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H2OH2O Estructura del agua - Posibilita las interacciones débiles Propiedades físicoquímicasPropiedades físicoquímicas –Acción disolvente –Elevada fuerza.

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1 H2OH2O Estructura del agua - Posibilita las interacciones débiles Propiedades físicoquímicasPropiedades físicoquímicas –Acción disolvente –Elevada fuerza de cohesión –Elevada fuerza de adhesión –Gran calor específico –Elevado calor de vaporización –Punto de fusión, ebullición –Constante dieléctrica Funciones biológicas Ionización del agua –Disociación del agua –Producto iónico del agua –Concepto de pH –Sistemas tampón Ósmosis y fenómenos osmóticosÓsmosis y fenómenos osmóticos Las sales minerales

2 Hibridación sp3 del oxígeno – Estructura tetraédrica – Geometría no lineal Distinta electronegatividad de O e H Molécula polar – Distribución asimétrica de los electrones de enlace – Carga parcial + (d+) cerca de los H y – (d-) cerca del O – Capacidad de formar enlaces de hidrógeno

3 Los dos átomos de hidrógeno se localizan en los vértices de un tetraedro centrado en el oxígeno y los dos pares de electrones sin compartir en los dos vértices restantes. La molécula es casi esférica. Como el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno los enlaces del agua están polarizados.tetraedro centrado en el oxígenocasi esférica

4 H2OH2O Líquida a T°C ambiente; otras moléculas de parecido peso molecular (SO 2, CO 2, NH 3, H 2 S, etc) son gases. Ello se debe a que las moléculas de agua son dipolos.

5 Estructura y polaridad de la molécula de agua: puentes de hidrógeno Entre los dipolos del agua se establecen fuerzas de atracción llamados puentes de hidrógeno, formandose 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.

6 * Cuando un átomo de hidrógeno de un enlace polarizado, se aproxima al átomo electronegativo de otra molécula, se forma un puente de hidrógeno.un puente de hidrógeno * Las moléculas de agua forman entre si puentes de hidrógeno. En promedio, cada molécula de agua forma 4 puentes en el hielo y 3.6 en el agua.puentes de hidrógenohielo * El agua es una molécula polar por la disposición espacial de sus enlaces polarizados. Su polaridad determina que sus moléculas interactúen con fuerza lo que se refleja en muchas de sus propiedades.molécula polarinteractúen con fuerzapropiedades

7 La estructura del agua en estado sólido (hielo) es un ejemplo del efecto acumulativo de muchos enlaces de hidrógeno. El agua sólida da lugar a una red estructural regular que corresponde al estado cristalino. Forma estructuras geométricas de 24 lados (eicosatetraedro). Debido a la estructura abierta, el agua es una de las muy pocas sustancias que se expande en el congelamiento.

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9 Interacciones débiles en solución acuosa 1. Fuerzas de van der Waals 2. Enlaces de hidrógeno 3. Interacciones iónicas o salinas 1. Dipolos transitorios 2. Dipolos inducidos 3. Dipolos permanentes H 2 Cl 2 HF HCl H 2 O NH 3 CH 4 - Son interacciones muy débiles - En el medio biológico tienen importancia en ausencia de agua - Rotas por detergentes

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11 Enlaces de hidrógeno -Son enlaces más débiles que los covalentes -El enorme número de puentes hidrógeno en el agua le confieren al estado líquido una enorme cohesión -Dado que las moléculas se encuentran en constante movimiento, los enlaces de hidrógeno se forman y se rompen permanentemente.

12 Disolución de sustancias Sustancias iónicas y polares (moléculas orgánicas pequeñas con uno o más átomos electronegativos ej. alcohol, aminas, ácidos. La atracción entre los dipolos de esas moléculas y el dipolo del agua hacen que tiendan a disolverse. Se clasifican como hidrofílicas. *El agua disuelve bien a las sustancias polares e iónicasiónicas. *En las moléculas biológicas abundan grupos polares e iónicos (OH, SH, COO -, NH 3 +, PO4-PO4-) que facilitan su disolución.

13 Propiedades físico-químicas del agua : 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.

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15 Interacciones electrostáticas El agua disuelve muchas sales cristalinas al hidratar sus componentes. El ClNa en estado cristalino de disuelve en agua, separando sus iones Cl - y Na +, dando lugar a iones hidratados.

16 Interacciones no polares

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18 Una molécula puede tener porciones polares (hidrofílicas) y no polares (hidrofóbicas). Son sustancias anfipáticas. Ej un ácido graso de cadena larga tiene un ácido carboxílico polar (cabeza) y una larga cadena hidrocarbonada C e H no polar (cola). En presencia de agua, un compuesto de este tipo tiende a formar estructuras llamadas micelas.

19 b) Elevada fuerza de adhesión. Los puentes de hidrógeno del agua son los responsables, al establecerse entre estos y otras moléculas polares, y es responsable, junto con la cohesión de la capilaridad, al cual se debe, en parte, la ascensión de la sabia bruta desde las raíces hasta las hojas. c) 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 liquido casi incompresible.

20 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 proteccción para las moléculas orgánicas en los cambios bruscos de temperatura. Cuando se evapora el agua o cualquier otro líquido, disminuye la temperatura, lo que constituye un método eficaz en los vertebrádos para disipar calor por sudoración; también las plantas utilizan este sistema de refrigeración. 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 suficiente para abandonar la fase líquida y pasar al estado de vapor.

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22 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) Punto de ebullición Temperatura en que el agua pura cambia al estado de vapor, es de 100º C a nivel del mar. h) Punto de fusión Temperatura en que el agua cambia del estado sólido a líquido. Es de 0º C y puede disminuir en presencia de solutos electrostáticos.

23 Propiedades biológicas Disolvente, de sustancias tóxicas y compuestos bipolares. Incluso moléculas biológicas no solubles (ej. lípidos) como dispersiones coloidaleslípidos Reactivo, en reacciones de hidratación, hidrólisis y oxidación-reducciónhidrataciónhidrólisis Permite la difusión (principal transporte de muchas sustancias nutritivas). Termorregulador, permitiendo la vida en una amplia variedad de ambientes térmicos Interviene (plantas) en el mantenimiento de la estructura celular.

24 Funciones del agua Relacionadas con las propiedadespropiedades Soporte o medio donde ocurren las reacciones metabólicas Amortiguador térmico Transporte de sustancias Lubricante, amortiguadora del roce entre órganos Favorece la circulación y turgencia Da flexibilidad y elasticidad a los tejidos Puede intervenir como reactivo en reacciones del metabolismo, aportando hidrogeniones o hidroxilos al medio.hidrogeniones o hidroxilos

25 Disociación del agua

26 Disociación del agua. Producto iónico del agua Se puede considerar una mezcla de: 2 H 2 O H 3 O + OH - En realidad esta disociación es muy débil en el agua pura, y así el producto iónico del agua a 25ºC es : agua molecular (H2O ) protones hidratados (H3O+ ) iones hidroxilo (OH-)

27 Bajo grado de ionización. De cada 10 7 de moléculas de agua, sólo una se encuentra ionizada. Esto explica que la concentración de iones hidronio (H 3 O + ) y de los iones hidroxilo (OH - ) sea muy baja. Dado los bajos niveles de H 3 O + y de OH -, si al agua se le añade un ácido o una base, aunque sea en poca cantidad, estos niveles varían bruscamente. H 2 O H 3 O + + OH -

28 Potencial Hidrógeno (pH) pH de fluidos biológicos pH = -log [H+] Medida química de la acidez o alcalinidad (basicidad) de la materia. Escala de pH: se construye en función de la constante de equilibrio de disociación ácida (Ka) del agua = , expresada abreviadamente por su logaritmo decimal o base 10: log = -7 (esto es por los siete ceros) Al multiplicar esta función por -1, se obtiene un valor positivo: -log = 7. Por lo tanto, el pH o potencial de hidrógeno del agua tiene dicho valor, 7.

29 pH Relación entre el pH y las concentraciones de H+ y OH- en el agua. Dado que el producto de [H+] y [OH-] es una constante [10-14], [H+] y [OH-] están inversamente relacionadas

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31 Escala de pH (Acidos y Bases débiles)

32 2 HCO H + H 2 CO 3 CO 2 + H 2 O

33 Amortiguadores La capacidad de una disolución para minimizar los cambios de pH producidos por la adición de un ácido o una base se llama capacidad de amortiguación. Los fluidos intracelulares y extracelulares poseen esta capacidad, que se necesita para el mantenimiento de la vida en un organismo.

34 Sistemas tampón o buffer Los organismos vivos soportan muy mal las variaciones del pH, aunque tan solo se trate de unas décimas de unidad, y por ello han desarrollado en la historia de la evolución sistemas tampón o buffer que mantienen el pH constante, mediante mecanismos homeostáticos. Las variaciones de pH, afectan a la estabilidad de las proteínas y, en concreto, en la actividad catalítica de los enzimas, pues en función del pH, pueden generar cargas eléctricas que modifiquen su actividad biológica. Los sistemas tampón que tienden a impedir la variación del pH cuando se añaden pequeñas cantidades de iones H + o OH - consisten en un par ácido-base conjugada que actúan como dador y aceptor de de protones, respectivamente. Podemos citar otros tampones biológicos, como son el par carbonato-bicarbonato y el par monofosfato-bifosfáto. El pH normal de los fluidos corporales suele oscilar alrededor de 7, Plasma sanguíneo7,4 ; Saliva:6,35-6,95 ; Orina 5,8; jugo gástrico:2,1 etc.

35 Agua y Membranas semipermeables

36 Sales minerales *Sales solubles en agua: disociadas en sus iones (cationes y aniones) c/ actividad biológica: –Funciones catalíticas. Algunos (Cu+, Mn2+, Mg2+, Zn+,...) actúan como cofactores enzimáticoscofactores enzimáticos –Funciones osmóticas. Intervienen en la distribución de agua entre la celula y el medio. Na+, K+, Cl - y Ca++, participan en la generación de gradientes electroquímicos, del potencial de membrana y del potencial de acción y en la sinapsis neuronal.distribución de agua –Función tamponadora. Se lleva a cabo por los sistemas carbonato-bicarbonato, y por el monofosfato-bifosfato. carbonato-bicarbonato

37 Sales minerales *Sales insolubles en agua, sólidos con función de sostén o protectora, como : –Esqueleto de vertebrados : fosfatos, cloruros, y carbonatos de calcio –Caparazones de carbonato cálcico de crustáceos y moluscos. –Otolitos del oído interno, formados por cristales de carbonato cálcico (equilibrio).

38 agua corporal se mantiene constante bebida alimentosagua metabólica El contenido de agua corporal se mantiene constante por el equilibrio entre ingresos y pérdidas. Los ingresos diarios en un hombre con dieta mixta, actividad física moderada y que habite en clima templado son de 2,6 litros. De ellos: l,31 de la bebida, 1 litro de alimentos, y 0,3 de agua metabólica. Las pérdidas son otros 2,6 litros, de los cuales: 1,41 de la orina,1 por la evaporación por piel y pulmón y 0,21 de pérdida fecal.


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