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

Transcripción

1 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-). 1

2 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/ de mol de iones hidrógeno ( y la misma cantidad de iones hidróxido), o lo que es lo mismo 0, 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. 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. 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 veces más iones H+ que una solución de ph 6. 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. 2

3 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). 3

4 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. 4

5 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. 5

6 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. 6

7 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. 7

8 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. 8

9 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 9

10 Segunda Base U C A G Existen 20 aminoácidos en la naturaleza y cuatro bases nitrogenadas, por lo tanto hay 64 posibles combinaciones de tres bases nitrogenadas (4 3 =64), por lo que este código, llamado código genético es universal, redundante y consistente. U C U U U P he U C U U A U T y r U G U C y s U U C U C C S er U A C U G C U U A U C A U A A S t o p U G A S t o p U U G L e u U C G U A G S t o p U G G T r p C U U C C U C A U C G U C U C L e u C C C P ro C A C H is C G C A r g C U A C C A C A A G ln C G A C U G C C G C A G C G G U C A G U C A G Primera A A U U A C U A A U A G U S e r A U C I le A C C T hr A A C A s n A G C A U A A C A A A A A G A A r g A U G M et A C G A A G L y s A G G U C A G Base G G U U G C U G A U A s p G G U G U C V a l G C C I le G A C G G C G ly G U A G C A G A A G lu G G A G U G G C G G A G G G 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. 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 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). 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. 10