BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS - I Agua

©José Luis Sánchez Guillén

Composición química de una célula tipo

El agua: un líquido extraño Importancia cuantitativa: Es la sustancia más abundante en la biosfera y el componente mayoritario de los seres vivos: entre el 65 y el 95% del peso de de la mayor parte de las formas vivas es agua. Esta agua se distribuye de la siguiente forma: – 2/3 agua intracelular – 1/3 agua extracelular (intercelular –plasma- y líquidos circulantes –savia, sangre)

El agua: un líquido extraño El contenido de agua depende de: – La especie. Los organismos acuáticos tienen valores cercanos al 90 %; las especies que viven en zonas desérticas tienen contenidos en agua bajos.

El agua: un líquido extraño El contenido en agua disminuye con la edad – La edad.

El agua: un líquido extraño El contenido en agua aumenta con la actividad metabólica – El tipo de tejido u órgano. Plasma sanguíneo Piel Tejido conjuntivo Dientes 10% 60% 72% 92%

El agua: un líquido extraño Importancia cualitativa: El agua EN ESTADO LÍQUIDO fue el soporte donde surgió la vida y dónde se desarrollan los procesos biológicos. La evolución ha venido condicionada por la necesidad de los seres vivos de mantener un entorno acuoso (medio interno) Las biomoléculas tienden a interaccionar con el agua

El agua: un líquido extraño Si disminuye el contenido en agua por debajo de un valor crítico, las actividades vitales se detienen.

El agua: un líquido extraño La cantidad de agua debe mantenerse constante en cualquier estado fisiológico

Como el oxígeno es más electronegativo que la del hidrógeno, los pares de electrones compartidos se ven atraídos con más fuerza el núcleo por el núcleo del oxígeno que por el del hidrógeno Naturaleza molecular del agua El agua es un dipolo eléctrico Se crea así una asimetría eléctrica que genera cargas eléctricas parciales: - positivas, en los hidrógenos - negativas, en el oxígeno

Naturaleza molecular del agua Ese carácter dipolar permite que se formen puentes de hidrógeno entre cargas parciales opuestas. Los puentes de hidrógeno que forma el agua son enlaces muy débiles pero muy numerosos: cada molécula de agua se rodea de otras cuatro molécula unidas por puentes de hidrógeno El agua presenta alta cohesividad

Naturaleza molecular del agua El agua presenta alta cohesividad La vida media de los puentes de hidrógeno es muy breve ( s). Sin embargo, los enlaces de hidrógeno se rompen y se forman de manera constante, lo que mantiene las interacciones y permite que las moléculas de agua se unan con una fuerza considerable.

El agua: propiedades físicas El agua tiene unas extraordinarias propiedades físicas y químicas que van a ser responsables de su importancia biológica. – Disolvente universal – Líquida a T ambiente – Incompresible – Elevada fuerza de cohesión: capilaridad – Elevada tensión superficial – Gran calor específico – Elevado calor de vaporización

El agua: propiedades físicas

Capacidad disolvente del agua

Debido a la polaridad de su molécula, el agua se interpone entre los iones de las redes cristalinas de los compuestos iónicos, lo que origina una disminución importante de la atracción entre ellos y provoca su separación y, en definitiva, su disolución

Capacidad disolvente del agua A la fuerza con la que las moléculas de un disolvente mantienen separados a los iones de carga opuesta se le llama constante dieléctrica. En el agua, a de 20 ºC, vale 80; es decir, los aniones y los cationes se atraen con una fuerza 80 veces menor en el seno del agua que fuera de ella

Disolución de sustancias polares

Moléculas hidrofóbicas

Moléculas anfipáticas

Moléculas anfipáticas: Membranas

Micelas y liposomas Micela

Soluciones coloidales Las grandes moléculas como las proteínas forman dispersiones coloidales

Equilibrio sol-gel

Equilibrio sol-gel: movimiento ameboide El paso de sol a gel es reversible y depende de factores físicos: pH, T,…

Soluciones coloidales

Propiedades del agua: Líquida a T ambiente La elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas permite que el agua se mantenga líquida a temperaturas no extremas. Gracias a esta propiedad, el agua actúa como vehículo de transporte en el interior de un organismo vivo y como medio lubricante en las estructuras de movimiento.

Propiedades del agua: Incompresibilidad Debido también al elevado grado de cohesión entre sus moléculas, el volumen del agua líquida no disminuye apreciablemente aunque se apliquen presiones muy altas. Esta propiedad determina las deformaciones citoplasmáticas y permite que el agua actúe como esqueleto hidrostático en las células vegetales.

Propiedades del agua: Gran fuerza de adhesión El alto grado de cohesión molecular, combinado con la adhesión a la superficie de otras estructuras (debida a su polaridad), permite que el agua pueda ascender a lo largo de conductos estrechos. Esta propiedad denominada capilaridad resulta fundamental para el ascenso de la savia bruta por los tubos del xilema en los vegetales.

En el interior de una masa de agua, las moléculas se cohesionan entre sí mediante puentes de hidrógeno en todas las direcciones del espacio, por lo que las fuerzas se compensan. Sin embargo, las moléculas de agua situadas en la superficie únicamente están sometidas a la acción de las moléculas de agua del interior del líquido al no existir fuerzas de cohesión con las moléculas del aire. Elevada tensión superficial Interior Se origina de esta forma una fuerza neta dirigida hacia el interior del líquido, que se denomina tensión superficial y permite que la superficie libre del agua se comporte como una membrana elástica tensa. Esta propiedad es la causa de la mayoría de las deformaciones celulares y de los movimientos citoplasmáticos.

Dilatación anómala Cuando un líquido se congela, aumenta su densidad, pues el grado de empaquetamiento molecular es mayor. Sin embargo, cuando la temperatura del agua desciende por debajo de 4 °C, sus moléculas se acercan tanto que cada una de ellas puede formar enlaces de hidrógeno con otras cuatro moléculas, formándose una red espacial estable que ocupa más volumen que el agua líquida, por lo que el hielo es menos denso y flota en ella Líquido normal Agua

Dilatación anómala Este hecho tiene una importante consecuencia biológica: cuando se produce un enfriamiento del agua de los mares y ríos, la superficie se congela pero el fondo permanece líquido porque la capa de hielo superficial actúa como aislante térmico, lo cual permite la supervivencia de los organismos acuáticos durante el invierno.

Elevados calor específico y de vaporización El agua puede absorber grandes cantidades de "calor" que utiliza para romper los p.de h. por lo que la temperatura se eleva muy lentamente. Análogamente ocurre para evaporar el agua, primero hay que romper los puentes y posteriormente dotar a las moléculas de agua de la suficiente energía cinética para pasar de la fase líquida a la gaseosa. Para evaporar un gramo de agua se precisan 540 calorías, a una temperatura de 20º C.

Elevados calor específico y de vaporización Esta propiedad hace que el agua tenga función de amortiguación térmica: La temperatura corporal debe mantenerse estable entre ciertos límites para evitar la alteración de muchas biomoléculas y para que las reacciones biológicas se realicen correctamente. La existencia de un alto porcentaje de agua facilita la estabilidad térmica. Además, en los organismos acuáticos, contribuye a crear un ambiente con pocas fluctuaciones térmicas.

Elevados calor específico y de vaporización Esta propiedad hace que el agua tenga función de amortigua ión térmica: Al evaporarse agua, tomando energía térmica del medio se provoca el enfriamiento del conjunto. Basta con que se evaporen 2 g de agua para compensar la elevación de temperatura que se produciría al aplicar 1 kcal a 11 g de agua.

Propiedades químicas: baja ionización El agua puede ionizarse originando dos iones, H 3 O + y HO -, con carga opuesta, en igual concentración (Los iones H 3 O + suelen representarse simplemente como H + ).

Propiedades químicas: baja ionización La concentración de moléculas ionizadas en el agua pura es muy baja: a 25 °C es de mol/L y, por tanto, [H+] = [HO-] = Sin embargo, cuando se disuelve un ácido en agua, la [H+] aumenta, y si es una base, disminuye. Para expresar el grado de acidez de una disolución se utiliza el término pH, que se define como el logaritmo del inverso de la [H+].

Los líquidos biológicos han de mantenerse a pH “fisiológicos” para que no se altere la funcionalidad de las proteínas. Cualquier variación de dicho valor altera la estructura y función de las proteínas. En las reacciones bioquímicas se liberan con frecuencia pequeñas cantidades de estos ácidos. tampón Para amortiguar estas variaciones de pH existen los sistemas tampón

El agua : reactivo químico El agua y sus productos de ionización participan en una serie de reacciones biológicas importantes: Hidrólisis: una molécula de agua lleva a cabo la rotura de una molécula orgánica, como sucede, por ejemplo, durante los procesos digestivos y en otros procesos metabólicos. El proceso inverso a la hidrólisis se denomina condensación (moléculas sencillas se unen para obtener otras mayores), el cual origina moléculas de agua que se denominan «agua metabólica». En la fotólisis del agua, durante la fotosíntesis oxigénica, el agua actúa como agente reductor proporcionando electrones e hidrógenos para generar materia orgánica.

Agua metabólica En el camello, mediante la degradación oxidativa de la grasa se obtiene 1,1 g de agua a partir de cada gramo de grasa metabolizada.