UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA PROGRAMA CIENCIAS VETERINARIAS – CATEDRA BIOQUIMICA I PROFESORA M.V. NOHELIA NOVA HERNANDEZ.

GUIA TEMA No 3: AGUA, Ph y BUFFERS.

Consideraciones Generales.

El agua es el líquido más común y más abundante de la superficie terrestre, y posee un numero de propiedades fisicoquímicas destacables de importancia relevante. Las propiedades del agua son consecuencia de su estructura molecular y son responsables de que se lleve a cabo el desempeño de sus funciones intrínsecas en el organismo de los animales domésticos.Estructura Molecular del Agua.

El papel primordial del agua en el metabolismo de los seres vivos se debe sus propiedades físicas y químicas, derivadas de la estructura molecular. La estructura molecular del agua esta dada por dos átomos de hidrogeno (H) y un átomo de oxigeno (O) que se mantienen unidos entre si por enlaces covalentes.

A temperatura ambiente es líquida, al contrario de lo que cabría esperar, ya que otras moléculas de parecido peso molecular (SO2, CO2, SO2, H2S, entre otras) son gases. Es una molécula estrictamente polar, y forma ciertos enlaces de naturaleza especifica denominados puentes de hidrogeno con otras moléculas que se encuentren también en un medio acuoso. Este comportamiento se debe a que los dos electrones de los dos hidrógenos están desplazados hacia el átomo de oxigeno, por lo que en la molécula aparece un polo negativo, donde está el oxígeno, debido a la mayor densidad electrónica, y dos polos positivos, donde están los dos hidrógenos, debido a la menor densidad electrónica, por lo tanto, las moléculas de agua se consideran dipolos.

Entre los dipolos del agua se establecen fuerzas de atracción llamados puentes de hidrógeno, formándose grupos de 3-9 moléculas. Con ello se consiguen pesos moleculares elevados y el agua se comporta como un líquido. Estas agrupaciones, le confieren al agua sus propiedades de fluido, en realidad, coexisten estos pequeños polímeros de agua con moléculas aisladas que rellenan los huecos. Aunque la naturaleza de los puentes de hidrogeno que se establecen de forma individual es débil, ya que los puentes de hidrogeno se rompen y se vuelven a formar continuamente, la fuerza total de todos los puentes en conjunto con otras moléculas para mantenerse unidos es muy grande. Los enlaces por puentes de hidrógeno son, aproximadamente, 1/20 más débiles que los enlaces covalentes, el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan otras moléculas unidas por puentes de hidrógeno, permite que se

forme en el seno del agua una estructura ordenada de tipo reticular, responsable en gran parte del comportamiento anómalo y de sus propiedades físicas y químicas. El agua tiene una ligera tendencia a ionizarse (separarse) en sus principales componentes: en iones de hidrogeno (H+) y en iones hidroxilo (-OH). El agua pura, en condiciones de laboratorio, se ioniza básicamente en iones hidronio (H3O+) e iones hidroxilo (-OH). Este comportamiento que expresa la molécula de agua cuando se separa en sus iones constituyentes sirve de base para el conocimiento del comportamiento de ciertas sustancias (como los ácidos y las bases) en soluciones acuosas, tanto en condiciones de laboratorio como en situaciones clínicas reales que se suceden en el organismo de los animales domésticos, ya que el mayor porcentaje del componente que constituye las células y los tejidos de estos seres vivos esta constituido por las moléculas de agua.

Principales Características del Agua relacionadas con su Estructura Molecular.

1)Capacidad de expresar propiedades especificas que le son dadas por la presencia de los puentes de hidrogeno, entre ellas:

a)Acción disolvente.El agua es el líquido que más sustancias disuelve (disolvente universal), esta propiedad se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con otras sustancias, ya que estas se disuelven cuando interaccionan con las moléculas polares del agua.

b)Fuerza de cohesión entre sus moléculas.Los puentes de hidrógeno mantienen a las moléculas fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido.

c) Elevada fuerza de adhesión. De nuevo los puentes de hidrógeno del agua son los responsables de la capacidad que tienen de adherirse unas con otras las moléculas de agua y las moléculas de agua en conjunto con otras moléculas polares (“atracción adhesiva”)

d) Gran calor específico. El agua absorbe grandes cantidades de calor que utiliza en romper los puentes de hidrógeno. Su temperatura desciende más lentamente que la de otros líquidos a medida que va liberando energía al enfriarse. Esta propiedad permite al citoplasma acuoso servir de protección para las moléculas orgánicas en los cambios bruscos de temperatura.

e) Elevado calor de vaporización.A 20ºC se precisan 540 calorías para evaporar un gramo de agua, lo que da idea de la energía necesaria para romper los puentes de hidrógeno establecidos entre las moléculas del agua líquida y, posteriormente, para dotar a estas moléculas de la energía cinética suficiente para abandonar la fase líquida y pasar al estado de vapor.

f) Elevada constante dieléctrica. Por tener moléculas dipolares, el agua es un gran medio disolvente de compuestos iónicos, como las sales minerales, y de compuestos covalentes polares como los glúcidos.

g) Bajo grado de ionización. De cada 107 de moléculas de agua, sólo una se encuentra ionizada.

H2O H3O+ + OH-

Esto explica que la concentración de iones hidronio (H3O+) y de los iones hidroxilo (OH-) sea muy baja. Dado los bajos niveles de H3O+ y de OH-, si al agua se le añade un ácido o una base, aunque sea en poca cantidad, estos niveles varían bruscamente.

2)Capacidad de comportarse como una molécula estrictamente polar, es decir, que expresa dos polos iónicos bien definidos (formación de dipolos). 3)Capacidad de incluir activamente en una solución acuosa a las moléculas polares. 4)Capacidad de excluir activamente de una solución acuosa a las moléculas no polares. 5)Capacidad de actuar como solvente debido a la polaridad manifiesta de las moléculas de agua, por lo que en soluciones

acuosas tienden a separar en sus iones constituyentes a las moléculas de sustancias iónicas, separándolos unos de otros.Propiedades del Agua conferidas por los Puentes de Hidrógeno.

Los puentes de hidrógeno son los responsables de las propiedades del agua que se mencionaran a continuación:

01)Acción disolvente.02)Fuerza de cohesión entre sus moléculas.03) Elevada fuerza de adhesión. 04) Gran calor específico. 05) Elevado calor de vaporización.06) Elevada constante dieléctrica. 07)Bajo grado de ionización. 08)Alta tensión superficial . 09)Capilaridad. 10)Imbibición.

El Agua como Compuesto Químico Solvente.

Dentro de los sistemas orgánicos de los animales domesticos, muchas sustancias se encuentran en solución acuosa. Una solución es una mezcla uniforme de moléculas de dos o más sustancias. La sustancia presente en mayor cantidad, que es habitualmente líquida, se llama solvente, y las sustancias presentes en cantidades menores se llaman solutos.

La polaridad de las moléculas de agua es la responsable de la capacidad solvente del agua. 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. En la siguiente figura se muestra como las moléculas de cloruro de sodio (NaCl) se disuelven en las moléculas de agua a medida que las moléculas de ésta se aglomeran alrededor de los iones individuales sodio y cloruro separándolos unos de otros.

Nótese la diferencia entre el modo en que las moléculas de agua están dispuestas alrededor de los iones sodio y la manera en que se disponen alrededor de los iones cloruro. Muchas de las moléculas importantes en los sistemas vivos que presentan uniones covalentes, como los azúcares, tienen regiones de carga parcial positiva o negativa. Estas moléculas, por lo tanto, atraen moléculas de agua y

también se disuelven en agua. Las moléculas polares que se disuelven rápidamente en agua son llamadas hidrofílicas (que tienen afinidad por las moléculas de agua). Estas moléculas 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 polares de agua compiten de este modo con la atracción existente entre las moléculas de soluto. Moléculas tales como las grasas, que carecen de regiones polares, tienden a ser muy insolubles en el agua. Los puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua actúan como una fuerza que excluye a las moléculas no polares. Como resultado de esta exclusión, las moléculas no polares tienden a agruparse en el agua, al igual que las gotitas de grasa tienden a juntarse, por ejemplo, en la superficie del caldo de gallina. Dichas moléculas son llamadas hidrofóbicas (que no tienen afinidad por las moléculas de agua) y los agrupamientos se producen por interacciones hidrofóbicas.

Ionización del Agua. Ácidos y Bases. Escala de pH.

Ionización del Agua.

Dos moléculas polares de agua pueden experimentar ionización o disociación debido a las fuerzas de atracción por puentes de hidrogeno que se establecen entre ellas.

Ionización: Una ionización es la formación de iones de las sustancias que presentan enlaces covalente al encontrarse en solución acuosa.

Ejemplo:

H2SO4 H2O —>     2H     +   SO4

Disociación: Una disociación es la separación de los iones que existen en una sustancia que presenta enlace iónico cuando se encuentra en solución acuosa.

Ejemplo:

NaCl    +       H2O —>        Na     +     ClUn ion hidrogeno se disocia de su átomo de oxigeno de la molécula (unidos por enlace covalente), y pasa a unirse con el átomo de oxígeno de la otra molécula, con el que ya mantenía relaciones mediante el enlace de hidrógeno. De manera que el agua no es un líquido químicamente puro, ya que se trata de una solución iónica que siempre contiene algunos iones H3O+ y OH- (se utiliza el símbolo H+ en lugar de H3O+ como regla general para expresar la disociación o ionización del agua).El producto [H+]·[OH-]= 10-14, se denomina producto iónico del agua, y constituye la base para establecer la escala de pH,

que mide la acidez o alcalinidad de una disolución acuosa , es decir, su concentración de iones [H+] o [OH-] respectivamente.

Ácidos y Bases

Los ácidos y las bases, son dos tipos de compuestos químicos que presentan características opuestas. Su existencia se conoce desde antiguo, cuando su diferenciación se efectuaba por el nada recomendable procedimiento de comprobar su sabor: los ácidos suelen ser agrios mientras que las bases presentan apariencia jabonosa. Los ácidos y bases se estudian de acuerdo a los enlaces (iónico o covalente) que presentan en solución acuosa.

Definición de Ácidos: Son sustancias que en solución acuosa aumentan la concentración [] de iones de hidronio (H3O+) o de iones hidrógeno (H+) cuando están en solución o también son sustancias capaces de ceder protones (H+) a otras sustancias.

Definición de Bases o Álcalis: Son sustancias que aumentan la concentración [] de iones oxidrilo o hidroxilo (OH-) cuando están en solución o también son sustancias capaces de aceptar protones (H+)  de los ácidos.

Ejemplo:

HNO3 +   H2O —>      H3O +  NO3

Por lo tanto, concluimos que el ácido nítrico (HNO3) es un ácido, ya que los iones H+ liberados se asocian con las moléculas  del agua formando iones hidronio (H3O):

H   +   H2O —>      H3O

De una manera análoga, el hidróxido de sodio (NaOH) es una base,  porque en solución reacciona así:

NaOH    +     H2O —>      Na +     OH

Escala de pH.

El pH es un indicador del número de iones de hidrógeno o la concentración de iones hidrogeno (H+) en una sustancia o solución; dicho de otra manera, es un indicador de la acidez o de la basicidad o alcalinidad de una sustancia. El pH sirve como un indicador que compara algunos de los iones más solubles en agua. El pH no tiene unidades; se expresa simplemente por un número. El resultado de una medición de pH viene determinado por una consideración entre el número de protones (iones H+) y el número de iones hidroxilo (OH-). Cuanto más se aleje el pH por encima o por debajo de 7, más básica o ácida será la solución.

Cuando una solución es neutra, el número de protones iguala al número de iones hidroxilo.

Cuando el número de iones hidroxilo es mayor, la solución es básica.

Cuando el número de protones es mayor, la solución es ácida.

El pH es un factor logarítmico; cuando una solución se vuelve diez veces más ácida, el pH disminuirá en una unidad. Cuando una solución se vuelve cien veces más ácida, el pH disminuirá en dos unidades. Establecemos la formula de pH como:

pH=-log[H+]

El pH del agua es 7 y por regla general se considera neutro. Valores menores serán ácidos y valores mayores serán básicos o alcalinos en la escala de pH, dependiendo los iones polares que estén también involucrados en la solución acuosa como por ejemplo sodio (Na+) o cloro (Cl-), iones que son componentes por excelencia de un soluto clásico como lo es la sal común (cloruro de sodio o NaCl) La fuerza de un ácido se puede medir por su grado de disociación al transferir un protón al agua, produciendo el ion hidronio, H3O+. De igual modo, la fuerza de una base vendrá dada por su grado de aceptación de un protón del agua. Puede establecerse una escala apropiada de ácido-base según la cantidad de H3O+ formada en disoluciones acuosas de ácidos, o de la cantidad de OH- en disoluciones acuosas de bases, tal como es la escala pH, que se representa gráficamente de la siguiente manera:

pH=-log[H+]

Ácidos y Bases más comunes

El Agua en el Organismo de los Animales Domésticos.

Principales Funciones del Agua en el Organismo de los Animales Domésticos.

1)Principal compuesto que esta presente en todas las células y tejidos de los animales domésticos, representando el mayor porcentaje. 2)Facilitación de las principales funciones celulares. 3)Interviene en la hidrólisis de biomoléculas estrictamente hidrosolubles, como proteínas y carbohidratos. 4)Transporte de productos metabólicos a través del tracto gastrointestinal y riñón. 5)Interviene en la transmisión del impulso nervioso. 6)Es el principal componente de la sangre y la linfa.Casos Clínicos de Importancia Veterinaria relacionados con el Agua y con los Ácidos y Bases presentes en el Organismo de los Animales Domésticos (Equilibrio Hidroelectrolítico)

Edema Deshidratación Acidosis respiratoria Acidosis metabólica Alcalosis respiratoria Alcalosis metabólica