4.- ESTRUCTURA QUÍMICA DEL AGUA COMO SUBSTANCIA

Transcripción

1 1.-IMPORTANCIA DEL AGUA PARA LOS SERES VIVOS 2.-ALGUNAS PROPIEDADES DEL AGUA 3.- ESTRUCTURA QUÍMICA DEL AGUA 4.- ESTRUCTURA QUÍMICA DEL AGUA COMO SUBSTANCIA 5.- LA COHESIVIDAD DEL AGUA 6.- EL CARÁCTER DIPOLAR DEL AGUA 7.- PROPIEDADES DE LAS DISPERSIONES 8.- IONIZACIÓN Y ph 9.- EL AGUA COMO SUSTANCIA REACCIONABLE 10.-LAS SALES MINERALES INTRODUCCIÓN FUNCIONES 11.-GASES

2 EL AGUA 1. IMPORTANCIA DEL AGUA PARA LOS SERES VIVOS El agua es el líquido más abundante de la corteza y uno de los pocos líquidos naturales. No es de extrañar entonces que el agua sea una sustancia esencial en los seres vivos. El agua es el componente más abundante en los medios orgánicos, los seres vivos contienen por término medio un 70% de agua. No todos tienen la misma cantidad, los vegetales tienen más agua que los animales y ciertos tejidos (por ejemplo: el tejido graso) contienen menos agua - tiene entre un 10% a un 20% de agua- que otros como, por ejemplo: el nervioso, con un 90% de agua. También varía con la edad, así, los individuos jóvenes tienen más agua que los adultos (la carne de ternera es más tierna que la de vaca). El agua en los seres vivos se encuentra tanto intra como extracelularmente. El agua intracelular, la que está en el interior de las células, representa 2/3, aproximadamente, del agua que contiene un ser vivo y el agua extracelular representa el tercio restante. Esta última se encuentra bañando las células o circulando en forma de sangre, linfa, savia, etc. En los seres unicelulares y en los organismos acuáticos el agua es además su medio ambiente. El agua no es un simple medio ni una mera fase inerte, es un líquido muy reaccionable. Interviene en muchas reacciones químicas, bien como reactivo o como producto de la reacción, y resulta imprescindible para la estabilidad de muchas sustancias biológicas, por ejemplo, las proteínas. Por último diremos que la vida se originó hace más de 3500 millones de años en el medio acuático y las condiciones de aquel ambiente primitivo imprimieron un sello permanente en la química de los seres vivos. Todos los seres vivos han sido diseñados alrededor de las propiedades características del agua, tales como su carácter polar, sus enlaces de hidrógeno y sus elevados puntos de fusión, ebullición,calor específico y tensión superficial. 1

3 2.- ALGUNAS PROPIEDADES DEL AGUA Masa molecular da Punto de fusión... 0oC (a 1 atm) Punto de ebullición oC (a 1 atm) Densidad (a 40C)... 1g/cm3 Densidad (00C)... 0'97g/cm3 3.-ESTRUCTURA QUÍMICA DEL AGUA La molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. En el agua existen también los productos resultantes de la disociación de algunas de sus moléculas: el ión H 3 O + y el OH -. En la molécula de H2O los enlaces covalentes entre el oxígeno y los dos átomos de hidrógeno forman un ángulo de 104'5 º. Además, el átomo de oxígeno atrae hacia sí los electrones del enlace covalente. Esto hace que la molécula presente un exceso de carga negativa en las proximidades del átomo de oxígeno y un exceso de carga positiva en los átomos de hidrógeno. Por lo tanto, cada molécula de agua es un dipolo eléctrico. 4.-ESTRUCTURA QUÍMICA DEL AGUA COMO SUBSTANCIA Al ser las moléculas de agua dipolos eléctricos se establecen enlaces de hidrógeno entre el átomo de oxígeno de una molécula y los átomos de hidrógeno de las moléculas vecinas. 2

4 Estos enlaces de hidrógeno se forman y se escinden a gran velocidad, aunque su estabilidad disminuye al elevarse la temperatura. Debido a estos enlaces las moléculas de agua se mantienen unidas - cohesividad - y el agua es líquida a temperaturas a las que otras sustancias de moleculares similares como el CH 4 y el H 2 S son gaseosas. De la cohesividad dependen también una serie de propiedades del agua de gran importancia para los seres vivos. 5.-LA COHESIVIDAD DEL AGUA La cohesividad, debida a los puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua, es responsable de importantes características del agua y de muchas de las funciones como: La función estructural, responsable de: - Los fenómenos de capilaridad, que permite la ascensión de la savia a través de finísimos conductos que forman los vasos leñosos en las plantas. - Que sea un líquido prácticamente incomprensible capaz de dar volumen y turgencia a muchos seres vivos (gusanos) y constituir el esqueleto hidrostático de las plantas. - La elevada tensión superficial del agua permitiendo las deformaciones del citoplasma celular y los movimientos internos de la célula. 3

5 La función termorreguladora: - Elevado punto de fusión y de ebullición, de manera que otras sustancias de masa moleculares parecidas son gaseosas mientras que el agua es líquida. - Elevado calor específico, definido como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una cierta masa de agua 1º C. Esto hace que el agua almacene o libere una gran cantidad de calor al calentarse o al enfriarse; lo que permite que el agua actúe como amortiguador térmico, evitando bruscas alteraciones de la temperatura y evitando de esta forma que, por ejemplo, algunas moléculas como las proteínas, muy sensibles a los cambios térmicos, se alteren. - Elevado calor de vaporización, definido como la cantidad de calor necesario para evaporar un gramo de agua, para ello es necesario que los puentes de hidrógeno se rompan. Permite la vida en zonas polares: esto es debido a que alcanza su máxima densidad a 4º C, por lo que el agua en estado sólido es menos densa y de esta manera el hielo flota, permitiendo la vida acuática. 6.-EL CARÁCTER DIPOLAR DEL AGUA Debido a que el oxígeno atrae con más fuerza los electrones éste presenta una carga parcial negativa, mientras que los átomos de hidrógeno presentan una carga parcial positiva, haciendo que la molécula de agua se comporte como un dipolo, esta propiedad es responsable de una de las funciones más importantes del agua y es que es el disolvente universal por excelencia, su elevada constante dieléctrica facilita la disolución de los compuestos iónicos. Las moléculas de agua se orientan alrededor de los iones positivos con la parte negativa de su molécula hacia ellos y en el caso de los iones negativos les enfrentan la parte positiva. También son solubles en agua las sustancias polares, por ejemplo los glúcidos, que tienen una elevada proporción de oxígeno decimos que son sustancias hidrófilas. Por el contrario, 4

6 aquellas sustancias orgánicas que presentan una elevada proporción de hidrógeno y pocos átomos de oxígeno son poco solubles en agua, por ejemplo los lípidos, son sustancias hidrófobas. Algunas sustancias tienen una parte de su moléculas que es soluble en agua y otra insoluble, son sustancias anfipáticas. Este tipo de sustancia cuando están en medio acuoso, se orientan, de manera que cuando están en contacto con la superficie del agua se orientan con la parte hidrófila o polar hacia el agua y la parte hidrófoba o apolar, hacia el exterior formando monocapas. En el seno del agua forman bicapas o micelas, disponiéndose los grupos apolares enfrentados entre sí y los polares hacia el agua. A veces las dobles capas lipídicas encierran un contenido acuoso, formando un liposoma. Liposoma 5

7 Las grandes moléculas, como las proteínas forman disoluciones coloidales o dispersiones. Podemos por tanto encontrar los siguientes tipos de disoluciones acuosas: Disoluciones moleculares o verdaderas: formadas por un disolvente y un soluto constituido por partículas menores de 10nm. Ej. Agua con azúcar. Disoluciones coloidales o dispersiones: formadas por un dispersante y partículas dispersas, cuyo tamaño oscila entre 10nm y 100nm. Por ejemplo agua y proteínas. Este tipo de disoluciones pueden estar en dos estado: sol y gel. En el estado de sol predomina la fase dispersante, el agua, por ejemplo, sobre la fase dispersa y la solución es más fluida. En estado de gel predomina la fase dispersa, por ejemplo, la proteína y la solución es más viscosa. El paso de un estado a otro es reversible y diversos factores físicos o químicos ( ph, temperatura, )pueden hacer que una solución pase de un estado a otro sin variar la concentración de las partículas dispersas. 6

8 Dispersiones coloidales hidrófobas: son inestables y están formadas por partículas anfipáticas, que tienden a reunirse entre sí y a formar una fase separada del agua (aceite y agua), a veces estas soluciones pueden hacerse estables gracias a sustancias que impiden la unión entre las partículas dispersas, se forma entonces una emulsión (estable), ejemplo, las grasas de la leche forman una emulsión gracias a las proteínas. 7.- PROPIEDADES DE LAS DISPERSIONES: - Tienen elevada viscosidad. - Poseen gran poder de adsorción, es decir atraen sobre su superficie, átomos, iones, - Presentan efecto Tyndall que se produce cuando las ondas luminosas son dispersadas (opalescencia) por las partículas coloidales. - No pueden sedimentar, excepto mediante elevados campos gravitacionales (ultracentrifugación). - Se pueden purificar mediante diálisis, es decir, se pueden separar las partículas coloidales de las no coloidales gracias a una membrana que deja pasar las moléculas pequeñas, pero no las grandes. Una aplicación es la hemodiálisis, que se aplica a enfermos con insuficiencia renal, mediante esta técnica se eliminan las dales minerales y productos de desecho, pero no proteínas de la sangre. - Se pueden separar mediante electroforesis, técnica que consiste en aplicar un campo eléctrico, para que las partículas coloidales se desplacen y así separarlas, de manera que las partículas cargadas positivamente (cationes ) emigrarán al cátodo (-) y las cargadas negativamente (aniones) al ánodo (+). 8.- IONIZACIÓN Y ph (FUNCIÓN QUÍMICA) Parte de las moléculas (10-7 moles por litro de agua, 1 mol= 6 023x1023 moléculas) están disociadas. La ecuación de ionización del agua es la siguiente H 2 O + H 2 O < > H 3 O + OH - 7

9 Las sustancias ácidas al disolverse en agua se disocian y producen iones H+ que aumentan la concentración de iones H 3 O + del medio. Las sustancias básicas se disocian también produciendo iones OH que se unen a los iones H 3 O + formándose dos moléculas de agua, por lo que la concentración de iones H 3 O + del agua disminuye. Esta disociación del agua pura a 25ºC es: Kw = [H 3 O + ] [OH- ] = moles/l [H 3 O - ]= [OH- ] = 10-7 moles/l La concentración de iones H 3 O + o H + del agua se puede tomar, por lo tanto, como una medida de su acidez, si es alta, o de su basicidad, si es baja. El ph se define como el logaritmo decimal negativo de la concentración de iones H 3 O + de una disolución. 1 ph= - log (H 3 O + ) = log( H + ) Por lo tanto en el agua pura si la concentración de protones es de 10-7 moles por litro, el ph = 7.Así que si el ph < 7, la disolución será ácida; si el ph = 7, será neutra; si el ph > 7, será básica. Puede decirse, a modo de ejemplo, que el ph de la sangre es ligeramente básico (ph=7'37) mientras que el del estómago es fuertemente ácido (ph=1). 8

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11 Las variaciones del ph son de gran importancia en muchos procesos biológicos de la célula. Así, por ejemplo, en los procesos de acumulación de energía en el ATP o en la activación de las enzimas de los lisosomas. 9.- EL AGUA COMO SUSTANCIA REACCIONABLE Gracias a esa capacidad de disociación iónica, le permite intervenir en numerosas reacciones químicas, llevando a cabo una función química importante en las células. - En las reacciones de hidrólisis. Se trata de la rotura de un enlace covalente por la adición de H y OH a los átomos que están unidos entre sí. De esta manera se separan, por ejemplo, los aminoácidos que forman las proteínas cuando estas se hidrolizan; el H y el OH se unen al nitrógeno y al carbono que forman el enlace peptídico en un proceso similar, pero inverso, al de la formación del enlace. Algo parecido ocurre con otros enlaces como con el glicosídico o con el enlace éster. - El agua puede ser adicionada a un doble enlace formándose una función alcohol. - El agua tiene también una gran importancia en la fotosíntesis por ser la sustancia que repone los electrones que se utilizan en los procesos de síntesis de sustancias orgánicas. LAS SALES MINERALES 1.- INTRODUCCIÓN: Pueden presentarse en dos formas: - No ionizadas: precipitan formando estructuras duras, como conchas, esqueletos, caparazones,.. - Ionizadas: disueltas en forma de cationes ( Na +, Ca ++, K +, ) o aniones ( Cl -, SO , PO 4,HCO - 3 ). 2.- FUNCIONES: a) Estructural b) Regulación de la presión osmótica 10

12 c) Amortiguadores del ph d) Acciones específicas de cationes a) ESTRUCTURAL La llevan a cabo las sales no ionizadas y que se encuentra precipitadas formando parte de materiales de construcción, confiriendo estructura a diversos órganos, ejemplo el CaCO 3 forma parte de las conchas de los moluscos, caparazón de Crustáceos, huesos de vertebrados,..; el CaPO 4 contribuye al endurecimiento de los huesos, los silicatos forman las espículas de las esponjas, estructuras de sostén en vegetales, valvas de diatomeas,.. b) REGULACIÓN DE LA PRESIÓN OSMÓTICA Las membranas biológicas son semipermeables, es decir a través de ellas pasa el disolvente pero no el soluto. La ósmosis es un fenómeno de difusión pasiva, en el que se produce el paso del disolvente (agua) a través de una membrana semipermeable, desde la disolución más diluida a la más concentrada, hasta equipararse las concentraciones. La presión que ejercen las moléculas de soluto a ambos lados de la membrana se denomina presión osmótica. 11

13 Dos disoluciones con la misma concentración separadas por una membrana semipermeable se dice que son isotónicas. Si tienen diferente concentración la más concentrada se llama hipertónica y la menos hipotónica. Las células en estado normal deben estar siempre en un medio isotónico. Qué ocurre si están en un medio hipertónico? que sale agua hacia el exterior para equiparar las concentraciones, disminuye el volumen de la célula y aumenta la presión osmótica en su interior, en el caso de las células vegetales, las vacuolas se contraen y la membrana plasmática se separa de la pared celular, provocando la rotura de la misma, a este fenómeno se le llama plasmólisis. Pero, qué ocurre si el medio es hipotónico? que el agua entra al interior de la célula, produciendo turgescencia, aumenta el volumen celular y disminuye la presión osmótica, en el caso de las células animales como los glóbulos rojos, se produce el estallido de la misma (hemolisis). a.- Medio isotónico; b.- Medio hipertónico; c.- Medio hipotónico 12

14 Todos los seres vivos están obligados a una osmorregulación, es decir a regular la presión osmótica de sus células. Así por ejemplo, los organismos unicelulares como las bacterias tienen una pared celular que les protege de la elevada presión osmótica que se genera en su interior ya que viven en medios hipotónicos. Los protozoos evitan el estallido gracias a unas vacuolas contráctiles que continuamente bombean agua hacia el exterior. Las raíces de los vegetales como viven en medios hipotónicos, absorben agua produciendo una turgescencia lo que facilita el crecimiento de las plantas, el exceso de agua es eliminado a través de los estomas. Si el medio fuese hipertónico, se produciría una salida de agua y la planta se marchitaría. Las plantas adaptadas a vivir en medias salinos (hipertónicos), como las plantas halófitas, presentan estrategias para sobrevivir en estas condiciones, algunas absorben sales para mantener en el interior una mayor concentración que en el exterior, otras tienen glándulas secretoras de sales. Los animales como los peces de agua dulce, que viven en un medio hipotónico, absorben mucha agua y eliminan una orina muy diluida. Sus riñones necesitan filtrar mucha agua y retener sales. No necesitan beber. Sin embargo, los peces de agua salada (medio hipertónico), si beben y eliminan el exceso de sal por las branquias. Su orina es hipertónica, ya que deben filtrar poco agua. Los mamíferos mantienen el equilibrio hídrico salino por diferentes mecanismos: - A través de los riñones, los glomérulos filtran y en los túbulos contorneados y Asa de Henle se reabsorbe agua y sales dependiendo de las necesidades del organismo. - A través del intestino grueso se absorbe agua y sales, lo que hace que las heces sean más o menos sólidas y salinas. - A través de la piel, con el sudor se elimina agua y sales minerales. 13

15 C) AMORTIGUADORES DEL ph (BUFFER O SISTEMAS TAMPÓN) Los sistemas tampón se basan en una de las propiedades de los ácidos débiles y es que son ácidos que no se disocian totalmente, de manera que ante un ph determinado, pueden actuar como aceptores o dadores de protones ( H+ ), sin que cambie a penas el ph del medio. Es decir, si el medio es básico liberan H+ y si el medio es ácido captan H+. Un amortiguador es una solución que resiste los cambios de ph cuando se le agregan pequeñas cantidades de ácidos o de base.las soluciones amortiguadoras se preparan con un ácido o una base débil y una de sus sales. Dos ejemplos característicos son el tampón bicarbonato propio del medio extracelular y el tampón fosfato propio de los líquidos intracelulares. El ácido carbónico se disocia de la siguiente manera HCO H + < > H 2 CO 3 << > CO 2 + H 2 O En un medio ácido el equilibrio de la reacción se desplaza hacia la derecha y en un medio básico se desplaza hacia la izquierda. El tampón fosfato se disocia así. H 2 PO H + < > H 3 PO 4 Un ejemplo de la actuación de estos tampones se puede observar en las células musculares, las cuales cuando no les llega suficiente oxígeno, deben oxidar la glucosa vía anaerobia, produciendo ácido láctico que se disocia en el ión lactato y H +, esto altera el ph, acidificándolo, entonces el bicarbonato 14

16 - sódico se disocia NaHCO 3 < > HCO 3 + Na +, neutralizando el H + del medio y formando ácido carbónico ( H 2 CO 3 ) y lactato sódico, ambos neutros, evitando de esta manera la variación de ph. D) ACCIONES ESPECÍFICAS DE CATIONES Por ejemplo el Mg ++ actúa como cofactor enzimático, el Na + y el K + son responsables del potencial eléctrico, el Fe 2+ forma parte de la hemoglobina, el Ca 2+ es necesario para la contracción del músculo. Algunos presentan características antagónicas, es decir, mientras ciertos cationes estimulan el funcionamiento de un órgano, otros lo inhiben, por eso variaciones mínimas en el balance iónico pueden tener graves consecuencias, ya que se alteran procesos biológicos. Se puede concluir que cualquier líquido que se ponga en contacto con las células debe ser isotónico, debe tener un ph próximo a la neutralidad y una composición catiónica equilibrada. GASES Determinadas moléculas gaseosas son imprescindibles para el funcionamiento de los seres vivos. El oxígeno es necesario para la mayoría de los seres vivos, el dióxido de carbono es la fuente de carbono para los organismos fotosintéticos. Estos gases cuando están en disolución acuosa difunden entre las estructuras intracelulares. El óxido nitroso y el monóxido de carbono pueden actuar como señales para activar diferentes procesos biológicos, si bien es cierto que en cantidades excesivas son tóxicos. 15