BLOQUE 1. LA BASE MOLECULAR Y FÍSICO-QUÍMICA DE LA VIDA TEMA 1. BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS.
Tema 1.-Bioelementos y biomoléculas. 1.- Bioelementos: Concepto y Clasificación. 2.- Biomoléculas: Concepto y Clasificación. 3.- El agua: Estructura molecular y propiedades que se derivan de su poder disolvente y de su elevado calor específico. Funciones biológicas del agua (función disolvente, estructural, bioquímica, termorreguladora)
TEMA 1. BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS
4.- La materia viva como dispersión coloidal. Concepto de disolución verdadera y dispersión coloidal. Concepto de coloides. Propiedades de las disoluciones verdaderas. Difusión, osmosis y diálisis (consultar relación de prácticas obligatorias, nº 1). 5.- Las sales minerales en los seres vivos. Funciones estructural, osmótica y tamponadora.
Carbono. La La CoLumna CoLumna Carbono. vertebraL de de Las Las vertebraL moLéCuLas bioLógiCas bioLógiCas moLéCuLas
Los Losseres seresvivos, vivos,están estánconstituidos constituidosde decompuestos compuestosquímicos químicos basados basadosen ensu sumayor mayorparte parteen enel elelemento elementocarbono. carbono. De todos los elementos químicos, el carbono es incomparable De todos los elementos químicos, el carbono es incomparable en encuanto cuantoaasu sucapacidad capacidadpara paraformar formarmoléculas moléculasgrandes, grandes, complejas y diversas y esta diversidad molecular ha complejas y diversas y esta diversidad molecular hahecho hecho posible la diversidad de organismos que evolucionaron posible la diversidad de organismos que evolucionaronsobre sobre la laTierra. Tierra.
CARBONO • LA IMPORTANCIA DEL
CARBONO PARA LA VIDA .
• Las propiedades
emergentes surgen a partir de la organización de la materia en organismos vivos.
Carbono un átomo de carbono forma enlaces • Cuando covalentes simples, la disposición de sus cuatro
• •
orbitales híbridos determina que los enlaces formen un ángulo que los sitúa en las esquinas de un tetraedro imaginario. En las moléculas con aun más carbonos, cada grupo de un carbono unido a otros cuatro átomos tienen forma tetraédrica. Pero cuando dos átomos de carbono están unidos por un doble enlace, todos los enlaces alrededor de esos carbonos se encuentran en el mismo plano. Ejemplo el eteno, es una molécula plana.
Metano.
• CARBONO Etano
Eteno Etileno
ACTIVIDADES Observa las moléculas de la siguiente diapositiva, todas ellas son moléculas orgánicas que constan solo de carbono e hidrógeno ¿Cómo se denominan dichas moléculas?
LE 4-5
Etano
Propano
Butano
2-metilpropano ( isobutano)
Length LONGITUD
RAMIFICADO Branching
1-Buteno DOBLES Double ENLACES bonds
Ciclohexano ANILLOS
2-Buteno
Benceno
INDICA LA VALENCIA DE LOS SIGUIENTES ELEMENTOS
Diagramas de órbitas electrónicas que muestran las valencias de los principales elementos de las moléculas orgánicas. La valencia es el número de enlaces covalentes que puede formar un átomo. generalmente es igual al número de electrones requerido para completar la órbita de electrones más externa.
CONCEPTO DE BIOELEMENTOS Bioelementos o elementos biogénicos son los elementos químicos que constituyen los seres vivos, a partir de ellos se forman las moléculas indispensables para la vida, llamadas biomoléculas o principios inmediatos.
CLASIFICACIÓN DE LOS BIOELEMENTOS PRIMARIOS
SECUNDARIOS
OLIGOELEMENTOS O ELEMENTOS VESTIGIALES
C
Na+
ESENCIALES EN TODOS LOS ORGANISMOS
H
K+
Fe, Cu, Zn, Mn y Co
N
Ca++
O
Cl-
NO ESENCIALES EN TODOS LOS ORGANISMOS
S
Mg++
F, I, Si, Li,
P
BIOELEMENTOS PRIMARIOS Con los actuales métodos de investigación se han identificado más de 70 elementos químicos (casi todos los elementos estables, excepto los gases nobles) que intervienen en cantidades variables, a veces infinitesimales, en la composición de los organismos, aunque no todos ellos son esenciales para la totalidad de los seres vivos. Se denominan elementos biogénicos o bioelementos porque a partir de ellos se forman las moléculas indispensables para a vida, llamadas biomoléculas o principios inmediatos. Bioelementos primarios: C, H, O, N, S y P.
BIOELEMENTOS PRIMARIOS Se denominan elementos biogénicos primarios y constituyen los ladrillos de la materia viva, porque con ellos se construyen las biomoléculas o principios inmediatos (orgánicos e inorgánicos) presentes en todos los seres vivos. Representan algo más del 96% del peso de cualquier organismo. Las propiedades fisco-químicas que los hacen idóneos son las siguientes: Sus átomos son de peso atómico bajo, por lo que pueden compartir los electrones con otros átomos y formar entre ellos enlaces covalentes estables. Los átomos de carbono establecen fácilmente enlaces con el hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre. Esto permite introducir en las moléculas orgánicas diferentes grupos funcionales, es decir, grupos de átomos que confieren propiedades concretas a las moléculas que los poseen.
PRINCIPALES GRUPOS FUNCIONALES DE LAS BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS Grupo funcional
Estructura
Familia
Hidroxilo
Alcoholes
Carbonilo
Aldehídos Cetonas
Carboxilo
Ácidos orgánicos
Éster
Ésteres
Éter
Éter
Amino
Aminas
Amida
Amidas
Tiol
Tioles
GRUPOS FUNCIONALES • Las propiedades distintivas de una molécula orgánica depende no solo de la disposición de su esqueleto de carbono, sino también de los componentes moleculares unidos a ese esqueleto.
• Cada grupo funcional se comporta de forma
constante en cada molécula orgánica y el número y la disposición de los grupos ayuda a conferir a cada molécula sus propiedades únicas.
En un grupo hidroxilo Un átomo de hidrógeno está unido a un átomo de oxígeno, el cual a su vez está unido a una molécula orgánica
ETANOL Alcohol presente en las bebidas alcohólicas Es polar como resultado del átomo de oxígeno Electronegativo que arrastra electrones hacia sí mismo
Nombre de los compuestos ALCOHOLES
Atrae moléculas de agua, lo que ayuda a disolver compuestos orgánicos como los azúcares
Acetona ACETONA
El grupo carbonilo se compone de un átomo de carbono unido a un átomo de oxígeno mediante un doble enlace Cetonas, el grupo carbonilo esta dentro del esqueleto de carbono Aldehídos, el grupo carbonilo está en el extremo del esqueleto de carbono
PROPANAL
Una cetona y un aldehído pueden ser isómeros estructurales con diferentes propiedades, como es el caso de la acetona y el propanal
Cuando un átomo de oxígeno está unido mediante un doble enlace a un átomo de carbono que también está unido a un grupo hidroxilo, todo el conjunto se llama grupo carboxilo
Ácido acético, le proporciona al vinagre el gusto agrio Propiedades ácidas fuente de iones hidrógeno El enlace covalente entre el oxígeno y el hidrógeno Es tan polar que los iones hidrógeno tienden a disociarse de forma reversible
Ácidos carboxílicos o ácidos orgánicos
En las células se encuentra en forma iónica, grupo carboxilato
AMINAS El grupo amino se compone de un átomo de nitrógeno unido a dos átomos de hidrógeno y al esqueleto de carbono
Debido a que también tiene un grupo carboxilo, es un aminoácido
Actúa como base, puede captar un protón de la solución circundante
El grupo sulfhídrilo se compone de un átomo de azufre unido a un átomo de hidrógeno
Tioles
Dos grupos sulfhídrilos pueden interactuar para ayudar a estabilizar la estructura proteica
En el grupo fosfato un átomo de fósforo está unido a cuatro átomos de oxígeno, un oxígeno está unido al esqueleto de carbono, dos oxígenos llevan carga negativa
Fosfatos orgánicos
Forma un anión de la molécula de la que forma parte Puede transferir energía entre moléculas orgánicas
BIOMOLÉCULAS
BIOELEMENTOS SECUNDARIOS Bioelementos secundarios.- Mg, Ca, Na, K, Cl. Los encontramos formando parte de todos los seres vivos, si bien en conjunto no superan, generalmente, el 4% en masa del total del organismo.
BIOELEMENTOS MAYORITARIOS Carbono (C)
Forma el esqueleto de las moléculas orgánicas, puede formar cuatro enlaces con otros tantos átomos. Forma enlaces covalentes estables con otros carbonos originando largas cadenas de átomo con enlaces simples, doble o triples. Con los diferentes radicales formados por otros elementos es posible un gran número de moléculas diferentes.
Oxígeno (O)
Es el bioelemento primario más electronegativo, siendo idóneo para quitar electrones a otros átomo, es decir, para oxidarlos. Este proceso comporta rotura de enlaces y liberación de una gran cantidad de energía, la reacción de los compuestos de carbono con el oxígeno, la respiración aeróbica forma más común de obtener energía. Presente en la mayor parte de los compuestos orgánicos, componente de la molécula del agua. Presente en la mayor parte de los compuestos orgánicos; componente del agua, el ión hidrógeno (H + ) participa en algunas transferencias de energía. El único electrón que posee le permite formar un enlace con cualquiera de los otros bioelementos primarios
Hidrógeno (H)
Nitrógeno (N)
Componente de todas las proteínas, grupo amino( -NH 2 ) y los ácidos nucleicos, bases nitrogenadas de los nucleótidos. Componente de la clorofila.
Azufre (S)
Básicamente se encuentra en forma de radical sulfhídrilo (-SH) en determinados aminoácidos. Estos radicales permiten establecer, entre los aminoácidos próximos, unos enlaces covalentes fuertes, puentes disulfuro, (-S-S-) que mantienen la estructura de las proteínas.
Fósforo (P)
Componente de los ácidos nucleicos y de los fosfolípidos de las membranas; importante en las reacciones de transferencia de energía. Componente estructural de huesos.
BIOELEMENTOS SECUNDARIOS
Calcio (Ca 2+ )
Componente estructural de huesos y dientes; el ión calcio (Ca2+) es importante en contracción muscular, conducción de impulsos nerviosos y coagulación sanguínea; presente en la pared celular vegetal..
Magnesio (Mg 2+ )
Es un componente de muchas enzimas y del pigmento clorofila. También interviene en forma iónica como cofactor en la síntesis y degradación del ATP, en la replicación del ADN y en su estabilización, en la síntesis de ARN.
Sodio (Na + )
Catión abundante en el medio extracelular; necesario par la conducción nerviosa y la contracción muscular. Junto con el sodio y el cloro intervienen en el distribución de cargas eléctricas a ambos lados de la membrana plasmática (potencial de membrana).
Potasio (K + )
Catión más abundante en el interior de las células; necesario para la conducción nerviosa y la contracción muscular. Regula la apertura y el cierre de los estomas de las hojas.
Cloro (Cl - )
Anión más frecuente; necesario para mantener el equilibrio hídrico en la sangre y fluido intersticial.
OLIGOELEMENTOS Hierro
Manganes o
Fundamental para la síntesis de clorofila, actúa como catalizador en muchas reacciones químicas y forma parte de proteínas de funciones muy importantes, como los citocromos, que intervienen en la respiración celular. Forma parte de la hemoglobina actuando como transportador de oxígeno. Interviene en la fotólisis del agua durante el proceso de fotosíntesis en las plantas.
Iodo
Necesario para formar la hormona tiroidea que regula el metabolismo energético, cuya carencia provoca la aparición del bocio, el cretinismo, etc.
Flúor
Forma parte del esmalte de los dientes, de los huesos y también aparece en la estructura de la piel, las glándulas, etc. Su carencia está relacionada con la aparición de caries.
Cobalto
Es un componente de la vitamina B 12 (cianocobalamina), necesaria para la síntesis de la hemoglobina y la formación de los eritrocitos. Su carencia origina anemia.
Silicio
Proporciona resistencia y elasticidad al tejido conjuntivo, cabello, piel, uñas, etc. Endurece tejidos vegetales como en las gramíneas y equisetos. Caparazones de las diatomeas..
Cromo
Interviene, junto con la insulina, en el mantenimiento de la tolerancia normal a la glucosa. Su carencia en el agua potable incide en el aumento de la diabetes juvenil.
Zinc
Interviene como biocatalizador en muchas reacciones químicas.
Molibdeno
Forma parte de las enzimas vegetales que actúan en la reducción de los nitratos por parte de las plantas.
Aluminio
Actúa sobre el sistema nervioso central, aumenta la actividad cerebral y regula el sueño; favorece la osificación de los cartílagos durante las etapas fetal e infantil y activa los mecanismos de oxido reducción en el metabolismo.
Litio
Es un estabilizador del estado de ánimo (se utiliza en el tratamiento de algunas psicosis maníacodepresivas), pues actúa sobre los neurotransmisores y la permeabilidad celular.
CLASIFICACIÓN DE LAS BIOMOLÉCULAS BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS
•
BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS GLÚCIDOS
• • •
ÁCIDOS NUCLEÍCOS
GASES
AGUA
SALES MINERALES
LIPIDOS
PROTEÍNAS
IDENTIFICACIÓN DE BIOMOLÉCUAS
AGUA Y ADAPTABILIDAD DEL AMBIENTE La moLéCuLa Que sustenta La vida
Figure 3-01
LA MOLÉCULA MOLÉCULAQUE QUESUSTENTA SUSTENTA LA LA LA VIDA VIDA • El agua es el medio biológico de la Tierra y, posiblemente, de otros planetas también.
• La vida en la Tierra comenzó en el agua y evolucionó allí
durante tres mil millones de años antes de extenderse a la tierra
• El agua es la única sustancia común que existe en el
ambiente natural en los tres estados físicos de la materia.
De que modo la molécula de agua contribuye a a adaptabilidad de la Tierra para la vida
• La La estructura estructura de de una una molécula molécula de de agua agua le le permite permite formar formar enlaces enlaces químicos químicos débiles débiles con con otras otras moléculas, moléculas, incluidas incluidas otras otras moléculas moléculas de de agua. agua.
• Esta Esta capacidad capacidad conduce conduce aa propiedades propiedades únicas únicas que que
sostienen sostienen yy mantienen mantienen aa los los sistemas sistemas vivos vivos en en nuestro nuestro planeta. planeta.
LE 3-2
Hydrogen bonds
LA POLARIDAD DE LAS MOLÉCULAS DE AGUA PRODUCE ENLACES DE HIDRÓGENO
• La molécula de agua es una molécula polar, lo que • •
significa que los extremos opuestos de la molécula tiene cargas opuestas: La región del oxígeno de la molécula tiene una carga negativa parcial y los hidrógenos tienen una carga positiva parcial. Las extraordinarias cualidades del agua son propiedades emergentes que resultan de los enlaces de hidrógeno que ordenan las moléculas en un nivel superior de organización estructural.
LE 3-UN53
Hydronium ion (H3O+)
Hydroxide ion (OH–)
ENLACES DE HIDRÓGENO ENTRE MOLÉCULAS DE AGUA • • • •
Las propiedades anómalas del agua surgen a partir de las atracciones entre moléculas polares. La atracción es eléctrica: el hidrógeno levemente positivo de una molécula es atraído hacia el oxígeno levemente negativo de una molécula cercana. Las dos moléculas se mantienen juntas de esta manera por un enlace de hidrógeno. Aunque la disposición de las moléculas en una muestra de agua líquida está cambiando constantemente en un momento dado, muchas de las moléculas están unidas por múltiples enlaces de hidrógeno.
CUATRO PROPIEDADES EMERGENTES DEL AGUA CONTRIBUYEN A LA ADAPTABILIDAD DE LA TIERRA PARA LA VIDA COMPORTAMIENTO COHESIVO DEL AGUA CAPACIDAD PARA REGULAR LA TEMPERATURA EXPANSIÓN AL CONGELARSE VERSATILIDAD COMO SOLVENTE
LE 3-3
Water-conducting cells
100 Âľm
COHESIÓN • Las moléculas de agua se mantienen juntas unas con otras como resultado del enlace de hidrógeno.
• Cuando el agua está en su forma liquida, sus enlaces de
hidrógeno sin muy frágiles, veinte veces más débiles que los enlaces covalente. Se forman, se rompen y se vuelven a formar con mucha frecuencia.
• Cada enlace de hidrógeno dura solo unas pocas billonésimas de segundo, pero las moléculas están constantemente formando enlaces nuevos con una sucesión de patrones.
• Por esto, a cada instante un porcentaje sustancial de todas las moléculas de agua están enlazadas con sus vecinas, haciendo al agua más estructurada que la mayoría de los líquidos.
COHESIÓN
Colectivamente, los de hidrógeno mantienen Colectivamente, losenlaces enlaces de hidrógeno mantienen lalasustancia unida, mediante un fenómeno sustancia unida,Lamediante un fenómeno denominado, cohesión cohesión debida aalos denominado, cohesión La cohesión debida los enlaces de hidrógeno contribuye al transporte del enlaces de hidrógeno contribuye alentransporte del agua y los nutrientes disueltos contra de lala agua y los nutrientesgravedad disueltos en en las contra de gravedad en lasplantas. plantas.
COHESIÓN • ElEl agua agua de de las las raíces raíces llega llega aa las las hojas hojas aa través través de de red red
de de células células conductoras conductoras de de agua. agua. • AA medida medida que que el el agua agua se se evapora evapora desde desde una una hoja, hoja, los los enlaces enlaces de de hidrógeno hidrógeno provocan provocan que que las las moléculas moléculas de de agua agua que que dejan dejan las las nervaduras nervaduras “traccionen” “traccionen” las las moléculas moléculas que que están están más más abajo abajo yy este este movimiento movimiento ascendente ascendente se se transmite transmite aa través través de de las las células células conductoras conductoras de de agua agua hacia hacia abajo abajo hasta hasta las las raíces. raíces.
ADHESIÓN
Uniónde deuna unasustancia sustanciaaaotra, otra,también tambiéndesempeña desempeña Unión unpapel papelen eneleltransporte transportedel delagua aguadesde desdelas lasraíces. raíces. un Laadhesión adhesióndel delagua aguaaalas lasparedes paredesde delas lascélulas células La ayudaaacontrarrestar contrarrestarlalafuerza fuerzadescendente descendentede delala ayuda gravedad. gravedad.
Figure 3-04
TENSIÓN SUPERFICIAL relación con la cohesión existe la tensión • En superficial, una medida de la dificultad para estirar o
• • •
romper la superficie de un líquido. El agua tiene una tensión superficial mayor que la de casi todos los demás líquidos. En la interfase entre el agua y el aire se encuentra una disposición ordenada de moléculas de agua, unidas por enlaces de hidrógeno entre sí y a las moléculas de agua por debajo. Esto determina que el agua se comporte como si estuviera cubierta con una película invisible.
REGULACIÓN DE LA TEMPERATURA • El agua regula la temperatura del aire al absorber calor
del aire más caliente y liberar el calor almacenado hacia el aire más frío.
• El agua es eficaz como banco de calor porque puede
absorber o liberar una cantidad de calor relativamente grande con apenas un leve cambio en su propia temperatura.
Calor y temperatura • Cualquier cosa que se mueve, tiene energía cinética, la energía del movimiento.
• Los átomos y las moléculas tienen energía cinética
porque están siempre en movimiento, aunque no necesariamente en cualquier dirección en particular.
• Cuanto más rápido se mueva una molécula, mayor será su energía cinética.
CALOR Y TEMPERATURA
• Un cubo de hielo enfría
una bebida no mediante la adicción de frío al líquido, sino al absorber el calor del líquido a medida que el hielo se derrite.
Calor y temperatura • Calor es una media de la cantidad total de energía • •
cinética debida al movimiento molecular en un conjunto de materia. Temperatura mide la intensidad del calor debida a la energía cinética promedio de las moléculas. Calor y temperatura se relacionan pero no son los mismo. Ejemplo un nadador que cruza el Canal de la Mancha tienen una temperatura superior a la del agua, pero el océano contiene más calor debido a su volumen.
CALOR Calor es una media de la cantidad total de energĂa cinĂŠtica debida al movimiento molecular en un conjunto de materia.
TEMPERATURA Temperatura mide la intensidad del calor debida a la energía cinética promedio de las moléculas.
CALORÍA
Cantidad de calor que se necesita para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1º C. Una caloría es también la cantidad de calor que 1 gramo de agua libera cuando su temperatura desciende 1º C.
Elevado Elevado calor calor específico específico del del agua agua • • • • •
La capacidad del agua para estabilizar la temperatura proviene de su calor específico relativamente alto. El calor específico de una sustancia se define como la cantidad de calor que debe absorberse o perderse para que 1 gramo de esa sustancia cambie su temperatura en 1º C. Por tanto el calor específico del agua es un caloría por gramo por grado Celsius.1/cal/ºC En comparación con la mayoría de las sustancias el agua tienen un calor específico inusualmente alto. Por ejemplo el alcohol etílico, tienen un calor específico de 0,6cl/g/ºC, es decir, solo se requieren 0.6 calorías para elevar 1ºC la temperatura de 1 gramo de alcohol etílico.
DSC
El solvente de la vida agua es un solvente muy versátil, una cualidad que • El proviene de la polaridad de la molécula de agua. Por
• •
ejemplo, un cristal del compuesto iónico cloruro de sodio (NaCl) en agua. En la superficie del cristal, los iones sodio y cloruro se exponen al solvente, estos iones y las moléculas de agua tienen una afinidad mutua gracias a su atracción eléctrica. Las regiones de oxígeno de la molécula de agua están cargadas negativamente y se adhieren a cationes sodio.
LE 3-6
–
Na
+
+
+ –
–
–
+ –
Na+
–
+
+ Cl–
Cl– – + –
+ –
+ –
–
enFriamiento Por evaPoraCión
• Las moléculas de cualquier líquido permanecen juntas
debido a que se atraen entre sí. Las moléculas que se mueven suficientemente rápido para sobrepasar estas atracciones pueden abandonar el líquido y entrar en el aire como gas.
• Esta transformación de líquido a gas se denomina vaporización evaporación.
ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN altocalor calorde devaporización vaporizacióndel delagua aguaayuda ayudaaaregular regularelelclima clima •• ElElalto delalaTierra. Tierra.Una Unaconsiderable considerablecantidad cantidadde decalor calorsolar solar de absorbidapor porlos losmares marestropicales tropicalesse seconsume consumedurante durantelala absorbida evaporacióndel delagua aguade delalasuperficie. superficie. evaporación Luego,aamedida medidaque queelelaire airehúmedo húmedotropical tropicalcircula circulaen en •• Luego, direcciónalalpolo pololibera liberacalor caloraamedida medidaque quese secondesa condesapara para dirección formarlluvia. lluvia. formar
Aislamiento de grandes masas de agua por el hielo flotante El agua es una de las pocas sustancias que son menos densas como sólido que como líquido, el hielo flota en el agua líquida.
LE 3-5
Hydrogen bond Ice Hydrogen bonds are stable
Liquid water Hydrogen bonds constantly break and re-form
DENSIDAD DEL AGUA SÓLIDA • • • •
La causa de este comportamiento extraño se debe, una vez más, a los enlaces de hidrógeno. A temperaturas superiores a los 4ºC, el agua se comporta como otros líquidos, expandiéndose a medida que se calienta y contrayéndose a medida que se enfría. El agua comienza a congelarse cuando sus moléculas ya no se mueven con suficiente fuerza como para romper sus enlaces de hidrógeno. A medida que la temperatura cae hasta 0ºC, el agua queda encerrada en una red cristalina, y cada molécula de agua está unida a cuatro compañeros.
PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS Se mantiene líquida entre 0º C y 100ºC Acción disolvente
Elevada fuerza de cohesión
FUNCIONES •
Amplio rango de temperaturas idóneo para la aparición y el mantenimiento de la vida en la Tierra.
•
Los medios acuosos (sangre, savia,..) facilitan el transporte de sustancias en disolución (nutrientes y desechos). Es el medio en el que transcurre gran parte de las reacciones metabólicas.
•
El agua actúa como esqueleto hidrostático en algunos organismos e incrementa la turgencia en las plantas. Es responsable del fenómeno de la capilaridad que facilita el ascenso de la savia bruta a través de los vasos leñosos.
•
Junto con la cohesión, es responsable del fenómeno de la capilaridad que facilita el ascenso de la savia bruta a través de los vasos leñosos.
•
El agua actúa como amortiguador térmico evitando variaciones bruscas de la temperatura.
•
La evaporación del agua constituye un eficaz sistema de refrigeración en plantas (transpiración) y animales ( sudoración).
•
El hielo es menos denso que el agua, lo que permite la vida bajo las aguas heladas.
•
Los seres vivos utilizan químicamente el agua en las reacciones de fotosíntesis e hidrólisis
Elevada fuerza de adhesión
Gran calor específico
Elevado calor latente de vaporización Menor densidad del hielo que del agua líquida Acción bioquímica del agua
SALES MINERALES FUNCIONESTRUCTURAL ESTRUCTURAL FUNCION
SALES MINERALES DISUELTAS CATIONES ANIONES
PERMEABILIDAD SELECTIVA las membranas biol贸gicas tienen permeabilidad selectiva. De este modo la c茅lula asegura un medio interno diferente del exterior
SALES MINERALES DISUELTAS ÓSMOSIS ÓSMOSIS
ÓSMOSIS
Si Si aa ambos ambos lados lados de de una una membrana membrana semipermeable semipermeable se se ponen ponen dos dos disoluciones disoluciones de de concentración concentración diferente el agua pasa desde la más diluida diferente el agua pasa desde la más diluida aa la la más más concentrada. concentrada. Este Este proceso proceso se se denomina denomina ósmosis ósmosis yy la la presión necesaria para contrarrestar el paso del agua presión necesaria para contrarrestar el paso del agua se se llama llama presión presión osmótica. osmótica.
Comportamiento de dos disoluciones separadas por una membrana semipermeable.
Presión osmótica
membrana semipermeable
hipertónica
hipotónica
Para explicar la ósmosis platearemos el siguiente modelo teórico...
Seguro que ahora habrás comprendido por qué aumenta la cantidad de líquido en la disolución hipertónica. Si aún no es así tendremos que explicarlo más detenidamente…..
membrana semipermeable
hipertónica
hipotónica
LA DISOCIACIÓN DE MOLÉCULAS DE AGUA GENERA CONDICIONES ÁCIDAS Y BÁSICAS QUE AFECTAN A LOS ORGANISMOS VIVOS
FUNCIÓN FUNCIÓNTAMPONADORA TAMPONADORA • • • •
Ocasionalmente, un átomo de hidrógeno que participa en un enlace de hidrógeno entre dos moléculas de agua cambia de una molécula a la otra. Cuando esto sucede, el átomo de hidrógeno abandona su electrón y lo que en realidad se transfiere es un ión hidrógeno, un único protón con una carga de 1+. La molécula de agua que pierde un protón es ahora un ión hidróxido (OH-) que tiene una carga de 1-. El protón se une a otra molécula de agua y determina que esa molécula sea un ión hidronio (H3O+)
DISOCIACIÓN DEL AGUA • • •
Esta es una reacción reversible que alcanzará el estado de equilibrio dinámico cuando el agua se disocie a la misma velocidad que comienza a formarse de nuevo a partir del H+ y OHEn este punto de equilibrio, la concentración de las moléculas de agua excede enormemente las concentraciones de H+ y OHDe hecho, en el agua pura se disocia solo una molécula de agua cada 554 millones. La concentración de cada ion en agua pura es de 10-7 M a 25 ºC, esto significa que hay solo una diez millonésima parte de un mol de iones hidrógeno por litro de agua pura y un número igual de iones hidróxido
FUNCIÓNTAMPONADORA TAMPONADORA FUNCIÓN •
• •
Aunque la disociación del agua es reversible y estadísticamente rara, es sumamente importante para la química de la vida, los iones hidrógeno e hidróxido son muy reactivos. Los cambios de su concentración pueden afectar de manera drástica a las proteínas y a otras moléculas complejas. Las concentraciones de H+ y OH- son iguales en el agua pura, pero el agregado de ciertos tipos de solutos, llamados ácidos y bases, rompe este equilibrio. Los biólogos utilizan algo denominado la escala de pH para describir lo ácida o básica que es una solución.
EFECTOS DE CAMBIOS DE PH ﾃ，IDOS ﾃ，IDOSYYBASES BASES
ÁCIDOS Y BASES • • •
¿Qué puede provocar que una solución acuosa tenga un desequilibrio de sus concentraciones de H+ y OH-?
•
La fuente adicional de H+ ( la disociación del agua es la otra fuente) da lugar a una solución que tienen más H+ que OH-. Esa solución se conoce como solución ácida.
• • •
Una sustancia que reduce la concentración de iones hidrógeno de una solución se llama base.
•
En cualquier caso, la base reduce la concentración de H+. Las soluciones con una concentración de OHmayor que la de H+ se conocen como soluciones básicas. Se dice que una solución en la cual las concentraciones de H+ y OH- son iguales es neutra.
Cuando las sustancias llamadas ácidos se disuelven en agua, donan H+ adicionales a la solución. Un ácido, de acuerdo con la definición utilizada a menudo por los biólogos, es una sustancia que incrementa la concentración de ion hidrógeno de una disolución. Por ejemplo, cuando se agrega ácido clorhídrico (HCl) al agua, los iones hidrógeno se disocian de los iones cloruro.
Algunas bases reducen la concentración de H+ directamente, al aceptar iones hidrógeno. El amoniaco (NH3) , actúa como base atrae a un ion hidrógeno de la solución lo que da como resultado un ion amonio (NH4+)
LE 3-8
pH Scale 0
Increasingly Acidic [H+] > [OH–]
1
Neutral [H+] = [OH–]
Battery acid
2 Digestive (stomach) juice, lemon juice 3 Vinegar, beer, wine, cola 4 Tomato juice 5 Black coffee Rainwater 6 Urine 7 Pure water Human blood 8 Seawater
Increasingly Basic [H+] < [OH–]
9 10 Milk of magnesia 11 Household ammonia 12 13 14
Household bleach Oven cleaner
La escala escala de de pH pH La •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• ••
En cualquier solución acuosa a 25ºC, el producto de las concentraciones de OH- y H+ es constante a 10 -14,-14en esta ecuación, los corchetes En cualquier solución acuosa 25ºC, el producto de las concentraciones de OH- y H+ es constante a 10 , en esta ecuación, los corchetes indican la concentración molarade la sustancia. indican la concentración molar de la sustancia. [H+][OH-] = 10-14 -14 [H+][OH-] = 10 Una solución neutral a temperatura ambiente [H+] = 10-7 [OH-] = 10-7 Una solución neutral a temperatura ambiente [H+] = 10 -7 [OH-] = 10-7 Si -9.se agrega suficiente ácido a una solución para incrementar la [H+] a 10-5 M, entonces la [OH-] descenderá en una cantidad equivalente a 10Si -9.se agrega suficiente ácido a una solución para incrementar la [H+] a 10 -5 M, entonces la [OH-] descenderá en una cantidad equivalente a 10 Esta relación constante expresa el comportamiento de los ácidos y las bases en una solución acuosa. Un ácido no solo agrega iones Esta relación constante comportamiento de los ácidos ydebido las bases una solución acuosa. Un ácido no iones agua. hidrógeno a una solución,expresa sino queeltambién elimina iones hidróxido a laentendencia del H+ de combinarse consolo OH-agrega para formar hidrógeno a unaelsolución, sino queeltambién elimina la iones hidróxido debido a la tendencia de combinarse con OHformar agua. Una base tienen efecto opuesto, de incrementar concentración de OH-, pero tambiéndel deH+ reducir la concentración depara H+ mediante la Una base tienen el efecto opuesto, el de incrementar la concentración de OH-, pero también de reducir la concentración de H+ mediante la formación de agua. formación de agua. Si se agrega suficiente cantidad de una base para elevar la concentración de OH- a 10 -14, provocará que la concentración de H+ caiga a 10-10. Si se agrega suficiente cantidad de una base para elevar la concentración de OH- a 10 -14, provocará que la concentración de H+ caiga a 10-10. Debido a que las concentraciones de ion hidrógeno e hidróxido de las soluciones pueden variar en un factor de 100 billones o más los Debido a desarrollaron que las concentraciones ion hidrógeno e hidróxido las soluciones puedenque variar un factor de 100 billones más los científicos una forma de expresar esta variación de de forma más conveniente en en moles por litro. La escala deopH científicos el desarrollaron forma de expresar de formalogarítmos. más conveniente que en moles por litro. La escala de pH comprende intervalo deuna las concentraciones deesta H+ yvariación OH- empleando comprende el intervalo de las concentraciones de H+ y OH- empleando logarítmos. El pH de una solución se define como logaritmo negativo (base 10) de la concentración de iones hidrógeno. El pH de una solución se define como logaritmo negativo (base 10) de la concentración de iones hidrógeno. El pH de una solución acuosa neutra es 7, el punto medio de la escala. Un valor de pH menor de 7 denota una solución ácida, cuanto menor El pH de una solución acuosa neutra es 7, el punto medio de la escala. Un valor de pH menor de 7 denota una solución ácida, cuanto menor sea el número, más ácida será la solución. sea el número, más ácida será la solución. La mayoría de los líquidos biológicos están dentro del intervalo de pH 6-8. La mayoría de los líquidos biológicos están dentro del intervalo de pH 6-8. Sin embargo, hay algunas excepciones, entre ellas, el jugo digestivo fuertemente ácido del estómago humano, que tienen un pH de Sin embargo, alrededor de 2. hay algunas excepciones, entre ellas, el jugo digestivo fuertemente ácido del estómago humano, que tienen un pH de alrededor de 2.
BUFFERS BUFFERS •
El pH interno de la mayoría de las células vivas es cercano a 7. Incluso un pequeño cambio de pH puede ser dañino porque los procesos químicos de la célula son muy sensibles a las concentraciones de iones hidrógeno e hidóxido.
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La presencia de buffers en los líquidos biológicos permite un pH relativamente constante pese a la adición de ácidos o bases.
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Los buffers o soluciones amortiguadoras son sustancias que minimizan los cambios de las concentraciones de H+ y OH- en una solución.
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Por ejemplo, los buffers normalmente mantienen el pH de la sangre humana muy cercano a 7,4 un pH ligeramente básico.
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Una persona no puede sobrevivir durante más de unos minutos si el pH de la sangre disminuye a 7 (neutro) o se eleva a 7,8. En circunstancias normales, la capacidad amortiguadora de la sangre evita esos cambios bruscos de pH.
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Un buffer actúa aceptando iones hidrógeno de la solución cuando están en exceso y donando iones hidrógeno a la solución cuando se han agotado.
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La mayoría de las soluciones buffer contienen un ácido débil y su correspondiente base, que se combina de forma reversible con los iones hidrógeno.
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Varios buffers contribuyen a la estabilidad del pH en la sangre humana y en muchas otras soluciones biológicas. Una de éstas es el ácido carbónico que se disocia para producir ión bicarbonato e ión hidrógeno.
LE 3-9
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
More acidic Acid rain Normal rain
More basic
SM, CAMPBELL, EDUCASTUR,BRUﾃ前 FUENTES.