1 AGUA El agua y los puentes de hidrógeno El agua como solvente

AGUA
El agua y los puentes de hidrógeno
El agua como solvente
Las moléculas polares de agua tienden a
separar sustancias iónicas, como el
cloruro de sodio (NaCl), en sus iones
constituyentes.
Las moléculas de agua se aglomeran
alrededor de los iones con carga y los
separan unos de otros. Dada la polaridad
de sus moléculas, el agua puede servir
como disolvente para sustancias iónicas y
moléculas polares.
Las moléculas polares que se disuelven en agua son hidrofílicas (“aman al agua''). Se disuelven
fácilmente en agua porque sus regiones parcialmente cargadas atraen moléculas de agua tanto o
más que lo que se atraen entre sí.
Las moléculas como las grasas carecen de regiones polares y son insolubles en agua, se las
llama hidrofóbicas ("que tienen aversión por el agua"). Los puentes de hidrógeno entre las
moléculas de agua actúan como una fuerza que excluye a las moléculas no polares. Por ello las
moléculas no polares tienden a agruparse en el agua (ej. gotitas de grasa tienden a juntarse en
un caldo).
Ionización del agua: ácidos y bases
En el agua líquida hay una tendencia a que un átomo de hidrógeno salte del átomo de oxígeno al
que está unido covalentemente, al otro átomo de oxígeno al que se encuentra unido por un
puente de hidrógeno. Así se producen el ion hidronio (H3O+) y el ion hidróxido (OH-).
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•
En cualquier volumen dado de agua pura se encuentra un número pequeño y constante de moléculas
IONIZADAS. El número es constante, tendencia a ionizarse = a tendencia a reunirse (equilibrio dinámico).
•
En el agua pura, el número de iones H+ iguala exactamente al número de iones OH- ya que ningún ion
puede formarse sin el otro cuando solamente hay moléculas de H2O presentes. Sin embargo, cuando una
sustancia iónica o una sustancia con moléculas polares se disuelve en el agua, pueden cambiar los
números relativos de los iones H+ y OH-.
•
Ejemplo: el ácido clorhídrico (HCl) se disuelve en agua, se ioniza casi completamente en iones H+ y Clcomo resultado de esto, una solución de HCl (ácido clorhídrico) contiene más iones H+ que OH-.
•
De modo inverso, cuando el hidróxido de sodio (NaOH) se disuelve en agua, forma iones Na+ y OH-; así,
en una solución de hidróxido de sodio en agua hay más iones OH- que H+.
•
Una solución es ácida cuando el número de iones H+ supera al número de iones OH-.
•
Una solución es básica -o alcalina- cuando el número de iones OH- supera al número de iones H+.
•
Si un ácido y una base de fuerzas comparables se añaden en cantidades equivalentes, la solución no
tendrá un exceso ni de iones H+ ni de OH-.
•
En una solución la concentración de los iones OH- disminuirá siempre a medida que la concentración de
los iones H+ se incremente.
•
Los químicos expresan el grado de acidez por medio de la escala de pH (logaritmo negativo de la
concentración de iones hidrógeno en unidades de moles por litro).
•
Ej: La ionización en un litro de agua pura forma 1/10.000.000 de mol de iones hidrógeno ( y la misma
cantidad de iones hidróxido), o lo que es lo mismo 0,0000001 mol por litro o, 10-7 mol por litro.
•
El logaritmo es el exponente -7 y el logaritmo negativo es 7; con referencia a la escala de pH, se lo
menciona simplemente como pH 7.
•
A pH 7 las concentraciones de H+ y OH- libres son exactamente iguales dado que están en agua pura.
Este es un estado neutro.
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Cualquier pH por debajo de 7 es ácido y cualquier pH por encima de 7 es básico. Cuanto menor sea el
valor del pH, mayor será la concentración de iones hidrógeno.
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Dado que la escala de pH es logarítmica, una diferencia en una unidad de pH implica una diferencia de 10
veces en la concentración de iones hidrógeno. Por ejemplo, una solución de pH 3 tiene 1.000 veces más
iones H+ que una solución de pH 6.
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Una diferencia de una unidad de pH refleja una diferencia de 10 veces en la concentración de iones H+.
Las bebidas cola, por ejemplo, son 10 veces más ácidas que el jugo de tomate. Los jugos gástricos son
100 veces más ácidos que las bebidas cola.
•
Casi toda la química de los seres vivos tiene lugar a pH entre 6 y 8.
•
Excepciones: Los procesos químicos en el estómago de los humanos y otros animales (pH 2).
La sangre humana a pH casi constante de 7,4.
Los organismos resisten cambios
fuertes y repentinos en el pH de la
sangre y otros fluidos corporales por
medio de amortiguadores o buffers.
BUFFER: sustancias con tendencia a
combinarse con iones H+, eliminándolos
así de la solución cuando la
concentración de iones H+ comienza a
elevarse
y
liberándolos
cuando
desciende.
En los sistemas vivos funciona una gran
variedad de buffers.
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LAS BIOMOLECULAS SON:
Hidratos de carbono ó azúcares
Proteínas
Lípidos (aceites y grasas)
Acidos nucleicos (ADN y ARN)
La química de los organismos vivos es la química de los compuestos que poseen carbono, o sea
de los compuestos orgánicos. Elementos principales son C, H, O, N, S, P.
HIDRATOS DE CARBONO
Los más simples son los monosacáridos.
Son la fuente primaria de energía química en los sistemas vivos.
Un ejemplo de Monosacarido: La Glucosa
En solución acuosa, la glucosa,
azúcar de seis carbonos, existe en
dos estructuras en anillo diferentes alfa y beta- que están en equilibrio.
Disacáridos y Oligosacóridos
Los
monosacáridos
pueden
combinarse para formar disacáridos
("dos azúcares"), como la sacarosa
(glucosa y fructosa).
Oligosacáridos
(hasta
diez
monosacáridos unidos entre sí).
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Polisacáridos
•
Cadenas de miles de unidades de
monosacáridos, almidón y celulosa
(vegetales) y glucógeno (animales).
•
Glucógeno y almidón, fuentes de reserva
energética,
celulosa de función
estructural.
PROTEÍNAS
Formadas por distintas unidades
denominados aminoácidos.
Las proteínas se clasifican por su función
en estructurales o en enzimas, hormonas,
etc.
Unión peptídica
Existen veinte aminoácidos distintos que se unen entre si por enlaces covalentes peptídicos, por
lo que las posibilidades de construir proteínas es ilimitado.
Polipéptido
A partir de 20
aminoácidos, se puede
sintetizar una inmensa
variedad de diferentes
proteínas, de función
específica.
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Estructura de las proteínas
Estructura Primaria: es la secuencia
lineal en que se encuentran los diferentes
aminoácidos.
Infinitas posibilidades de combinación.
Estructura Secundaria:
Determina la disposición espacial en una dirección de los aminoácidos.
Estructura Terciaria:
Determina la
disposición
tridimensional de
la estructura
secundaria. Dos
tipos diferentes:
globular y fibrosa.
Estructura Cuaternaria:
Determina la unión de varias
cadenas, originando un complejo
proteínico.
Ejemplos el colágeno y la
hemoglobina.
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Función de las proteínas
Estructurales, como la queratina en la epidermis, el colágeno en el tejido conjuntivo fibroso.
Enzimática, son las mas numerosas y especializadas. Actúan como biocatalizadoras de las
reacciones químicas, ejemplo: las enzimas digestivas.
Hormonal, como la del crecimiento y la insulina.
De reserva, como la ovoalbúmina (clara de huevo) y la lactoalbúmina (proteína de la leche).
Transporte, como la hemoglobina y la hemocianina, que transportan el oxígeno y el dióxido de
carbono.
LÍPIDOS (ACEITES Y GRASAS)
Conjunto muy heterogéneo de compuestos que comparten una propiedad: son insolubles en
compuestos polares como el agua y solubles en solventes orgánicos no polares (benceno, eter y
cloroformo).
Son moléculas de almacenamiento de energía, en forma de grasa o aceite, y cumplen funciones
estructurales, como los fosfolípidos, las ceras y los glucolípidos. Algunos lípidos, desempeñan
papeles como "mensajeros" químicos, tanto dentro de las células como entre ellas.
Según su composición química se clasifican en:
Ácidos grasos
Lípidos con ácidos
grasos
(saponificables)
y Lípidos sin ácidos
grasos (no
saponificables)
Lípidos con ácidos grasos: Triacilglicéridos (TAG)
Un TAG formado por tres ácidos grasos
unidos a una molécula de glicerol (de
aquí el término "triglicérido").
Las largas cadenas hidrocarbonadas que
componen los ácidos grasos terminan en
grupos carboxilo (-COOH), que se unen
covalentemente a la molécula de glicerol.
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Fosfolípidos y Glucolípidos
Ambos formados por cadenas de ácidos grasos unidas a un esqueleto de glicerol, con un grupo
fosfato o una cadena corta de azúcar.
Los grupos fosfato están cargados negativamente.
Así el extremo fosfato de la molécula es hidrofílico, y el ácido graso es hidrofóbico.
Los fosfolípidos tienen cabezas solubles en agua y colas insolubles en ella, tienden a formar una
película delgada en una superficie acuosa, con sus colas extendidas por encima del agua
Rodeados de agua, se distribuyen en dos capas, con sus cabezas hidrofílicas (amantes del agua)
extendidas hacia afuera y sus colas hidrofóbicas (con aversión al agua) hacia adentro.
Esta disposición, la bicapa lipídica, constituye la base estructural de las membranas celulares.
Al formar una bicapa, los componentes
hidrofóbicos de los fosfolípidos quedan
"protegidos" del agua, excepto en los
bordes, en donde quedan expuestos.
Esta
ordenación
da
una
cierta
inestabilidad a esa membrana, haciendo
que ésta se pliegue sobre sí misma y
forme vesículas.
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Lípidos sin ácidos grasos
El colesterol pertenece a un grupo
importante de compuestos conocidos
como esteroides formada por cuatro
anillos de carbono y una cadena
hidrocarbonada
La
testosterona,
hormona
sexual
masculina, sintetizada a partir del
colesterol por células de los testículos,
también tiene la estructura característica
de cuatro anillos, pero carece de la cola
hidrocarbonada.
Función de los lípidos
De reserva. Las grasas almacenan 3 veces mas energía (producen 9,3 kcal/g, en comparación
con 3,79 kcal/g de carbohidrato, o las 3,12 kcal/ g de proteína).
Estructural. Forma la bicapa lipídica de las membranas celulares y el tejido adiposo.
Biocatalizadora. Favorecen las reacciones químicas en los seres vivos.
De transporte.
ACIDOS NUCLEICOS (ARN Y ADN)
La información que dicta la enorme variedad de moléculas de proteínas en los organismos está
codificada en moléculas llamadas ácidos nucleicos.
La información contenida en los ácidos nucleicos es transcripta y luego traducida a las proteínas.
Son las proteínas las moléculas que finalmente ejecutarán las "instrucciones" codificadas en los
ácidos nucleicos.
Así como las proteínas están formadas por cadenas largas de aminoácidos, los ácidos nucleicos
están formados por cadenas largas de nucleótidos.
Nucleótido
Es una molécula formada por un grupo
fosfato, un azúcar de cinco carbonos
(ribosa) y una base nitrogenada; esta
última contiene nitrógeno.
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ARN (Acido ribonucleico)
Los nucleótidos se unen en cadenas
largas por reacciones que involucran a
los
grupos
hidroxilo
de
las
subunidades de fosfato y de azúcar.
Una molécula de RNA está formada
por una sola cadena de nucleótidos.
El ARN es una molécula de una sola
cadena, y como bases nitrogenadas
posee Adenina, Uracilo, Citocina y
Guanina
Tres tipos:
ARNm (mensajero) está en el núcleo y
su función es decodificar o descifrar
del código genético, la orden para
elaborar proteínas.
ARNr (ribosómico) se encuentra en los
ribosomas y se encarga de leer la
secuencia del ARNm y
ARNt (transferencia) transporta los
aminoácidos específicos para armar la
proteína.
ADN (Acido desoxiribonucleico)
El ADN es el material genético de
todos los seres vivos.
Formado por dos cadenas enfrentadas
(moléculas bicatenarias),
complementarias y antiparalelas.
Constituido
por
un
azúcar
(desoxiribosa), un grupo fosfato y 4
bases nitrogenadas (Adenina, Timina,
Citocina y Guanina) que se aparean.
A-T y C-G
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Segunda Base
U
Existen 20 aminoácidos en la naturaleza y
cuatro bases nitrogenadas, por lo tanto
hay 64 posibles combinaciones de tres
bases nitrogenadas (43=64), por lo que
este código, llamado código genético es
universal, redundante y consistente.
U
UUA
C
C
A
U U U P he U C U
UAU
U C C S er U A C
UUC
UCA
G
Tyr U G U
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U A G Stop U G G
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Trp
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C U C L e u C C C P ro C A C H i s
CCA
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CGC
CGA
CUG
CCG
CAG
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Ser
A U C I le A C C T hr A A C A s n A G C
A
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G
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A A G Lys
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GCU
G A U Asp G G U
GGC
G U C V a l G C C Ile G A C
GUA
GCA
G A A G lu
GGA
GUG
GCG
GAG
GGG
A rg
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U
C
A
G
U
C
A
G
U
C
A
G
U
C
A
G
ATP (Adenosíntrifosfato)
Los nucleótidos, además de su papel
en la formación de los ácidos
nucleicos, tienen otra función vital
para la vida celular, que es la
formación de compuestos energéticos.
dinero de bolsillo, disponible en cantidades
convenientes
y
aceptado
en
forma
generalizada. El principal portador de energía,
en casi todos los procesos biológicos, es una
molécula llamada adenosín trifosfato (ATP).
Se modifican por la unión de dos
grupos fosfato, se convierte en un
transportador de energía (ATP),
necesario para numerosas reacciones
químicas celulares.
La energía contenida en los glúcidos
de reserva (almidón y glucógeno) y en
los lípidos, viene a ser como el dinero
depositado a plazo fijo; no es
asequible fácilmente.
La energía de la glucosa es como el
dinero en una cuenta corriente,
accesible, pero no tanto como para
realizar
todas
las
operaciones
cotidianas.
La energía en los nucleótidos
modificados, en cambio, es como el
Hidrólisis del ATP
Con la adición de agua al ATP, un grupo fosfato se separa de la molécula. Los productos de la
reacción son ADP, un fosfato libre y energía.
Alrededor de unas 7 Kcal se liberan por cada mol de ATP hidrolizado. La reacción puede ocurrir
en sentido contrario si se aportan las 7 Kcal/mol.
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