Clase_Nº14_-_Agua
137
EL AGUA Dr. José Durand Velasco
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EL AGUA
Dr. José Durand Velasco
AGUA
Tradicionalmente se ha considerado como una molécula formada por la combinación de un volumen de oxígeno y dos de hidrógeno.
Líquido inodoro e insípido.
AGUA• En pequeña
cantidad es incoloro y verdoso en grandes masas.
• Refracta la luz.
• Disuelve muchas sustancias.
• Se solidifica por el frío, se evapora por el calor y, más o menos puro, forma la lluvia, las fuentes, los ríos y los mares.
AGUA
Ha sido y sigue siendo considerada como sinónimo de vida, porque dentro de ella se genero la vida.
Es un componente fundamental de nuestra biosfera.
Es esencial para la estructura y el metabolismo de todos los seres vivos, llegando a ser el componente mayoritario de casi todos ellos.
Agua
Es una molécula con un extraño comportamiento que la convierten en una sustancia diferente a la mayoría de los líquidos.
Interacciona con casi todas las moléculas, debido a sus extraordinarias propiedades físicas y químicas que van a ser responsables de su importancia biológica
AGUA
Del latín aqua : femenino
HISTORIA
Desde los albores de la historia, se reconoció que el agua es única.
Tales de Mileto, s. V a.C., afirmó que el agua era la sustancia original, de la cual todas las demás (tierra, aire y fuego) estaban formadas.
Años más tarde, Anaximandro y otros después, concluyeron que hay una cierta proporción de fuego, aire, tierra y agua en el mundo, que cada uno lucha por extender su imperio y que se presenta la necesidad natural de restablecer el equilibrio.
Aristóteles la describió como uno de los cuatro elementos constituyentes del universo.
En 1781 el químico ingles Joseph Priestley, realizo su síntesis por combustión del hidrogeno: "aire ordinario" (oxígeno) y "aire inflamable" (hidrógeno).
Años después Antoine Laurent Lavoisier y Henry Cavendish demostraron que el agua estaba formada por hidrogeno y oxigeno.
En 1805 Louis Josept Gay-Lussac y Alexander von Homboldt determinaron que el cociente de volúmenes hidrogeno/oxigeno valía 2, deduciéndose la formula
molecular H2O
ESTRUCTURA DEL H2O
La molécula de H2O esta formado por dos átomos de hidrogeno unidos a un oxigeno, por un enlace covalente polar.
Debido a la hibridación (sp3) del átomo de oxigeno, la geometría del H2O es la de un tetraedro centrado en el oxigeno.
Con un ángulo de 104.5° en lugar de 109° de un tetraedro regular
H
H
O
-
-+
+
H H
O
104,5º
El átomo de hidrogeno y el átomo de oxigeno ponen cada uno un electrón para formar el enlace O - H, adquiriendo cada átomo en electrón añadido (O:H)
Entonces cada hidrogeno se encuentra con dos electrones en vez de uno y el oxigeno con ocho electrones periféricos en vez de seis.
Confiriendo a esta molécula una gran estabilidad.
O
1Hidrógeno
2
1s
2
2sp3
2
2sp3
1
1
2sp3
1
2sp3
1
2pz
1
2
1s
Hidrogeno
122Oxigeno
2py2px2s
1Hidrógeno
2
1s
2
2sp3
2
2sp3
1
1
2sp3
1
2sp3
1
2pz
1
2
1s
Hidrogeno
122Oxigeno
2py2px2s
H
1
HH
H
En el H2O el par de electrones de los enlaces covalentes (O - H), son atraídos mas fuertemente por el oxigeno que por el hidrogeno, debido a la mayor electronegatividad del oxigeno (3.5 para el O y 2.1 para el H), generándose por este lado, una fracción de carga eléctrica positiva (+) provenientes de los protones del hidrogeno, que se encuentran relativamente sin sus electrones.
Los cuatro electrones restantes del O, se agrupan por pares, en sus orbitales respectivos (dobletes electrónicos libres). generándose una fracción de carga eléctrica negativa (-).
Se forma una molécula polar: por el lado del oxigeno quedan cargas parcialmente negativas, y por el lado de los hidrógenos tienen cargas parcialmente positivas.
H+
H+
O
-
-
+
+
Zona parcialmente negativa
Zona parcialmente positiva
Existe un desequilibrio eléctrico entre una y otra parte de la molécula del H2O que se conoce con el nombre de dipolaridad molecular (momento dipolar eléctrico) o DIPOLO.
+-
Carga de los - : - 0,82+ : + 0.41
ESTRUCTURA DEL AGUA
¿ H2O = AGUA ? ¡¡¡¡
ESTRUCTURA DEL AGUA
La molécula de H2O no explica por si sola los diversos estados y propiedades que tiene el agua, el comportamiento de una molécula de H2O es completamente diferente al del agua.
De acuerdo a los conocimientos actuales al compuesto que a lo largo de la historia y en la actualidad denominamos agua, es en realidad un conjunto de moléculas de H2O , los cuales están conformando una red cristalina de H2O asociadas por diferentes interacciones moleculares, donde priman los puentes de hidrogeno, que confieren a este “polímero” propiedades físicas y químicas peculiares.
ENLACE O PUENTE DE HIDRÓGENO
La carga parcial negativa del oxígeno de una molécula ejerce atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otras moléculas adyacentes.
En el agua, los H2O forman enlaces electrostáticos (interacción o enlace molecular) con otras moléculas de H2O vecinas, denominados ENLACES O PUENTES DE HIDROGENO.
Dos por el lado de los hidrógenos, cargado parcialmente positivo y otros dos, por el lado de los dobletes electrónicos de los orbitales del oxigeno, que expresan una carga parcial negativa.
H
H
H
H
O
O
O
O
H
H
H
OH
H
H
Los puentes de hidrogeno son lineales o rectos, cuando los orbitales del átomo de oxigeno de una molécula H2O esta alineado con el enlace covalente (O - H) de la molécula vecina (El orbital con dos electrones libres de O sigue la dirección del enlace covalente del H - o vecino)
H
H O H O
H
H
H O H O
H
H
O H H
H O
Alineado
No alineado
El enlace de hidrogeno es débil, comparado con el enlace covalente (4.5 a 110 Kcal/mol) y es relativamente “estable” (tiene una corta existencia, 10-11 de segundo, pero se forman continuamente).
Los puentes de hidrogeno son importante en las reacciones bioquímicas, donde las energías puestas en juego son pequeñas.
H
H
H
H
O
O
O
O
HH
H
O
H
H
H
0,0965 nm 110 Kcal / mol
0,177 nm 4,5 Kcal / mol10-8 cm Puente de Hidrogeno
104.5°
0,99 Å
1,77 Å
En el agua existe un balance dinámico entre dos tipos de fuerza, las intramoleculares de los enlaces covalentes de corto alcance y las fuerzas intermoleculares de los Puentes de Hidrogeno, que son de largo alcance.
Una fuerza externa cuanto mas distorsione a los enlaces covalentes, mayor será la resistencia de los enlaces.
A diferencia de los puentes de hidrogeno, que a mayor distancia disminuye su intensidad.
Esta dinámica explica los diferentes estados del agua, demostrado por estudios de agua pura.
ESTRUCTURA DE LOS DIFERENTES ESTADOS DEL AGUA
AGUA EN ESTADO SOLIDO: HIELO
En el hielo los puentes de hidrogeno se disponen de una manera muy abierta o lineal (180°), en promedio cada H2O se une a otras 4 moléculas de H2O.
El hielo es una red cristalina conformado por anillos de hexágonos regulares, en forma de “barco” o “silla”. Cada vértice es una molécula de H2O y cada lado un puente de hidrogeno.Cada cristal de hielo estaría conformado por 3 barcos y 2 sillas (quedando en su interior “vacío” o “agujero”)
HIELO
3 BOTES
2 SILLAS
H2O
H2O
H2O
H2O
H2OH2O
H2O
H2OH2O
H2O
H2O
Los movimientos vibratorios y de traslación de los H2O están restringidos, el tiempo de vida media de los enlaces de hidrogeno es mayor. A menos temperatura menos movimientos.
Los puentes de hidrogeno son lineales y mas “cortos” (distancia entre dos átomos de oxigeno: H - O - H......O es de 0.276 nm) lo que explicaría su mayor volumen y menor densidad.
AGUA EN ESTADO LIQUIDO
A partir de 0°C es un cristal inestable, donde el 10% de los puentes de hidrogeno se rompen.
De 0°C a 4°C el agua tiene su mayor densidad, probablemente por que moléculas de H2O ocupan los “vacíos” centrales o intersticios de los cristales de hielo.
Los H2O tiene entre 3 a 6 (promedio de 4.4) puentes de hidrogeno por moléculas (Debido al quinto puente de hidrogeno, o puentes bifurcados, que puede tener un H2O).
Confiriéndole mayor densidad, lo que permite que el hielo (sólido) flote en el agua liquida, considerada como una de sus características peculiares.
H
H
H
H
O
O
O
O
H
H
H
OH
H
H
H
O H
El ángulo del puente de hidrogeno se deforma (son menos lineales), la distancia entre dos oxígenos: H - O - H......O es 0.29 nm a 15°C y de 0.305 nm a 83°C.
La vida media de cada puente de hidrogeno es de 10-11 segundos.
Las vibraciones de cada H2O son de 1012 movimientos por segundo.
Los puentes de hidrogeno no son lo suficientemente fuertes para mantener la estructura cristalina, por el aumento de la temperatura son mayores los movimientos de los H2O, buscando el estado de coordinación tetraédrica que lo estabilice.
AGUA EN ESTADO LIQUIDO
Los anillos de la red cristalina tienen 5 - 8 moléculas de H2O y el numero de “vecinos” es 3.6 a 3.9 (el 80% de los H2O tienen de 3 ó 4 puentes de hidrogeno por molécula)
Se ha calculado que mas o menos el 80% de la energía de cohesión de los H2O en el agua se explican los Puentes de Hidrogeno y el 20% por las interacciones de Van der Waal.
VAPOR DE AGUA (“ESTADO GASEOSOS”)
A medida que aumenta la temperatura van disociandose los puentes de hidrogeno y desagrupandose la red cristalina del agua liquida.
Un H2O se encuentra unida a 2 - 4 puentes de hidrogeno, sin conformar una red cristalina o estructura cubica ( el cual lo diferencia de la nieve, granizo, etc)
A 277°C - 280°C se rompe el ultimo puente de hidrogeno.
H2O
H2O
H2OH2O
H2O
H2O
H2O H2O
H2O
H2O
H2O
H2O H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O H2O
H2O
H2O H2O
H2O H2O
H2O280 ºC
NIEVE - GRANIZO VAPOR
PROPIEDADES PECULIARES DEL AGUA
Una de las características peculiares del agua en la biosfera, es la encontrarse en los tres diferentes estados :
Sólido (hielo)Liquida (agua) y Gaseosa (vapor),
pudiendo existir en un momento dado en equilibrio entre sus tres formas.
Si el agua se comportara como un H2O, por ejemplo como el CH4 (sustancia que tiene una estructura molecular similar), sus características físicas deberían ser:
H2O AGUA
CONGELAR -100°C 0°C
HERVIR -91°C 100°C
LA DENSIDADAumenta entre 0 °C y 4 °C, y empieza a decrecer a medida que aumenta la temperatura, esta propiedad permite que el hielo flote en el aguaDENSIDAD
0 4 TEMPERATURA°C
(generalmente las sustancias en estado sólido son mas densos que en su estado liquido), en el agua a estas temperaturas hay mas puentes de hidrogeno por cada H2O.
El hielo tiene una densidad inferior a la del agua liquida, (0.92 veces) y el agua es incompresible.
0 °C 4 °C 8 °C
L
L
S
S
G G VaporHielo
Agua
Densidades de los
diferentes estados de la
materia
Densidad del
agua de 0º C a 4º C
VISCOSIDAD: resistente al flujo Actúa como lubricanteEn cualquier fluido normalmente:
> presión viscosidad < flujo (T< 50°C) El agua: > presión viscosidad > flujo (T<50°C)
TENSIÓN SUPERFICIAL:
Es la cantidad de energía requerida para estirar o aumentar la superficie por unidad de área. Capacidad del agua para soportar cuerpos de mayor densidad sobre su superficie sin que se sumerjan (Por ejemplo. Insectos, agujas, embarcaciones, etc.)
CAPACIDAD CALORÍFICA ELEVADA
El agua absorbe calor sin gran cambio de temperatura, necesita 3 veces mayor calor para aumentar un grado su temperatura.
Características que permite que en los seres biológicos se comporte como un buen refrigerante o regulador de la temperatura.
En el citoplasma celular acuoso sirva de protección ante los cambios de temperatura, así como el sudor, mantienen la temperatura constante.
Conductividad térmica:Es la mayor de todos los líquidos, con la única excepción del mercurio.
Calor especifico: es muy alto(1 cal / g °C)
Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una cierta masa de agua. El agua absorbe grandes cantidades de "calor", sin variar su temperatura, la energía se utiliza para romper los puentes de hidrógeno por lo que la temperatura se eleva muy lentamente.
SUSTANCIA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
PLATACOBREALUMINIOACERO HIELOVIDRIO, HORMIGÓNAGUAMÚSCULO ANIMAL, GRASAMADERA, ASBESTOSFIELTRO, LANA MINERALAIREVELLO
420400240 79
1.70.80.590.20.080.040.0240.019
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA EN kcal-1 m-1 K-1
El agua almacena o libera una gran cantidad de calor al calentarse o al enfriarse; permite que el agua actúe como amortiguador térmico, evitando alteraciones bruscas de la temperatura.
Esto permite que el citoplasma acuoso sirva de protección ante los cambios de temperatura y mantener una temperatura constante, evitando de esta forma que las proteínas por ejemplo, muy sensibles a los cambios térmicos, se alteren; o alteraciones bruscas de la temperatura ambiental.
Calor latente de vaporización Cantidad de calor necesario para evaporar un gramo de agua. Para evaporar un gramo de agua se precisan 540 calorías (a 20º C de temperatura y 1 atmósfera de presión).
Para evaporar el agua , primero hay que romper los puentes de hidrogeno y posteriormente dotar a las moléculas de agua de la suficiente energía cinética para pasar de la fase líquida a la gaseosa.
Calores de Vaporización
Calores de vaporización de algunos líquidos corrientes en sus puntos de ebullición (1,0 atm)
Líquido ΔHvapcal g-1
Agua 540Metanol 263Etanol 204n-propanol 164Acetona 125Benceno 94Cloroformo 59
CONSTANTE DIELÉCTRICA ELEVADA:Gran poder disolventeMedida de la disminución de las fuerzas eléctricas existentes entre iones, cuando son sumergida en líquidos, con respecto a los mismos cuando están en el vacío.
Por ejemplo: el agua a temperatura ambiente es como 80 y la gasolina como 5. Por lo que el aguas es un excelente disolvente de sustancias ionizadas (gran poder disolvente).
Debido a la característica dipolar del agua, no se encuentre nunca químicamente pura en la naturaleza, llevando siempre consigo diversas sustancias, como gases, sales o grasas disueltas (por lo que se la denomino disolvente universal).
SOLUBILIDAD ¿disolvente universal?
Buen disolvente de compuestos iónicos y polares, debido a la polaridad del agua.
El agua disocia las sales (rompe los enlaces iónicos) y se disponen alrededor de los iones: hidratación, no permitiendo que se vuelvan a unir.
También son solubles en agua las sustancias polares, como los azucares, proteínas, nucleótidos, etc. a los que hidrata. Debido a la gran cantidad de oxigeno y nitrógeno que posen.
LAS MOLÉCULAS DE AGUA SEPARAN LOS IONES DE LAS SALES, E IMPIDEN QUE VUELVAN A UNIRSE
LAS MOLÉCULAS DE AGUA RODEAN A LOS IONES DISUELTOS: CAPA DE HIDRATACIÓN O SOLVATACIÓN
DÉBILMENTE IONIZABLE
Conteniendo siempre algunos iones hidrogeno, dando un pH próximo a 7 en condiciones normales.
FENÓMENO DE CAPILARIDAD
Capacidad de ascender por tubos en contra de la gravedad (hasta 20 m). Dos tipos de fuerza la provocan: atracción intermolecular entre moléculas afines y la adhesión (atracción entre moléculas no afines)
Presión osmótica: El agua difunde desde una menor
concentración de solutos hacia otra de mayor concentración (permite el ascenso del agua en árboles de 120 metros. Alcanza 10 - 15 atmósferas)
El agua en condiciones especiales: Puede comportarse como ácido fuerte
(disuelve oro, platino, etc,). El agua con sales en soluciones, es un
buen conductor. Agua pura muy buen aislante.
CONSTANTES FÍSICAS DEL AGUAPeso molecular: 18,16 g/ mol Calor de fusión: 1,435 cal/ g
Punto de ebullición (a 1 atm de presión) : 100 C
Temperatura crítica: 374,1 C
Punto de fusión (a 1atm de presión) : 0 C
Constante crioscópica: 1,859 C / 1000g
Densidad a 0 C ( en estado líquido) : 0,99987g/cm
Constante ebulloscopica: 0,51 C/1000g
Densidad a 4 C (en estado líquido): 1,0000g/cm
Capacidad calorífica a 15C: 18,0cal/mol
Densidad a 100 C (en estado líquido): 0,958338 g/ cm
Tensión superficial a 19 C : 73,66din/cm
Calor de vaporización: 9,719kcal/mol
Tensión superficial a 100 C: 58,9 din/cm
Calor específico: 0,999 cal / g Velocidad de propagación de ondas longitudinales: 1,450 m/s
IONIZACION DEL AGUAEn el agua no existe protones desnudos o iones de hidrogeno, se hallan en forma hidratada: hidronio. En un litro de agua pura a 25 °C en un momento dado, existen 1,0 x 10 -7 mol de iones H3O+ y una cantidad igual de iones OH -
H H H H O H O O- + +H O H H
Ion Hidroxilo Ion Hidronio
(HO-) (H3O+)
IONIZACIÓN DEL AGUA
El agua pura se puede considerar una mezcla de:
• Agua molecular (H2O)• Protones hidratados (H3O +) • Iones hidroxilo (OH -)
SALTOS PROTÓNICOS
H H
H
H
H
O
O
H
H
H
O
O
H
AGUA INTRACELULAR
El agua es la molécula más abundante en los seres vivos.
COMPOSICIÓN QUÍMICA NORMAL DE UN HOMBRE QUE PESA 65
Kg. Kg. %
AGUA 40 61.6PROTEÍNAS 11 17.0GRASA 9 13.8CARBOHIDRATOS 1 1.5MINERALES 4 6.1
AGUA INTRACELULAR
El agua tiene un papel activo al contribuir en la estructuración y funcion celular.
La célula viva es una estructura integrada, formada por cuatro constituyentes fundamentales: membranas, proteínas, ácidos nucleicos y agua; interrelacionados entre sí.
La célula viva no es un protoplasma que fluctúa entre sol y gel.
AGUA INTRACELULAR
El interior celular es un medio de elevada viscosidad, donde el movimiento de las moléculas se halla fuertemente restringido, y donde el agua contribuye a la ordenación del complejo microtubular al que quedan asociados orgánulos, membranas y macromoléculas "solubles".
AGUA INTRACELULAR
La organización del intracelular mas parece un cristal de proteína con un 40% de agua.
El estado físico del citoplasma, mas que un fluido, es "un entramado que constituye un gel no covalente reversible".
Se podría considerar una estructura fractal para el citoplasma
CONTENIDO DE AGUA CORPORAL
Existe diferencia según la edad, el sexo y constitución corporal, en relación a la proporción de grasa y masa muscular.
Agua corporal total
Infante Varón Mujer
Delgado 80 65 55
Promedio 70 60 50
Obeso 65 55 45
Existen diferentes tipos de agua en la célula:
1. Agua ordenada, ligada o estructurada:
Se ha calculado que representa entre el 3 al 30 % del total del agua intracelular, es aquella que rodea y esta fuertemente relacionadas con las biomoleculas y se las considera como parte funcional de estas.
2. Agua no ligada, a granel , libre o en bulto:Representa hasta 95% del I.C. aquella que no tiene una relación directa con las biomoleculas y son las que fluyen libremente.
3.Agua intra molecular:
El agua que queda dentro del seno de las moléculas, al interior de su estructura.
3.Agua de hidratación o de solvatación: rodea a los iones y diferentes moléculas polares.
AGUA ESTRUCTURADA O LIGADA
El agua intracelular esta altamente estructurada o ligada a los solutos con los cuales se relaciona estrechamente y forma parte de él.
Todas las moléculas (solutos) tiene una capa de hidratación. En términos generales por ejemplo, existe 3 g de agua por cada gramo de proteína.
AGUA ESTRUCTURADA
El agua al interior de la célula presenta una distribución que difiere al del bloque de agua que esta libremente fluyendo o trasladandose (agua libre o a granel)
Se ha comprobado, por estudios de Resonancia Magnética Nuclear, que los protones del agua en una solución diluida de proteínas, puede tener cuatro posibles interacciones que están completamente interconectadas, donde se observo:
INTERACCIONES DEL AGUA ESTRUCTURADA Efecto de recambio entre los protones
del agua y las proteínas. Interacción entre los protones de las
moléculas que están altamente unidas a la superficie de la proteína
Interacción entre protones de moléculas del agua los cuales están menos estrechamente unidos a las proteínas.
Interacción entre protones del agua (inter e intramolecular) con la masa del agua liquida.
CANTIDAD DE AGUA ESTRUCTURADA
Una proteína puede tener 1 a 2 capas de agua y según otros hasta 5 veces su diámetro.
Los cálculos de agua estructurada o ligada en la célula van desde un 3% a un 30 % del total del agua intracelular.
H2OH2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2OH2O
H2O
H2OC=0CH3 CH3 CH3
CH2
CH3
C=0
C=0
H2OH2O
H2O
H2O
H2O H2O
H2O
H2O
H2O H2O H2O H2O
AGUA VECINAL
Cuando el agua se acerca a la superficie de una célula, responde a una fuerza física, llamada de solvatación.
Las moléculas de agua son atraídas hacia la superficie y su movimiento se restringe.
En estas condiciones se ven obligadas a formar cuatro puentes de hidrogeno con sus vecinas (generalmente en su forma líquida, el agua no forman más de tres puentes)
AGUA VECINAL Es 3% menos densa que el agua
ordinaria, Se necesita un 25% más de energía para
calentarla Su viscosidad es mayor, lo cual dificulta
el movimiento de los solutos en ella. En el agua vecinal, las propiedades del
agua líquida cambian en forma abrupta y no gradual.
En los sistemas biológicos o macromoléculas esta agua puede existir en varias formas:
Hay moléculas de agua ligadas más fuertemente a las macromoléculas y forman parte integral de ellas. A esta agua se la llama “constitutiva” . No se las puede eliminar con ningún procedimiento
La capa que sigue es una monocapa de moléculas de agua en contacto directo con los grupos polares o cargados de la macromolécula. Algunos autores llaman esta monocapa como agua ligada, otros como agua vecinal o interfacial
Detrás vienen multicapas menos ligadas pero con propiedades suficientemente alteradas con respecto al agua en bulto, que se llama agua estructurada.
Se considera que en estas capas de agua (ligada y estructurada), las moléculas tienen una movilidad disminuida con respecto al agua en bulto.
Durante los fenómenos de osmosis, es llamada también osmóticamente inactiva.
Se congela difícilmente, Tiene una masa y un calor específico
diferentes del agua común, Tiene anomalías térmicas, una conductividad de protones mayor y Un poder de exclusión de los solutos
mucho mayor que el del agua en bulto.
FUNCIÓN DEL AGUA EN SERES BIOLÓGICOS
AGUA MOLÉCULA INTEGRADORA
Se encuentra formando agregados ordenados transitorios, que se mantienen unidos mediante los Puentes de Hidrógeno
La unidad de agregación básica (a presión y temperatura normal) es un cubo de 3.3 nm de lado, donde hay más de mil moléculas de agua y tiene una masa molecular de más de 20 kDa
Estas unidades básicas interaccionan activamente con las macromoléculas, contribuyendo a su propio ensamblaje y organización.
Los agregados de agua contribuyen a posibilitar la organización de la red microtubular del citoesqueleto y esta contribuyen a "fijar y ordenar" las moléculas de agua de su capa de hidratación
Los complejos (proteínas del citoesqueleto)/(agua) constituyen unas fases que asemejan auténticos sólidos y que determinan que el interior celular diste mucho de tener la fluidez que se le supone.
El agua contribuye al "anclado" transitorio de proteínas "solubles" a la red del citoesqueleto, posibilitando la aparición del fenómeno de la canalización metabólica.
PARTICIPACIÓN DEL AGUA EN LAS REACCIONES QUÍMICAS
En toda reacción química, donde el disolvente es el agua, los cambios en la posición espacial del agua preceden a la reacción propiamente dicha.
Se observo que la reorganización del agua (movimientos de rotación y de torsión de las moléculas de agua) era menor a 50 femtosegundos, mucho antes que suceda la reacción.
La adaptación del AGUA se realiza
en dos etapas:
1º etapa: muy rápida, dura entre algunas decenas a centenas de fomtosegundos, y se caracteriza por movimientos de rotación y de torsión.
2º etapa: movimientos de traslación y oscilaciones colectivas de las moléculas de agua.
Luego ocurre el paso por el estado de transición de los reactantes (enlaces parcialmente rotos y parcialmente formados), la forma de las moléculas y la distribución de las cargas en su interior cambian, los cuales evolucionan para dar los productos de la reacción.
La dinámica de solvatación tiene lugar en menos de 50 femtosegundos.
INFLUENCIA DEL AGUA EN LAS INTERACCIONES Y FUNCIONAMIENTO DE
LAS BIOMOLÉCULAS
Las moléculas de agua influyen en la interacción molecular de todos los sistemas biológicos.
Contribuye directamente en las propiedades de las proteínas (por ej. una enzima), influenciando en la interacción con sus ligandos o sustratos (molécula que se unen de forma especifica a una determinada proteína).
El agua contribuye en la estabilidad del complejo proteína – sustrato,
Por ejemplo, entre los grupos funcionales de una enzima para unirse a su azúcar correspondiente, lo realiza por medio de puentes de hidrógeno y rellenando los vacíos o huecos potenciales dentro de los sitios circunscritos de unión.
La interacción de las moléculas de agua, que en algunos casos se consigue por rearreglo conformacionales, garantizan que los grupos polares estén separados, especialmente aquellos con actividad o capacidad de donar protones, estando emparejados con el agua; porque un protón activo, incapaz de hacer un puente de hidrógeno, podría desestabilizar el sistema tanto como 7 kcal/mol.
Las moléculas de agua, comprometidos incluso en sus 4 puentes de hidrógeno, ocupan menos espacio que los sustratos (para el ejemplo: azúcar), que son usualmente extensos residuos planos y polares.
Esta influencia se demostró en investigaciones de un complejo proteico bacteriano: la proteína unidora de L-arabinosa”, cuando se compara la unión con diferentes sustratos: L-arabinosa, D-fucosa y/o D-galactosa.
Se observo que el agua (a través de los puentes de hidrógeno) produce cambios conformaciones del carbohidrato, gobernando la afinidad y especificidad del sustrato por la “proteína unidora de L-arabinosa”.
Dos puentes de hidrógeno de moléculas de agua contribuyen para la unión con la L-arabinosa, pero crean una interacción desfavorable con el grupo metilo de la D-fucosa, e igualmente la unión del grupo –CH2OH de la D-galactosa, es remplazado por uno de los puentes de hidrógeno de la molécula de agua.
condicionando cambios estructurales localizados que incluye la desviación y redirección de la interacción de los puentes de hidrógeno con las otras moléculas de agua.
El agua participa funcionalmente en las biomoleculas, y no solo es necesaria para su conformación estructural.
METABOLISMO
El agua es el medio donde se desarrollan todos los procesos metabólicos (reacciones químicas) que tienen lugar en nuestro organismo y que nos permiten estar vivos.
FUNCIÓN DEL AGUA
El agua es indispensable en todos procesos vitales, y esta en relación con las propiedades anteriormente descritas.
Es el medio donde ocurren todas las reacciones metabólicas, con participación del agua en la reaccion.
Forma parte de la estructura y función de los seres vivos, condicionando la estructura y movimientos de las diferentes moléculas biológicos.
Da flexibilidad y elasticidad a los tejidos brindando protección al organismo.
Amortiguador térmico.
Transporte de sustancias, favorece la circulación y turgencia.
Puede intervenir como reactivo en reacciones del metabolismo, aportando hidrogeniones o hidroxilos al medio.
Lubricante, amortiguador del roce entre órganos.
ESTRUCTURA ESPACIAL DE LAS
BIOMOLÉCULAS El agua contribuye
decisivamente a la organización estructural de la célula viva.
Las biomoleculas necesitan del agua para adquirir su estructura espacial o tridimensional (funcional)
MEDIO AMBIENTE CELULAR Las proteínas solubles en agua,
forman disoluciones coloidales, que se presentan en estados: sol y gel.
El paso de un estado a otro es reversible; y diversos factores físicos y químicos pueden hacer que una solución pase de un estado a otro sin necesidad de variar la concentración de soluto. (pH, temperatura, concentración ionica, etc.)
TERMORREGULACIÓN Esencial en la regulación de la
temperatura corporal. Cuando la temperatura exterior es muy
elevada, contribuye a regular la temperatura corporal mediante la evaporación de agua a través de la piel (sudor) y de la mucosa respiratoria (perspiración).
Gracias al elevado calor especifico y de evaporación del agua,
El agua proporciona un medio transporte o comunicación para substancias vitales (e.g,, nutrientes, oxigeno, hormonas, etc.) a través de todo el cuerpo (vía la sangre, linfa y otros líquidos del cuerpo) y para eliminar los desechos metabolismo del organismo.
Interviene en el Proceso de Digestión. Como medio de transporte participa en la digestión, absorción. circulación y excreción.
CIRCULACIÓN DE COMPUESTOS POR EL ORGANISMO
ACTIVIDAD DEL AGUA EN LAS MOLÉCULAS CELULARES:
LIPIDOSLas biomoléculas que presentan una elevada proporción de hidrógeno y pocos átomos de oxígeno son poco solubles en agua; por ejemplo los lipidos.
Algunas sustancias tienen una parte de su molécula que es soluble en agua (hidrófila) y otra parte insoluble (hidrófoba), se las denomina anfipaticas.
Las sustancias anfipáticas, cuando están en un medio acuoso, orientan su molécula y dan lugar a la formación de micelas, monocapas o bicapas.
Las membranas celulares son, esencialmente, bicapas formadas por lípidos anfipáticos
Lípidos: son hidrófobos, no se relacionan directamente con el agua.El agua los “rechaza” agrupándolas en micelas y/o membranas.
Proteínas estructurales de membrana: el agua facilita su interacción con los ligandos y participa en la función de la proteína.
Glucosa: en solución acuosa pasan de la forma lineal a la cíclica (forma furanósica, piranosica
Proteínas: en agua adquieren su conformación espacial (estructura secundaria, terciaria y cuaternaria), al relacionarse con los grupos carboxilo e hidroxilo y residuos polares, de los grupos hidrofilicos, dejando en el interior los residuos hidrófobos. Participa en la unión con el ligando y en el funcionamiento de las enzimas.
Ac. Nucleicos: conformación espacial y estabilizan la estructura de la doble hélice, al formar puentes de hidrógeno con los grupos fosfatos cargados negativamente.
Sales (iones) las separa generando los iones, por la solvatación (hidratación)
El agua como solvente: solo para los electrolitos.
Moléculas no ionizables: el agua no las disuelve. El agua se relaciona con todos los solutos (por el protón).
REGULACIÓN DEL EQUILIBRIO ÁCIDO - BASE Donadora de protones, amortiguadora o
alterando su concentración LUBRICACIÓN Como lubricante en diferentes lugares del
cuerpo, como en las articulaciones (líquido sinovial), en las vísceras de la cavidad abdominal, y en el aparato respiratorio.
AMORTIGUADOR O PROTECCIÓN MECÁNICA Liquido cefalorraquídeo: cerebro y medula
espinal Liquido amniótico: cavidad uterina y el feto
Función Morfológica Ayuda a darle estructura y
forma al cuerpo. El agua es un elemento estructural de las células, las cuales al perder agua también pierden su figura.
ORIGEN DEL AGUA (PLANETA AGUA)
La molécula de H2O se le encuentra en cualquier lugar del Universo.
Existen varias teorías sobre la formación de la Tierra y la distribución del agua.
Todas coinciden que el planeta tierra se origina como producto de la fusión del polvo interestelar y/o como parte de una gran estrella (por ejemplo el sol)
La Tierra, hace cuatro mil quinientos millones de año, era una bola de magma incandescente y radiactiva, con constantes erupciones volcánicas y desprendimiento de vapor de agua y otros gases, proceso que llevo a la formación de corteza terrestre y formación de la atmósfera, el cual contenía vapor de agua.
A medida que la Tierra fue enfriándose, el vapor de agua se condensó y cayó nuevamente en forma de lluvia; así comenzó el ciclo del agua.
La lluvia llenó las depresiones del planeta y creó los océanos. Mil millones de años después, en los océanos se reunieron las sustancias químicas que darían origen a la vida: metano, hidrógeno y agua.
Desde entonces, la misma agua ha circulado una y otra vez en el planeta, originando y conservando la vida.
Gracias al ciclo del agua, que constantemente purifica a este valioso elemento, hoy disfrutamos de la misma agua que bebieron los dinosaurios.
CICLO HIDROLÓGICO
El volumen de agua en la corteza terrestre (1,360 millones de kilómetros cúbicos) se ha mantenido constante.
El 97.4% es agua de mar o salada, que cubre aproximadamente 360.650.000 Km2 de superficie terrestre – casi tres cuartas partes – y constituye la mayor reserva hídrica del globo.
El mar es la fuente principal del vapor atmosférico, determinante en la regulación térmica del planeta y en los procesos de intercambio de energía y es el constituyente esencial de la hidrosfera hábitat de innumerables especies biológicas.
Del 2.6% restante, el 90% se encuentra en forma de hielo que esta encerrada en casquetes polares y glaciares de las montañas.
74% del agua dulce se encuentra en estado sólido formando parte de los glaciares y los casquetes polares.23% permanece embolsada bajo la superficie terrestre (agua subterránea)3% son las aguas superficiales (ríos y lagos) de uso por los seres biológicos.
El agua dulce disponible se reduce al 0,001 por ciento del total.
El agua se encuentra en constante movimiento. Una molécula de agua de las profundidades oceánicas, al cabo de miles de años puede ascender hasta la superficie, donde el calor del sol lo liberara a la atmósfera.
Los vientos la harán ascender a capas mas altas de la atmósfera formando las nubes, que al cabo de unos 12 días, por la gravedad terrestre, caen.
La mayoría se precipitara al mar, otras a tierra firme o la cima de alguna montaña, formando glaciares, donde pueden permanecer durante años hasta su deshielo; luego del cual proseguirán su viaje por los ríos a través del continente (agua dulce o continental) hasta alcanzar nuevamente el mar.
Algunas se filtraran por las fisuras de la tierra al subsuelo donde puede permanecer cientos de años para reiniciar nuevamente el ciclo hidrológico.
Ingreso o fuentes de agua para el
Cuerpo Líquido:
• Agua pura• El agua en soluciones o mezclas:
leche, sopa y otras bebidas.
Agua de hidratación:• En forma de alimentos sólidos:
verduras, frutas, menestras cocidas etc.
Agua metabólica• Producida en la oxidación completa
de los hidratos de carbono, grasas, etc.
ELIMINACION
Renal : orina, Digestiva : heces, saliva,. Piel : sudor y perspiración. Respiratorio : perspiración. noco Otros : Lagrimas, lacteo Anormales : Fistulas, diarreas,
vómitos, Etc.
AGUA METABÓLICA
• Producción de agua en las reacciones de combustión de los nutrientes .
• 1 g de agua por cada gramo de grasa oxidada
• 0,6 g de agua por g ramo de almidón.• La producción de agua metabólica con
una dieta normal no pasa de los 0,3 litros al día.
AQUAPORINAS
CANALES PARA EL AGUA
El concepto de poro de agua o canal selectivo para el agua fue descrito en la piel de las ranas por Koefoed-Jonnsen y Ussing en 1953, para explicar la observación de que la permeabilidad osmótica al agua era mayor que la permeabilidad difusional de la misma.
La permeabilidad osmótica refleja la velocidad con que una sustancia atraviesa la membrana a favor de un gradiente de concentración mientras que la permeabilidad difusional mide dicha velocidad en condiciones isosmóticas.
La entrada y salida de agua son imprescindibles para que la célula pueda mantener una determinada presión y turgencia.
Las células se caracterizan por una permeabilidad al agua excepcionalmente alta, lo que sugiere un transporte mediado por canales o poros,
La permeabilidad al agua de la membrana epitelial, era demasiado rápida para ser explicada por simple difusión a través de su bicapa lipidica.
Hoy día se ha demostrado la existencia de una familia de canales proteicos específicos de agua que facilitan su movimiento transcelular, denominadas aquaporinas (AQP).
Las AQP son, por tanto, una familia de proteínas intrínsecas de membrana que funcionan como canales selectivos de agua en la membrana plasmática de las células de distintos tejidos transportadores de la misma
En 1992 Peter Agre logró no sólo identificar la proteína que formaba el poro (a la que acertadamente llamó acuaporina) sino también determinar su estructura.
Agre comprobó su hipótesis: introdujo células con o sin esta proteína en una solución acuosa, las células que tenían la acuaporina adsorbían abundante agua y se hinchaban (fenómeno conocido como ósmosis), mientras que las que carecían de ella se veían inalteradas
Estudio las proteínas que se encuentran insertadas en la membrana de los glóbulos rojos, descubriendo que una de ellas se encontraba también en las células del riñón.
De este hallazgo dedujo que esa proteína debía tratarse del canal acuoso que tantos buscaban, y pensó que dos tipos celulares tan distintos debían compartir una función tan básica como el transporte de agua, y que los glóbulos rojos la usarían para mantener su presión interna y las células del riñón en sus funciones de filtrado de la sangre.
Se ha demostrado la existencia de una familia aquaporinas (AQP), proteínas intrínsecas de membrana que funcionan como canales selectivos de agua en la membrana plasmática en células de distintos tejidos.
La primera AQP identificada CHIP 28 (Channel-forming integral membrane protein of 28 KD), posteriormente denominada AQP-CHIP o simplemente AQP 1, fue purificada por Agre y colaboradores en eritrocitos humanos en la década de los ochenta.
El mismo se encargó de describir la estructura general de las AQP a partir de AQP 1, proponiendo un modelo proteico que incluye a seis alfa - hélices que atraviesan la bicapa y unidas por cinco asas. Tres asas de conexión (A, C y E) son extracelulares mientras que las asas B y D son intracitoplasmáticas, quedando los extremos N y C terminales en el interior de la célula.
