Introducción El agua constituye el 50

Introducción
El agua constituye el 50-90 % del
peso de todo ser vivo funcionante.
El contenido del agua en la célula
es la suma de una porción libre y
de otra ligada. El agua libre
representa el 95 % del agua total y
se usa como solvente de solutos y
como
medio
dispersante
del
sistema coloidal del citoplasma. El
agua ligada es el 5 % restante,
encontrándose ligada laxamente a
proteínas por puentes de H.
Estructura Molecular
La molécula de H2O tiene dos
átomos de H y un átomo de O.
Cada H está unido al O por un
enlace covalente : el único e- del H
forma un par de e- con uno de los edel O. En conjunto, la molécula de
H20 es neutra : mismo número de
protones que electrones. Sin
embargo, la molécula es polar.
Debido a la fuerte atracción del
núcleo del O sobre los e-, los del
enlace covalente pasan más tiempo
cerca del núcleo del O que del H,
así la región próxima al H es
débilmente positiva Además, el
átomo de O posee 4 e- no
compartidos en su nivel externo,
esta zona es débilmente negativa.
En términos de polaridad, cada
molécula de H2O posee 4 vértices :
2 con carga positiva y 2 con carga
negativa.
O
H
H
O
H
105 º
H
Recordemos que existen 2 clases
de enlaces químicos : el covalente,
fuerte y el no covalente, débil. Este
último, determina la arquitectura
tridimensional de grandes moléculas biológicas. Los 4 tipos de
enlaces no covalentes son : enlace
de H, enlace iónico, fuerzas de Van
der Waals y enlace hidrofóbico.
Un enlace de H se establece
entre un vértice negativo de una
molécula y el vértice positivo de
otra molécula. Cada molécula de
agua puede establecer enlaces de H
con 4 moléculas de agua. Los
enlaces de H son débiles y de
duración corta (1/100.000 millones
de seg.), pero al romperse se forma
otro.
Agua
En el agua líquida, cada
molécula de agua, aparentemente,
forma enlaces de H transitorios con
varias otras moléculas creando una
trama fluída de moléculas unidas
por
H.
En
condiciones
de
temperatura y presión ordinarias,
las moléculas están adheridas y,
como
consecuencia
de
esta
adhesión, tenemos fenómenos de
tensión superficial, capilaridad e
imbibición.
A. PROPIEDADES FISICAS
1. Tensión superficial.
La tensión superficial es la
cohesión de moléculas de agua
entre ellas o con otras sustancias.
El Hg es el único líquido con
tensión superficial superior al
agua. La molécula de agua al
poseer cargas positiva y negativa
se adhiere a otras moléculas
cargadas o a superficies cargadas.
La
propiedad
humectante
(propiedad de cubrir superficies) se
debe a estructura polar y
cohesividad. Ejemplos : gota
esférica goteando desde un grifo,
insectos que caminan sobre el
agua.
2. Capilaridad
Es la propiedad de las moléculas
de agua de adherirse a superficies
y ascender por espacios reducidos.
Esta propiedad aumenta con la
reducción del espacio. Ejemplo : el
agua asciende por un papel poroso,
asciende por conductos vegetales
(floema, xilema); dos portaobjetos
secos en íntimo contacto, al sumergirlos en agua por uno de sus
vértices, el agua asciende entre
ellos.
3. Imbibición.
Es
la
penetración
de
moléculas de agua por capilaridad
en sustancias como madera o
gelatina, las cuales se hinchan con
enorme
presión.
Ejemplos
:
semillas duras al germinar se
dilatan y revientan. En Medicina,
se dan situaciones en las cuales los
embriones (antes de la 8ª semana)
o fetos (después de la 9ª semana)
mueren dentro del útero y no son
expulsados espontánea-mente, por
lo cual deben ser extraídos. La vía
de acceso al útero es el cuello del
útero, el cual en este tiempo del
embarazo se encuentra cerrado.
Con el fin de disminuir las lesiones
potenciales sobre el cuello por una
dilatación mecánica, frecuentemente se utiliza un trozo cilíndrico
(3-5 cm. de largo por 0.3 cm. de
diámetro) de una alga seca
denominada laminaria que se
inserta en el canal cervical.
Permanece allí por varias horas y
el cuello llega a
Agua
dilatarse por expansión de la
laminaria que ha aumentado de
volumen debido a una imbibición
del agua de las secreciones
cervicales.
Las
moléculas
polares
de
sustancias que se disuelven en
agua son hidrófilicas, atraen a
moléculas de agua más que lo que
ellas se atraen entre sí. Moléculas
apolares (grasas) tienden a ser
insolubles y a aglomerarse entre sí
formando gotas cuando están en
agua. Estas son hidrófobas y las
aglomeraciones
de
moléculas
apolares
se
conoce
como
interacciones hidrofóbicas.
2. Ionización del agua.
En el agua líquida hay tendencia
a que un H de una molécula sea
atraído por otra molécula.
H2O + H2O ' OH- + H3O+
PROPIEDADES QUIMICAS
1. Propiedad disolvente
Muchas sustancias de los seres
vivos están en solución. La
solución es una mezcla uniforme de
moléculas de 2 ó más sustancias, la
sustancia más abundante es el
solvente y la menos abundante es
el soluto. La polaridad de las
moléculas de agua es responsable
de la capacidad para actuar como
solvente. Las moléculas polares del
agua separan iones (caso del NaCl)
enfrentando el polo contrario al
ión. Otras moléculas tienen áreas
de carga + ó –.
La cantidad de moléculas
ionizadas es igual a las no
ionizadas; así, mientras unas
moléculas se ionizan, una cantidad
igual está formándose por unión de
sus iones : es el equilibrio
dinámico. Por convención, la
ionización del agua se expresa :
H–OH ' H+ + OHen donde los iones se llaman
productos de disociación del agua.
Así, el agua es un ejemplo de
molécula anfotérica, puede ser
ácida o básica. Actúa como un
ácido cuando dona un protón
quedando como ión hidroxilo o
como base cuando acepta un
protón.
Agua
C.PROPIEDADES
TERMODINAMICAS
1. Calor específico
Es la cantidad de calor que una
cantidad dada de sustancia debe
recibir para que ocurra un
aumento dado de temperatura. En
la práctica, se traduce en una
caloría : es la cantidad de calor
necesario para elevar en 1 ºC la
temperatura a 1 gr de agua.
Ejemplos :
SUSTANCIA
CALOR ESPECIFICO
(en calorías)
agua
sal
alcohol
amoníaco líquido
hierro
plomo
1.00
0.21
0.60
1.23
0.10
0.03
Para aumentar la temperatura
del agua se requiere de un gran
aporte de energía. Este gran calor
específico se debe a los enlaces de
H que tienden a restringir los
movimientos de las moléculas. El
calor suministrado al agua sirve
para romper los enlaces de H y una
pequeña parte de él para acelerar
el movimiento de las moléculas. En
términos biológicos : al ocurrir un
aporte de calor, la temperatura del
agua sube con lentitud y al retirar
el calor, también desciende con
lentitud.
Esta
constancia
en
la
temperatura del agua es crucial
para la célula, puesto que las
reacciones químicas tienen lugar
dentro de estrechos rangos de
temperatura.
2. Calor de vaporización
Es el cambio del estado líquido al
estado gaseoso, se llama también
evaporación. El agua tiene un gran
calor de vaporización, ya que
necesita más de 500 calorías para
que un gramo de agua líquida se
convierta en vapor. Ejemplos :
LIQUIDO
CALOR REQUERIDO
(en calorías)
Agua ( 0 ºC)
Agua (100 ºC)
Amoníaco líq.
Alcohol
Éter
596
540
295
236
9
El calor aportado acelera el
movimiento de las moléculas de
agua y las de la superficie se
desprenden con facilidad pasando
al aire. Cuando el agua se evapora,
las moléculas que escapan se
llevan consigo una gran cantidad
de calor : la evaporación produce
enfriamiento.
La
importancia
biológica de este fenómeno es que
se requiere mucho calor para que
se pierdan moléculas de agua
desde la superficie.
(ver dibujo siguiente página)
Agua
aire
agua
Moléculas
de agua
gaseosa
Moléculas
de agua
líquida
Flechas = calor
3. Congelación
Es el cambio del estado líquido al
sólido. En la mayoría de los
líquidos la densidad aumenta al
descender la temperatura. Se debe
a que las moléculas se mueven con
lentitud y disminuyen los espacios
entre ellas. Con el agua sucede lo
mismo hasta los 4 ºC, al descender
más la temperatura, las moléculas
se
ordenan
espacialmente
formando estructuras hexagonales
cristalinas, mediante enlaces de H.
En consecuencia, el agua sólida
ocupa más volumen que el agua
líquida, pero es menos densa.
Además,
esta
disposición
tridimensional cristalina explica
las figuras hexagonales exhibidas
por los copos de nieve. Importancia
biológica : mares, lagos y ríos con
vida acuática, al congelarse lo hace
la superficie solamente, dejando el
resto líquido.
La disolución de sustancias en
agua disminuye la temperatura a
la cual se congela. En peces de
agua dulce, con líquidos corporales
salados en comparación con el
medio, no se congelan cuando el
agua del medio llega a cero grado.
Por el contrario, peces de agua
salada con líquidos corporales
menos salados que el medio
deberían congelarse antes que el
medio, pero ellos producen una
proteína, que contiene glicerol,
que actúa como anticongelante.
pH
El principal solvente dentro de la
célula y en todos los fluidos
extracelulares es el agua. Una
característica
importante
de
cualquier solución acuosa es la
concentración de iones hidrógenos
cargados positivamente (H+) y
iones
hidroxilos
cargados
negativamente (OH ).
Agua
Debido a que estos iones son el
producto de la disociación del agua,
ellos están formando parte de todos
los sistemas vivientes.
Para poder determinar la
concentración de iones H+ en una
solución, se utiliza la escala del
pH. Esta escala va desde el cero (0)
hasta el 14, donde el 7 se considera
neutro, menor a 7 es ácido y mayor
de 7 es básico (alcalino).
Conc.H+
pH
10 — 0
10 — 1
10 — 2
10 — 3
10 — 4
10 — 5
10 — 6
10 — 7
10 — 8
10 — 9
10 — 10
10 — 11
10 — 12
10 — 13
10 — 14
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Ejemplo
Jugo gástrico
Jugo limón
Vinagre
Destapa cañerías
Lisosomas
Citoplasma
Agua pura
Agua de mar
Lagos alcalinos
Amoníaco casero
Cal
Blanqueador
En reglas generales, cualquier
ión o molécula cargada que pueda
liberar H+ es llamada ácida y
aquella que pueda captar H+ es
llamada básica.
Las células de los organismos
superiores contienen organelas,
por ejemplo los lisosomas, que
contienen enzimas catalíticas que
solo funcionan a un pH cercano a
5, muy por debajo del pH del
citoplasma circundante (7.2).
IMPORTANCIA MÉDICA DEL
AGUA
El contenido de agua corporal
total en un adulto normal varía
entre el 55 al 65 % de su peso
corporal. Estos porcentajes varían
según la edad de la persona : en
recién nacidos y lactantes el
porcentaje es mayor y en los
ancianos en mucho menor.
Para que un ser humano
mantenga el agua corporal total
dentro de un rango de normalidad
debe tener ingresos normales, que
están dados por la ingesta de
líquidos y en el agua contenida en
los alimentos; así como pérdidas
normales, como la eliminación de
agua a través de orina, heces y
pérdidas insensibles (sudor y
espiración).
Si un ser humano sufre pérdidas
anormales de líquidos, como por
ejemplo los vómitos, diarrea, fiebre
y otros signos de enfermedades tan
frecuentes en nuestra sociedad,
como la gastroenteritis o el cólera,
entonces las pérdidas de líquidos
superan en gran medida a los
ingresos y el paciente llega a un
estado de deshidratación.
Agua
En niños pequeños, esta condición
es muy delicada, ya que desde el
punto de vista clínico, en ellos se
puede apreciar : sed intensa, piel
seca,
hundimiento
de
las
fontanelas, letargia, somnolencia y
hasta puede causar shock y luego
la muerte, si no se trata a tiempo.
El principio físico que produce la
osmosis es la presión osmótica,
que se define como la presión
hidrostática
necesaria
para
detener el flujo de agua que
atraviesa una membrana que
separa 2 soluciones de diferentes
composiciones. En este aspecto, la
palabra
“membrana”
podría
corresponder a una membrana
celular real o a varias capas de
células, que podrían actuar como
una membrana.
A
¿Dónde están mis fontanelas?
Señálalas con una flecha.
MENOS
concentración
de soluto
B
MAS
concentración
de soluto
Movimiento del agua
Movimiento del agua
¿En A ó en B hay más agua? ___
Existen 2 fenómenos aparentemente no relacionados : la
regulación del volumen del agua en
las células y el flujo masivo del
agua a través de una o más capas
de células. Ejemplos : el paso del
agua desde la sangre al lumen
gástrico atravesando varias capas
de células y el paso del agua a
través de la membrana de una
célula.
El
fenómeno
físico
responsable de ambos fenómenos
es la osmosis, que consiste en el
movimiento del agua desde una
solución con menor concentración
de soluto a otra con mayor
concentración de soluto.
¿En A ó en B hay menos soluto? ___
¿En A ó en B hay más presión osmótica? ___
La membrana de una célula está
fundamentalmente formada por
una doble capa de lípidos, esta
bicapa es algo permeable al agua,
sin embargo, los volúmenes de
movimiento de agua no pueden ser
explicados
por
el
simple
movimiento a través de la bicapa,
lo cual presupone la existencia de
ciertos canales que permitirían el
paso del agua a través de la
membrana.
El
agua
podría
atravesar sola o acompañando a
algunos solutos (glucosa, cloruro).
Agua
Las demostraciones evidentes de
la presión osmótica ocurren cuando
células animales son colocadas en
medios de mayor o menor
concentración de solutos que el
citoplasma. En el primer caso, se
dice que la célula se encuentra en
un medio hipertónico y en el
segundo en un medio hipotónico.
Cuando la célula se encuentra en
un medio hipertónico, el agua del
citoplasma sale al exterior y la
célula se encoge. Cuando se
encuentra en un medio hipotónico,
entra agua a la célula y llega a
hincharse.
isotónico
isotónico
hipertónico
hipertónico
hipotó
ónico
hipot
hipotónico
Las células del organismo están
permanentemente sometidas a
estas variaciones en el medio
ambiente, lo cual deduce la
existencia
de
mecanismos
reguladores
de
la
tonicidad
interna. ¿Podría explicar qué
mecanismos usaría una célula al
encontrarse
en
un
medio
hipertónico y en otro hipotónico?
1. ¿Qué tipo de enlace se establece
entre el H y el O de una molécula
de agua?
2. Explique cada uno de los tipos
de enlaces no covalentes.
3. La molécula de agua, ¿puede
considerarse como un dipolo?.
Justifique su respuesta.
4. Si llena un vaso de agua hasta el
borde y lo observamos desde un
lado, vemos que se forma una
cúpula en su superficie. Explique
este fenómeno.
5. Se sabe que el organismo está
compuesto por un gran porcentaje
de agua y queremos disolver un
medicamento
en
éste,
¿qué
característica química debe tener
este medicamento?
6.
Relacione
el
calor
de
vaporización del agua con la
función del sudor en los seres
humanos
y
su
importancia
fisiológica.
7. (Complete con las palabras hipertónico
o hipotónico) : “Si tenemos un
paciente que sufre de diarrea
aguda y llega al estado de
deshidratación, su medio interno
llega a un estado ____________,
pero si le administramos excesiva
cantidad de líquidos podemos
llevar el medio interno a un estado
____________.