El agua y el cuerpo humano

Agua y Seres Vivos
EL AGUA Y EL CUERPO HUMANO
CÁTEDRA MANUEL ANCIZAR
LA CÉLULA: UN SISTEMA
TERMODINÁMICO ABIERTO
• http://openi.nlm.nih.gov/detailedresult.php?i
mg=2672024_ijms-10-01161f3&req=4
PROPIEDADES DE LOS ORGANISMOS VIVOS
• Los organismos vivos son sistemas termodinámicos
abiertos.
• Intercambian materia y energía con los
alrededores.
• Requieren inexorablemente del aporte de energía
(libre) para mantener su grado de complejidad o
para incrementarlo.
• Se encuentran lejos del equilibrio. Están en un
estado estacionario dinámico. El equilibrio es
sinónimo de la muerte.
• Los organismos vivos son sistemas autoorganizativos.
LA TABLA PERIÓDICA Y LA VIDA
• http://umbbd.ethz.ch/periodic/
LA VIDA Y LAS LEYES DE LA FISICA Y LA QUÍMICA
• http://www.panspermia.org/seconlaw.htm
• http://scienceunraveled.com/2012/08/06/wh
at-is-energy-fundamentally-the-reason-all-lifeexists/
LA LÓGICA MOLECULAR DE LOS ORGANISMOS VIVOS
• Los organismos vivos obedecen las leyes de la física y la
química no hay espacio para el vitalismo, el alma, el
esoterismo o la magia.
• Los organismos vivos comparten una misma lógica
molecular y lo mismos bloques de construcción de sus
macromoléculas (monómeros de su material genético,
monómeros de sus proteínas).
• Los organismos vivos son los sistemas más eficientes en
contribuir al cumplimiento de la segunda ley de la
termodinámica (entropía).
• El arreglo tridimensional de la macromoléculas
biológicas solo es posible en su interacción con el agua.
ORIGEN DEL UNIVERSO Y DE LA VIDA
• De acuerdo con la teoría del Big Bang sobre el
origen del universo, la vida quedó inscrita en la
propiedades de los átomos que hoy la componen.
• Los átomos que conforman las biomoléculas son
aquellos con los cuales se pueden formar los
enlaces covalentes más fuertes.
• Las biomoléculas son muy estables, pero las
interacciones entre ellas ocurren a través de
enlace débiles (interacciones dipolo-dipolo, de
London, enlace de hidrógeno).
• El Agua: una molécula singular.
EL AGUA Y LA VIDA
• El agua es la base de la vida.
• Cómo se transformó la materia inanimada en vida
continúa siendo un problema no resuelto.
• Nuevas propiedades del agua se conocen de
manera incesante.
• La presencia de agua en otros planetas sugiere
que hubo vida, aún la hay, o se va en camino de
haberla. Marte, satélites de Neptuno.
• La disponibilidad de agua en el espacio parece ser
la norma y no la excepción.
LA EVOLUCIÓN EN UN MEDIO ACUOSO
• Los cambios en un sistema abierto son relativamente
estables, permitiendo su evolución.
• Las interacciones estables y coherentes entre los
elementos de un sistema abierto constituyen una
estructura disipativa.
• Los organismos vivos conservan o disminuyen su
grado de entropía a expensas del desorden creado
en sus alrededores.
• La auto-organización de células vivas es posible en
condiciones extremas, lo cual reclama la presencia
del solvente universal: el agua.
EL AGUA Y LA INFORMACIÓN
• Aunque la «memoria» del agua es un tema de
mucha controversia, el agua tiene propiedades que
le permiten almacenar y diseminar información
ante influencias físicas y químicas externas.
• Se argumenta que esta “informacionabilidad” del
agua posibilitó el origen de la materia viva.
• Resultados experimentales indican que el agua es
un sistema abierto auto-organizativo.
• El agua y los organismos vivos almacenan
información y reaccionan a flujos de energía.
EL AGUA Y EL ORIGEN DE LA VIDA
• La auto-organización en un medio acuoso explica
en gran medida el origen de la materia viva.
• Los estudios sobre la estructuración de las
molécula de agua permiten analizar en mejor
forma las condiciones de surgimiento de la vida.
• Se ha encontrado difícil aceptar que la vida se haya
originado en un medio acuoso altamente caótico.
• La evidencia indica que el surgimiento de la vida
depende de la estructura y propiedades del agua y
de otras condiciones adicionales.
EL AGUA: GENERALIDADES
• El agua es percibida como una sustancia
transparente, insípida e inodora.
• Es una molécula relativamente pequeña formada por
dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.
• Es una molécula con propiedades extraordinarias.
• Aunque es utilizada diariamente para diferentes
propósitos, el común de los ciudadanos desconoce la
relación que ella tiene con la vida.
• Las sequías se asocian con hambruna y las
inundaciones con muerte.
• El agua conforma aproximadamente el 70% de
nuestros cuerpos y su deprivación conduce a la
muerte en pocos días.
EL AGUA: CONTENIDO Y FUNCIONES
• La vida sobre la tierra depende de la estructura
singular del agua y la naturaleza anómala del
agua líquida.
• Los organismos vivos consisten mayormente de
agua líquida.
• El agua realiza muchas funciones; no es un
diluyente inerte.
• Los organismos vivos deben ser pensados como
una asociación de moléculas biológicas y el agua.
IMPORTANCIA DE LA MOLÉCULA DE AGUA
1-Solvente. 2- Soluto. 3- Reactante. 4- Biomolécula
(estructura de las proteínas, los ácidos nucléicos y
las células en general).
5- La más abundante en el universo (después del
hidrógeno).
6- La vida no puede existir y evolucionar sin agua.
7- Muy estudiada pero poco entendida
científicamente.
8- Pequeña, pero con acciones complejas y
singulares.
LA MOLÉCULA DE AGUA
• Tiene forma de V; Su fórmula: H2O
• Los átomos de hidrógeno se
intercambian(protonación/deprotonación).
• Los átomos de hidrógeno permanecen en una
molécula un milisegundo.
• La molécula es asimétrica. Dos átomos livianos y
uno relativamente más pesado: 1/16
• Facilidad de rotación y movimiento de los
hidrógenos.
MOLÉCULA DE AGUA
• http://www.lsbu.ac.uk/water/molecule.html
DIPOLO DE LA MOLÉCULA DE AGUA
• http://www.lsbu.ac.uk/water/molecule.html
VIBRACIÓN DE LA MOLÉCULA DE AGUA
• http://www.lsbu.ac.uk/water/vibrat.html
AGRUPAMIENTO ENLACES DE HIDRÓGENO
• http://www.lsbu.ac.uk/water/hbond.html
ESPECTRO DE ABSORSIÓN DEL AGUA
• Principal absorbente de la luz solar
• Agua en la atmósfera (13 x 1012 ton; 0.33%)
absorben 70% de la radiación atmosférica.
• Mayor absorción en el infrarrojo.
• Contribuye al efecto invernadero. Clima
habitable.
• Funciona como retro-alimentación negativa. Las
nubes reflejan la luz solar.
• El contenido de agua varia 100 veces. Lugares
calientes/húmedos y fríos/secos.
ESPECTRO VISIBLE Y UV
• http://www.lsbu.ac.uk/water/vibrat.html
PROPIEDADES ANÓMALAS DEL AGUA
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En su forma gaseosa es muy liviana.
Como líquido, es más densa de lo esperado.
Como sólido es más ligera que lo esperado.
Altos puntos congelación y fusión.
La alta capacidad y conductividad térmicas,
contribuye a la regulación térmica.
• El alto calor de evaporación da resistencia a la
deshidratación y al sobre-enfriamiento.
• A 4 C el agua se expande al calentarla o enfriarla
ALGUNAS ANOMALÍAS
• La densidad del hielo se incrementa con el
calentamiento.
• La presión reduce el punto de fusión del
hielo.
• El agua incrementa su densidad al calentarla
(hasta 4 C).
• El agua caliente puede congelarse más
rápido que el agua fría.
MODELOS DEL AGUA
• Los modelos de la molécula de agua son la base
de los modelos de la estructura del agua.
• Recientemente se han enumerado 46 distintos
modelos.
• Los actuales modelos son pobres predictores de
la conformación y la hidratación de las moléculas
biológicas.
• Continúa siendo difícil modelar realísticamente la
estructura del agua.
AGRUPAMIENTOS DE AGUA
• Las moléculas de agua forman una red infinita de
enlaces de hidrógeno con agrupamientos
localizados y estructurados.
• La magnitud intermedia de la fortaleza de los
enlaces de hidrógeno favorece su formación y
ruptura, posibilitando las funciones de la vida.
• Un concepto importante: el agua l¢quida no es
homogénea a nivel nano-microscópico.
ESTRUCTURA DEL HIELO
• http://www.lsbu.ac.uk/water/ice.html
TRES AGRUPAMIENTOS DE AGUA
RELATIVAMENTE ESTABLES
• http://www.lsbu.ac.uk/water/abstrct.html
AGRUPAMIENTOS ICOSHÉDRICOS DE
AGUA (280 MOLÉCULAS)
• http://www.lsbu.ac.uk/water/abstrct.html
SUPERAGRUPAMIENTO ICOSAHÉDRICO (1820
MOLÉCULAS)
• http://www.lsbu.ac.uk/water/evidnc.html
TRANSFERENCIA DE INFORMACIÓN DE LOS
ENLACES DE HIDRÓGENO
• Los enlaces de hidrógeno portan información sobre
solutos y superficies, a través de distancias
significativas (nm).
• El efecto es sinergístico, directivo y extensivo.
• Un enlace de hidrógeno causado por un soluto o
superficie será transmitido a varias moléculas
vecinas.
• La reorientación de una molécula induce
movimientos en las vecinas.
• Las moléculas de soluto pueden “sensarse” unas a
otras a distancias de varios nm.
TRANSFERENCIA DE INFORMACIÓN
• http://www.lsbu.ac.uk/water/hbond.html
FUNCIONES DEL AGUA EN EL CUERPO
• Es normalmente tomada por vía oral y es absorbida a
través de todo el tracto gastrointestinal.
• Es más importante para la vida que cualquier otro
compuesto visto individualmente.
• Está implicada en varias funciones corporales.
• Crea el medio acuoso para posibilitar varias
reacciones bioquímicas.
• Participa como un reactante en varias reacciones
metabólicas.
• Transporta solutos en el organismo.
• Regula la temperatura corporal.
• Es un lubricante para las articulaciones, la pleura,
conjuntiva, etc.
CONTENIDO DE AGUA EN EL CUERPO
• Es el mayor constituyente corporal.
• Un adulto contiene cerca del 60% de agua
(Hombres: 55-70%; Mujeres: 45-60%).
• Un hombre de 70 kg contiene 42L de agua: fluido
intracelular (ICF) 28L; fluido extracelular (ECF)
14L.
• Fluido intravascular, parte del ECF, 2.8 L.
• Fluido intersticial, parte del ECF, 11.2 L.
RECAMBIO Y BALANCE DE AGUA
• Capacidad del cuerpo para regular su contenido
de agua.
• El agua es suministrada al cuerpo por fuentes
exógenas y endógenas.
• Exógena: agua ingerida, bebidas, alimentos
sólidos que contienen agua. 0.5 – 5 L.
• Endógena: Agua metabólica producida dentro del
cuerpo. 125 ml/1000 calorías consumidas.
• Pérdida de agua: Orina (1-2 L/día), piel (400
ml/día), pulmones (400 ml/día), heces (150
ml/día), leche, lágrimas, vómito.
LA SED
• El deseo vehemente por tomar un fluido.
• Un mecanismo para asegurar el balance de los fluidos.
• Se produce por deficiencia de fluidos o aumento de la
concentración de solutos- osmolitos.
• Señalización en el sistema nervioso central de
disminución de agua en el organismo o aumento de la
concentración de osmolitos.
• Sed extracelular: disminución de volumen: sed
intracelular: aumento de concentración de osmolitos.
• Existen receptores para la detección de estos cambios
más allá de un umbral.
MECANISMOS DE LA SED
• Receptores de la disminución de volumen: Sistema
renina-angiotensina-aldosterona.
• Se produce reabsorción de sal y agua en el riñón.
• Se provoca sed al afectarse el órgano subfornical en
el cerebro.
• Los osmoreceptores localizados especialmente en
el hipotálamo detectan cambios en presión
osmótica, señalizan la deshidratación celular a
otras partes del cerebro y desencadenan la sed.
• Los osmoreceptores regulan la hormona
antidiurética que promueve reabsorción de agua en
lo túbulos renales.
INTOXICACIÓN POR AGUA
• Hipersecreción de ADH: después de
anestesia en cirugías, narcóticos.
• Retención de agua: 12-36 horas después de
cirugías.
• Falla renal debida a varias causas.
• Excesiva administración de fluidos oral o
parenteralmente.
• La intoxicación por agua puede ser fatal.
REFERENCIAS
• M. Chaplin. Water structure and science.
file:///C:/Users/VAIO/Documents/Water%20structure%20and%
20science.h
• D. L. Nelson and M. M. Cox. Lehninger Principles of
Biochemistry. http://www.getbookee.org/lehninger-principlesof-biochemistry-6th-edition/
• Muhammad Akram and Abdul Hamid. A comprehensive review
on water balance. Biomedicine & Preventive Nutrition (2012).
http://dx.doi.org/10.1016/j.bionut.2012.10.003
• Ignat Ignatov. Water for origination of life, structure.
http://www.medicalbiophysics.dir.bg/en/water_memory.html
• Jeffrey L. Bada. How life began on Earth: a status report. Earth
and Planetary Science Letters 226 (2004) 1–15.
• Paul R. Hunter, Alan M. MacDonald, and Richard C. Carter.
Water Supply and Health. PLoS Med 7(11): e1000361.
doi:10.1371/journal.pmed.1000361