítrico generado a nivel del endotelio vascular

(c) Determinar el porcentaje de rendimiento S-2. La desaminación oxidativa del L-glutamato se lleva a cabo en el citoplasma y en las mitocondrias de las células, la reacción ocurre en dos etapas: En la primera etapa el glutamato se convierte en ácido α–iminoglutárico:

En la segunda etapa 140 g de ácido α–iminoglutárico, generan en el organismo 16 g de amoniaco y 146 g de ácido α–cetoglutárico. Se desea determinar: (a) La cantidad de amoniaco producido en la segunda etapa:

(b) El porcentaje de rendimiento de la reacción: S-3. El amoniaco, la urea y el ácido úrico son los productos de excreción del exceso de nitrógeno resultante de la degradación metabólica de los aminoácidos. La urea es sintetizada a nivel hepático por las enzimas del ciclo de la urea, actuando como catalizadores la ornitina y la arginina. En el proceso interviene 15 g de amoniaco, 130 g de aspartato y 60 g de bicarbonato, los cuales generan 52 g de urea y una cierta cantidad de fumarato; una vez generada la urea es segregada a la sangre y captada por lo riñones para su excreción por la orina. Los nitrógenos de la urea provienen del amoníaco y del aspartato, mientras que los átomos de carbono provienen del bicarbonato. Se desea determinar: (a) El reactivo limitante

(b) La cantidad de amoniaco producido en la segunda etapa:

(c) El porcentaje de rendimiento de la reacción:

S-4. Las purinas (adenina y guanina) y pirimidinas (timina y citosina) son las cuatro bases nitrogenadas del ADN; la adenina se une con la timina, y la citosina con la guanina, todos ellos mediante el enlace puente de hidrógeno. La degradación de las purinas (guanina) por acción de la guanino desaminasa origina a la xantina. Normalmente 150 g de xantina libre se convierte en 165 g de ácido úrico, por acción de la xantino oxidasa. El ácido úrico es insoluble en el agua, por lo que pueden precipitar en los riñones formando cálculos o en los tejidos cartilaginosos produciendo la enfermedad denominada gota. Se desea determinar: (a) La cantidad de ácido úrico generado a partir de la xantina:

(b) El porcentaje de rendimiento de la reacción: S-5. El cianuro de sodio es un tóxico que acentúa su acción letal cuando reacciona con el HCl originando HCN gaseoso y NaCl. Se desea determinar cuántos litros de HCN gaseoso se originan a partir de 4,9 gramos de NaCN, si la reacción se produce a condiciones normales de presión y temperatura. S-6. En un cuadro de acidez gástrica se utiliza 4,2 gramos de bicarbonato de sodio para neutralizar 3,6 g de HCl gástrico. Se desea determinar la cantidad de sal neutralizada. (a) Determinar el reactivo limitante y la cantidad de sal neutralizada: S-7. Durante el ejercicio se ha generado 318 g de ácido láctico a partir de 320 g de glucosa. Se desea determinar el porcentaje de rendimiento de la reacción.

SEMANA 5 SOLUCIONES I: MOLARIDAD, NORMALIDAD Y MILIOSMOLES

Objetivo Conocer los fundamentos de las dispersiones Determinar la molaridad y normalidad de las soluciones de uso frecuente en la medicina. Dinámica de pequeño grupo Resolver con su facilitador los ejercicios y problemas propuestos en la presente semana. 1. Compartimientos corporales

Las membranas de todas las células constituyen un límite natural que comunica entre sí a los grandes compartimientos en que está dividido el organismo humano. Compartimientos

DISTRIBUCIÓN DEL AGUA CORPORAL COMPARTIMIENTOS % DE

AGUA A. Compartimiento intracelular Líquido intracelular

40%

B. Compartimiento extracelular Líquido extracelular 20%

Compartimiento vascular: Líquido vascular

5%

Compartimiento intersticial: Líquido intersticial

15%

AGUA CORPORAL TOTAL 60% A. Compartimiento intracelular Está delimitado por la membrana plasmática de las células y comprende la masa líquida ubicada en el interior de todas las células del cuerpo. Constituye el 40% de la masa corporal total de un adulto joven. B. Compartimiento extracelular Comprende la masa líquida ubicada en el exterior de las células (que se encuentran rodeándolas), y corresponde al 20% del peso corporal total. EL compartimiento extracelular se subdivide en: Compartimiento vascular (5% de la masa corporal total) El compartimiento vascular o plasmático comprende la masa líquida que circula en el interior del espacio cardiovascular (plasma). Consta del corazón y los vasos sanguíneos, que es un compartimiento cerrado (sin solución de continuidad) y que corresponde al 5% del peso corporal total. El liquido vascular no es sinónimo de sangre, ya que la sangre es un tejido conectivo formado por dos partes (una masa líquida llamada plasma y, una masa de células). Función e importancia Nuestro organismo es un sistema abierto que se encuentra en continuo intercambio de sustancias con el medio que lo rodea. Favorece el intercambio, para ello éste compartimiento ha sufrido diferenciaciones, como: A nivel pulmonar: la estructura del alveolo constituye el espacio vascular destinado a permitir el

intercambio gaseoso (O2 por CO2). El oxígeno tomado del aire pasa al espacio vascular y, a través suyo, es transportado a todos los tejidos. Cuando es requerido, el oxígeno difunde desde el compartimiento vascular al intersticial, de donde es tomado por la célula para su metabolismo. Por otro lado, el CO2 generado durante el metabolismo celular, pasa al intersticio y de allí al espacio vascular que lo transporta a los alveolos pulmonares para ser eliminado.

El espacio vascular participa en: La captación y distribución de los nutrientes, como grasas, proteínas y carbohidratos, los cuales dentro del aparato gastrointestinal son metabolizados en ácidos grasos, aminoácidos y glucosa respectivamente, para luego ser absorbidos. La captación y distribución de agua y electrolitos, los cuales son absorbidos si modificación.

Luego de ser absorbidos las sustancias monoméricas, pasan al espacio vascular, que se encarga de distribuirlas a todas las células del organismo.

A nivel renal: el espacio vascular favorece la eliminación de los metabolitos proteicos (ácido úrico, urea y creatinina) al transportarlos hasta los riñones. Por lo que los riñones son los órganos principales de la regulación del medio interno.

A nivel de la piel: el compartimiento vascular participa en los mecanismos de regulación hidro-térmica.

Características del espacio extracelular El compartimiento extracelular constituye el medio interno que concibió Claudio Bernard, y se caracteriza por: La masa líquida que protege nuestras células del medio externo y las pone en contacto con él. Interrelaciona entre sí a todas las células del propio organismo. Garantiza el mantenimiento de la homeostasis corporal. La homeostasis, es la propiedad del medio interno para mantener constante y estable las características vitales del organismo, por ejemplo la temperatura, presión arterial, pH de los líquidos y aporte de nutrientes a las células. Para mantener la homeostasis nuestro cuerpo dispone de los siguientes mecanismos: hemodinámico, nervioso y endocrino.

Compartimiento intersticial (15% del peso corporal) Comprende la masa líquida que se encuentra a la vez fuera de la célula y fuera del espacio vascular. Esta limitada, por un lado, por la pared del vaso sanguíneo, y por el otro, por la membrana celular. Función e importancia Poner en contacto al espacio intracelular con el vascular.

2. Características fisicoquímicas del medio interno

Molaridad La molaridad (M) expresar el número de moléculas que se encuentran en una solución; y se determina químicamente a partir de la siguiente fórmula: M = g soluto PM x VL Por ejemplo, si decimos que una solución fisiológica tiene 0,2 M, significa que hay 0,2 moles de dicha sustancia en 1 litro de solución. Osmolaridad La osmolaridad es un término biológico que deriva químicamente de la molaridad (M), y expresa la concentración total molar de las partículas (moléculas completas o iones) por litro de solvente. Es decir, que indica el número exacto de partículas que se encuentran disueltas en un litro de solución sin importar el tamaño, naturaleza o forma. Por ejemplo, una solución de dextrosa al 5%, cuando está en solución y no se ioniza, tendrá una molaridad igual que la osmolaridad, debido a que las moléculas de glucosa, al no dividirse, no aumentan el número de partículas. En el caso de la solución fisiológica al 0,9%, en solución se ioniza el 100%, obteniéndose el doble de partículas y por lo tanto el doble de osmolaridad respecto a la molaridad, pues cada molécula de cloruro de sodio se disocia en 2 partículas Cl- y Na+. Para determinar la osmolaridad de una solución fisiológica se debe utilizar la siguiente fórmula:

Osm =M x número de partículas mol resultante de ionización Para referirnos a la osmolaridad de los líquidos biológicos corporales se debe usar el término de miliosmoles (mOsm) que es la milésima parte del osmol, expresada en 1 litro (mOsm/L). Normalmente la osmolaridad del medio interno es de 300 mOsm/L; siendo algo menor en el espacio intracelular. Para conocer la osmolaridad del medio interno se toma una muestra de plasma sanguíneo y se examina. Osmolalidad La osmolalidad sirve para expresar el número de partículas disueltas por Kg de peso de solvente. La osmolalidad promedio del medio interno es de 280 miliosmolalidad/Kg, Fenómeno osmótico El fenómeno osmótico, es el paso del agua a través de una membrana semipermeable desde un compartimiento de baja concentración hacia otro donde la concentración es mayor, es decir, desde la zona de menor a la mayor osmolaridad.

Es uno de los principios físicos fundamentales que rige la distribución del agua en los diferentes espacios corporales, el cual se desarrolla a través de la membrana celular.

Variaciones de la osmolaridad Las membranas celulares dividen al organismo en dos compartimientos: extracelular e intracelular.

El desplazamiento del agua de un compartimiento a otro se hace gracias al fenómeno osmótico, y se representa de acuerdo al diagrama de DAROW-YANNET: en el eje de las ordenadas (Y) se grafican las concentraciones en mOsm/L, y en las abcisas (X) el volumen. Las flechas indican el paso del agua entre ambos compartimientos y a través de una membrana semipermeable.

El agua difunde de un compartimiento a otro en ambos sentidos, pero en cantidades equivalentes, de modo tal que no se producen cambios en el volumen ni en la osmolaridad.

Los cambios de la osmolaridad se pueden generar de dos maneras: Modificando el volumen del agua extracelular:

Si aumenta el volumen extracelular, se genera una disminución de la osmolaridad extracelular. Si disminuye el volumen extracelular, se genera un aumento de la osmolaridad extracelular. Sobrehidratación o plétora Se genera al aumentar el volumen del medio interno; si por venoclisis se inyecta un litro de dextrosa al 5% directamente al espacio vascular.

Al aumentar el volumen extracelular provoca una disminución de su osmolaridad (aproximadamente a unos 290 mOsm/L). Como la osmolaridad intracelular es mayor (300 mOsm/L), se origina una gradiente osmolar, gracias a la cual el agua difunde desde el LEC al LIC (de menor a mayor osmolaridad), hasta que ambas concentraciones se igualan a unos 295 mOsm/L.

Deshidratación Se presenta en los casos en los que el organismo pierde líquidos, pero no sales, estado conocido como depleción de agua pura, o cuando no ha habido ingesta de agua.

Al disminuir el agua EC se produce un incremento de su osmolaridad, es decir, que el LEC se forma hiperosmótico o hipertónico. Puede aumentar a unos 310 mOsm en el LEC, siendo menor en el LIC, lo que genera una gradiente osmolar que desplaza al agua desde el LIC al LEC, hasta que las concentraciones se igualen a unos 305 mOsm/L.

Modificando la cantidad de soluto del compartimiento extracelular:

Si aumenta los solutos del líquido extracelular, aumenta la osmolaridad extracelular. Esto se puede provocar, al aplicar una solución concentrada de NaCl por vía endovenosa. El aumento de la osmolaridad del LEC (hasta unos 310 mOsm/L) origina una gradiente osmótica que desplaza al agua preferentemente desde el LIC al LEC. Si disminuye los solutos del líquido extracelular, disminuye la osmolaridad extracelular. Este estado, conocido como depleción salina pura, es poco habitual, y se puede presentar en pacientes con sudoración profusa.

MEDIO INTERNO

20%

LIC 40%

MEDIO INTERNO

290 mOsm

LIC 300 mOsm

MEDIO INTERNO

310 mOsm LIC

300 mOsm

Electrolitos

Los electrolitos son partículas con carga eléctrica (iones) que normalmente se encuentran disueltos en los líquidos orgánicos. Pueden ser electropositivos (cationes) o electronegativos (aniones). Su concentración se mide en mEq/L. Esta unidad expresa el número de cargas que existen en una solución.

El Gamblegrama, ionograma o espectro electrolítico plasmático es:

CATIONES mEq/L Na+ 140 K+ 4,6 Ca++ 5 Mg++ 1,5 TOTAL 150 ANIONES mEq/L HCO-

3 25 Cl- 100 SO=

4 1 Fosfato 2 Ácidos orgánicos

6

Proteínas (albúmina)

15

TOTAL 150

Ejercicios de aplicación S-1. Un paciente de 70 kg de masa corporal (cuando estaba sano), ha perdido 5% de su masa corporal durante un cuadro diarreico. Al análisis de una gamblemetría se determina que una diarrea leve a moderada, se elimina 125 mEq Na+/L, 120 mEq NaHCO3/L y de 100 mEq K+/L. (a) Cuántos mOsm/L ha perdido el paciente?. (b) Reponer los electrolitos perdidos, para ello contamos con 1 litro de dextrosa al 5%; ampollas de 20 mL de hipersodio al 20%; ampolla sde 20 mL de bicarbonato de sodio al 8,4%, y ampolla s de 10 mL de Kalium al 14,9 %. (c) Determinar cuántos litros se debe administrar al paciente para compensar las perdidas de electrolitos. Desarrollo S-2. La osmolaridad del organismo es de 300 mOsm/L, ello permite un equilibrio de homeostasis y por lo tanto de supervivencia del ser humano. A un paciente joven de 20 años se le toma una muestra de sangre, encontrando el siguiente perfil: Sodio 148 mEq/L, potasio 3,5 mEq/L, cloro 105 mEq/L, calcio 9,8 mEq/L. Se desea: (a) Determinar los miliosmoles/L de dichos elementos: (b) Determinar los miliosmoles/L de la glucosa que se encuentra a una concentración de 380 mg% y de la urea que se encuentra a 80 mg%: (c) De acuerdo a sus resultados anteriores diga si el paciente tiene la miliosmolaridad dentro del rango normal de 280-300 mOsm/L: Desarrollo Finalmente sumando los mOsm/L se tienen la osmolaridad plasmática:

Componentes del plasma mOsm/L Na+ K+ Cl- Ca++ Glucosa Urea Total

S-3. Un atleta después de hacer 2 horas ejercicios en forma continua sufre cansancio muscular, manifestándose como una contractura. Esto se debe a que la glucosa en un medio insuficiente de oxígeno genera ácido láctico por el proceso de la glucólisis (degradación de la glucosa). Una molécula de glucosa genera 180 gramos de ácido láctico por litro, siendo su reacción general: C6H12O6 2 C3H6O3 Se desea: (a) Determinar la molaridad y normalidad del ácido láctico: (b) Determinar los milimoles y miliequivalente/litros respectivamente. S-4. En los riñones los aminoácidos arginina y glicina generan un ácido, que es transportado al hígado donde se convierte en creatina, la cual circula por la sangre hasta el músculo donde pierde agua y produce creatinina. Siendo la reacción general: Arginina + glicina ácido intermediario creatina (C4H9N3O2) creatinina C4H6N3O La creatinina circula por el plasma a una concentración de 0,014 g/L, y es eliminada por la orina. Se desea: (a) Determinar la molaridad y normalidad de la creatinina en el plasma: (b) Determinar los milimoles y miliequivalentes por litro, respectivamente: S-5. El ácido úrico (C5H4N4O3) resulta del catabolismo de las purinas, siendo la reacción general: Adenina + guanina Xantina Ácido úrico Úrea La concentración del ácido úrico es de 0,06 g/L de plasma, si se acumula se produce la gota. Se desea conocer: (a) La molaridad y normalidad del ácido úrico en el plasma: (b) Los milimoles y miliequivalentes por litro:

SEMANA 6 SOLUCIONES II: PORCENTAJE Y PPM DE IMPORTANCIA MÉDICA

El flúor ayuda a combatir la caries y los gérmenes que causan el color amarillento de los dientes. Por ello se usa en los geles, en pastas y en los toques dentales. La concentración permitida es de 550 ppm de fluoruro en los geles dentales para niños, y de 1100 a 1500 ppm de fluoruro en geles dentales para adultos; mientras que en los toques dentales “Fluoronet” debe ser de 2 a 200 ppm de fluoruro. Los toque dentales se usan en niños menores de 2 años la dosis es de IV gotas, y en niños mayores de 2 a 8 años se utiliza VIII gotas. Ejercicios de aplicación: S-1. Se tiene un gel dental para niños de 60 g y con una concentración de 550 ppm de fluor. Se desea saber: (a) ¿Cuántos gramos de fluoruro de sodio se han adicionado en el gel para obtener los 550 ppm de fluoruro?. S-2. Cuántos mg de de fluoruro se necesitan para obtener una pasta dental de adultos de 60 g, el mismo que debe tener una concentración de 1 450 ppm, si el compuesto químico fluorado es el fluoruro de calcio al 75%. S-3. Un gel dental Koly Fresh de 90 g tiene una concentración de 0,242 % de fluoruro de sodio. Se desea conocer: (a) Cuántas ppm de fluoruro existen de dicho gel?. S-4. El Fluoronet es una solución que contiene 0,02% de fluoruro de sodio. Se necesita conocer: (a) ¿Cuántos g de NaF existen en 0,02%? (b) ¿Cuántas ppm de fluoruro tiene dicho toque dental? S-5: Las soluciones salinas fisiológicas que se usan en las inyecciones intravenosas tienen una concentración de 0,9% de NaCl. Se desea preparar 500 g de suero fisiológico. Qué masa de NaCl se necesita? Desarrollo

SEMANA 7 DETERMINACIÓN DE pH DE MOLÉCULAS ÁCIDAS Y BÁSICAS DÉBILES

Determinación del pH de ácidos débiles: ácidos orgánicos, ácido acético, ácido pirúvico, ácido fénico, ácido carbónico. S-1. Se tiene 6 g de ácido acético en 2 litros de agua destilada. Se desea conocer su pH, sabiendo que su Ka = 1,8 x 10-5. Determinación del pH de las bases débiles: fármacos y moléculas orgánicas con grupos aminos. S-2. Se tiene 1,7 g de amoníaco en 10 litros de agua destilada. Se desea conocer el pH de la solución, sabiendo que su Kb = 1,8 x 10-5.

SEMANA 8 AMORTIGUADORES FISIOLÓGICOS

S-1. Un paciente va al Médico Urólogo, por referir una dolencia renal. El médico, tiene presente que la orina normal es de color amarillo ámbar, con un pH de 4,6-8, si es menor de 4,5, se corre el riesgo de formar cálculos renales de ácido úrico. Por lo que solicita una muestra de orina y se deriva al laboratorio clínico, donde encuentran agua y diversos compuestos nitrogenados tóxicos (25 g urea/L, con un Kb de 1,53 x 1012; 0,15 M de ácido úrico, con una Ka de 1,78 x 10-6; 0,12 M urato). El Urólogo recibe dicha información, pero no tiene el pH de la orina, ya que sabe que si el pH es menor a 4,5, existe un alto riesgo de formar cálculos de ácido úrico. Por lo que desea determinar: (a) El pH de la orina, en caso que el pH de la orina dependa únicamente de la urea, y que el Kb de la urea

es de 1,53 x 1012. Adicionalmente deduzca el pOH: (b) El pH de la orina, si el ácido úrico y el urato de sodio forma el sistema amortiguador ácido

úrico/urato. De acuerdo a su resultado, diga si el paciente se encuentra en riesgo de formar cálculos de ácido úrico.

SEMANA 10 LA QUÍMICA ORGÁNICA EN LA MEDICINA FORENSE

S-1.- Una mujer de unos 25 años de edad, apareció muerta en el cuarto de baño de su domicilio, los médicos legistas encontraron al cadáver con: lividez en el plano anterior del cuerpo, filas de color rosado intenso, mancha verde de localización toraco-abdominal, frialdad cadavérica evidente, inyección conjuntival, espuma rosada en los orificios respiratorios y ausencia de rigidez cadavérica. Al hacer una revisión del lugar de los hechos observan que en el cuarto el calentador a gas de la habitación estaba descompuesto. a) Se desea conocer la reacción de la hemoglobina

con el monóxido de carbono. b) Realizar la reacción normal de la hemoglobina

con el oxígeno.

SEMANA 11 FUNCIONES OXIGENADAS

METABOLISMO DEL ETANOL Y METANOL

El etanol se une con los receptores GABAA para potenciar el efecto del GABA y antagoniza a los receptores NMDA del glutamato, lo que genera un efecto depresor del sistema nervioso central. En el alcoholismo crónico se origina un aumento en el número de subunidades α del receptor GABAA y en el de receptores NMDA, lo que explica la tolerancia al etanol. El etanol se biotransforma a una velocidad de 120 mg/kg/hora. El etanol sufre biotransformación hepática: Por fase I el 90% del etanol se oxida por acción de la alcohol deshidrogenasa en acetaldehído, en dicha

reacción interviene como cofactor el NAD+ que se reduce en NADH + H+. Luego el acetaldehído es oxidado en ácido acético por acción de la aldehído deshidrogenasa, y en ella el cofactor es NAD+ que se reduce en NADH. El ácido acético se acopla a la CoA por acción de la tiocinasa y se convierte en acetil-CoA. La acetil-Co A se puede convertir en colesterol por acción de la HMG CoA reductasa; otra fracción ingresa al ciclo del ácido tricarboxílico y n se metaboliza en CO2 y H2O. La oxidación se produce por una cinética de orden cero (velocidad de biotransformación constante). La aldehído deshidrogenasa no se expresa en la raza asiática, puede ser bloqueada por el disulfiram causando el efecto antabuse o disulfiram.

Por fase I de oxidación con participación de la CYP2E1, se metaboliza menos del 10%; en esta vía interviene el NADPH que se convierte en NADP+, H2O y acetaldehído. La reacción se genera por una cinética de primer orden.

En el sistema nervioso genera déficit de tiamina causando la polineuritis de la encefalopatía de Wernicke y parte de la sintomatología del síndrome de Korsakoff. En caso de intoxicación con etilenglicol se usa un inhibidor de la alcohol deshidrogenasa llamado 4-metilprazol En caso de intoxicación por metanol se usa el etanol para eliminarlo del organismo. DPG: Plantear las reacciones de oxidación del etanol. Plantear la reacción de oxidación del metanol y mencione los metabolitos intermediarios tóxicos. Mencione el fundamento del uso del etanol para combatir la intoxicación por metanol. De acuerdo a su peso calcular cuántos gramos de etanol metaboliza por hora?.

SEMANA 12 FUNCIONES OXIGENADAS Y NEUROTRANSMISORES

El ácido glutámico es un aminoácido ácido que a pH fisiológico se convierte en su forma ionizada denominado glutamato. En la industria alimentaria se utiliza como glutamato monosódico (E621), que es un potenciador del sabor en sazones y condimentos.

El ácido 4-aminobutanoico, es un neurotransmisor central relacionado con la ansiedad, la enfermedad de Parkinson, la demencia senil, la enfermedad de Alzheimer.

La 3,4-dihidroxifeniletilamina es un neurotransmisor central que inhibe la liberación de prolactina del lóbulo anterior de la hipófisis. Una disminución causa la Enfermedad de Parkinson, debido a la destrucción de las neuronas dopaminérgicas de la sustancia negra y que proyectan hacia los ganglios basales.

DPG: Haga reaccionar al ácido glutámico con el hidróxido de sodio y diga qué compuesto se obtiene: Plantear la síntesis del ácido 4-aminobutanoico y del 3,4-dihidroxifeniletilamina. Identificar los grupos funcionales de los neurotransmisores.

SEMANA 13 FUNCIONES NITROGENADAS

SEMANA 14 MEZCLAS RACÉMICAS

Objetivo Reconocer las series heterocíclicas propuestas. Identificar los grupos funcionales en las series heterocíclicos. Demostrar la acidez mediante la resonancia y tautomería de los compuestos propuestos Isómeros Son compuestos que tienen la misma fórmula molecular, pero diferentes propiedades físicas y químicas. Clasificación A. Isomería estructural

1. Isomería de cadena o esqueleto 2. Isomería de posición 3. Isomería funcional

B. Isomería espacial o estereoisomería 1. Isomería geométrica: cis y trans 2. Isomería óptica

Isomería óptica Son isómeros que se diferencian en la distribución espacial de sus enlaces y que tienen diferente actividad óptica. Actividad óptica La luz natural vibra en todas direcciones, pero al hacer pasar por un prisma polarizador, vibra en un solo plano, en este caso la luz se denomina “luz polarizada”. La actividad óptica se determina con el polarímetro. Sustancia ópticamente activa Si se conoce la distribución espacial de la sustancia, se puede decir que es ópticamente activa, si en su estructura contiene un carbono asimétrico. En solución, los enantiómeros desvían el plano vibracional de la luz linealmente polarizada en dirección opuesta. Si la luz se desvía hacia la derecha la molécula es dextrógira (+ o d) y si va a la izquierda la molécula es levógira (- o l). Si se desconoce la distribución espacial, la única forma de conocer su actividad óptica es experimentalmente. Carbono asimétrico o quiral Es aquel carbono enlazado a cuatro átomos o grupos diferentes. Mezcla racémica o racemato Están constituidos por un 50% de la forma (+) y 50% de la forma (-). Los dos compuestos tienen estructuras que no pueden superponerse entre sí. Enantioselectividad En la mezcla racémica uno de los compuestos es el activo y es el que interacciona con el receptor. Ejemplos

Dobutamina Es una mezcla racémica, cuyo (+)-dobutamina tiene una afinidad de 10 veces mayor por los receptores β-adrenérgicos que la (-)-dobutamina. La forma (-)-dobutamina activa a los receptores α1 adrenérgicos.

Warfarina Es una mezcla racémica, en la que la forma S (-)-warfarina es la que tiene la actividad anticoagulante, la misma que se oxida en 7-hidroxi-(S)-warfarina. La forma R (+)-warfarina, es menos inactivo y se reduce hasta formar el alcohol (R,S) warfarinol. La S (-) warfarina

Identifique que tipo de estructura química es la siguiente molécula orgánica. Identifique el átomo responsable de generar la mezcla racémica.

DPG Identificar el C* de los compuestos propuestos. Plantear el mecanismo de reacción de oxidación de la forma S (-) y la reducción de la R (+) warfarina. Realizar la biotransformación del metabolito resultante de la oxidación.

SEMANA 15 HETEROCÍCLICOS Y REACCIONES DE FASE II

Objetivo Proponer los nombres químicos de las estructuras descritas. Identificar los carbonos asimétricos y moléculas asimétricas. Realizar las reacciones de fase I y fase II Dinámica de pequeño grupo Resolver con su facilitador los ejercicios y problemas propuestos en la presente semana.

Acido nalidíxico (pKa= 6,0)

Ciprofloxacino (pKa1= 6,1 y pKa2 =8,6)

Levofloxacino (pKa1= 6,01 y pKa2 =8,22)

SEMANA 16 MACROMOLÉCULAS

Hemiacetal Es una molécula que contiene en el carbono un grupo de alcohol que resulta del aldehído y un residuo alcóxido que proviene del alcohol. Hemiacetalización Es el proceso de reacción entre un alcohol con un aldehído:

Acetal Es una molécula que resulta de la reacción de un hemiacetal con otra molécula de alcohol.

La ciclación tiene lugar como resultado de la interacción entre grupos funcionales en carbonos distantes, como C-1 y C-5, que és donde toma lugar la formación de hemiacetales, en este caso cíclicos. Estas formas cíclicas se representan mediante la proyección de Haworth. Hemicetal Es una molécula que contiene en el carbono un grupo de alcohol que resulta de la cetona y un residuo alcóxido que proviene del alcohol. Hemicetalización

Cetal Es una molécula que resulta de la reacción de un hemicetal con otra molécula de alcohol.

Los antibióticos macrólidos constan de: A. Un anillo lactónico macrocíclico hidroxilado con 12 a 30

átomos de elementos; siendo los más usados en la clínica aquellos que tienen de 14 a 15.

B. Dos moléculas de carbohidratos denominados desoxiazúcares: Una aminoazúcar, la desosamina unida por un enlace

glicosídico a la posición 5 del núcleo principal. Una azúcar neutra, la L-cladinosa que se acopla al núcleo

principal, a nivel del carbono 3. Los grupos hidroxilos de la posición 6 y 12 son capaces de reaccionar con el grupo carbonilo de la posición 9 del anillo macrólido generando la hemicetalización con formación de un ciclo con un puente de oxígeno.

DPG Proponer la reacción de hemicetalización de la eritromicina. Identificar el grupo funcional responsable del pKa de la eritromicina. Identificar los carbohidratos de la eritromicina y mencionar el tipo de estructura conformacional.