UNIVERSIDAD NACIONAL PROGRAMA NACIONAL DE FORMACIÓN Y CAPACITACIÓN PERMANENTE 2011 DE INGENIERÍA “Mejores maestros, mejores alumnos” PROGRAMA DE ESPECIALIZACIÓN EN CIENCIA Y AMBIENTE/CIENCIA, TECNOLOGÍA Y AMBIENTE
BIOLOGÍA Y CTA
Lectura Nº 1: Biomoléculas Inorgánicas I. BIOMOLÉCULAS - Las biomoléculas o principios inmediatos, son las moléculas que forman parte de los seres vivos.
II. BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS A. El agua - El agua - 60-90% de la materia viva. Su abundancia depende de la especie, la edad (menor proporción en individuos más viejos) y la actividad fisiológica del tejido (mayor porcentaje los que tiene mayor actividad como tejido nervioso o muscular). Aparece en el interior de las células, en el líquido tisular y en los líquidos circulantes. 1. Estructura - El agua es una molécula dipolar: los electrones que comparten el O y el H están desplazados hacia el O por su mayor electronegatividad por lo que esa zona de la molécula tiene una ligera carga negativa y la de los H es ligeramente positiva. Cuando dos moléculas de agua se aproximan, la zona positiva de una molécula y la negativa de otra se atraen. Estas interacciones intermoleculares se conocen como puentes de hidrógeno.
2. Propiedades y funciones biológicas
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BIOLOGÍA Y CTA - A diferencia de otras sustancias de peso molecular semejante, el agua es líquida a temperatura ambiente. Debido a su polaridad el agua es buen disolvente de los compuesto iónicos y polares. Los líquidos orgánicos (citoplasma, líquido tisular, plasma, linfa, savia, ...) son disoluciones acuosas que sirven para el transporte de sustancias y como medio en el que se producen las reacciones metabólicas. - El agua no sólo es el medio en el que transcurren las reacciones del metabolismo sino que interviene en muchas de ellas como en la fotosíntesis, en las hidrólisis y en las condensaciones. - El calor específico (calor necesario para elevar 1ºC la temperatura de 1 g) es relativamente elevado, así como el calor de vaporización. Gracias a estas dos propiedades el agua interviene en la termorregulación. - Máxima densidad a 4°C. Como consecuencia el hielo flota sobre el agua líquida, lo que impide los océanos y otras masas menores de agua se congelen de abajo a arriba. - En el agua son elevadas las fuerzas de cohesión (atracción entre las moléculas de agua) y de adhesión (atracción entre el agua y una superficie) lo cual origina los fenómenos de capilaridad por los que el agua asciende en contra de la gravedad por conductos de diámetro muy fino (capilares). Estos fenómenos contribuyen al transporte de sustancias en los vegetales. - Igual que otros líquidos el agua es incompresible y actúa como amortiguador mecánico (líquido amniótico, líquido sinovial) o como esqueleto hidrostático (líquido celómico en anélidos). B. Las sales minerales 1. Sales con función estructural - Aparecen precipitadas formando estructuras esqueléticas, como el carbonato de calcio (caparazones calcáreos) o el fosfato de calcio (esqueleto de vertebrados).
Fórmula estructural de fosfato de calcio el cual se encuentra en los huesos 2. Sales con función reguladora - Se encuentran ionizadas, disueltas en un medio acuoso. a. Fenómenos osmóticos - Osmosis: difusión a través de una membrana semipermeable (solo permite el paso del disolvente). - Medios hipertónico (el de mayor concentración), hipotónico (el de menor) o isotónico (cuando los dos medios separados por la membrana semipermeable tienen la misma concentración de solutos). - A través de una membrana semipermeable el agua pasa siempre del medio hipotónico al hipertónico.
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BIOLOGÍA Y CTA - Plasmólisis (pérdida de agua de una célula en un medio hipertónico) y turgencia (la célula se hincha en un medio hipotónico, pudiendo llegar a estallar (lisis) si carece de pared celular y la diferencia de concentraciones es grande). b. Regulación del pH - Soluciones amortiguadoras formadas por un ácido débil y su base conjugada (o viceversa). - El equilibrio H2CO3 ⇄ HCO3- + H+ es responsable del mantenimiento del pH en la sangre. Si el pH tiende a acidificarse el exceso de H+ se une al HCO 3- (que actúa como base) formándose H2CO3 recuperándose el pH inicial. Ante una basificación del medio el equilibrio se desplaza hacia la derecha liberándose H+ por disociación del H2CO3 (un ácido débil) recuperándose también el pH inicial. La regulación es más precisa porque el H2CO3 se encuentra en equilibrio con el CO2 disuelto en el plasma (CO2 + H2O ⇄ H2CO3 ⇄ HCO3- + H+). Tampón fosfato Se trata de un tampón inorgánico que se encuentra en los líquidos intracelulares y mantiene el pH en torno al 6,86 debido al equilibrio existente entre un ácido débil; el dihidrógeno fosfato (DHP) y su base: el monohidrógeno fosfato (MHP). Ambos compuestos mantienen un equilibrio entre sí, pudiendo el DHP liberar un protón y transformarse en MHP, (la reacción se desplaza hacia la derecha), y el MHP puede unirse aun protón para originar una molécula de DHP, (la reacción se desplaza hacia la izquierda). H2PO4- ⇄ HPO4-2 + H+ Es decir, a pH fisiológico, las especies del fosfato con capacidad de tamponar son HPO4-2 ya que su valor de pK es de 6,8.
H2PO4- y
Así pues, para el tampón fosfato: pH = 6,8 + log HPO4-2 / H2PO4A pH fisiológico de 7,4 la concentración de HPO 4-2 (un 80%) es 4 veces superior a la de H 2PO4- (un 20%). Así pues, el tampón fosfato es un sistema muy eficaz para amortiguar ácidos. La concentración de fosfato en la sangre es baja (2 mEq/L) por lo que tiene escasa capacidad de tamponar si lo comparamos con otros tampones como el bicarbonato. En cambio, a nivel intracelular, las concentraciones de fosfato son elevadas lo que le convierte en un tampón eficiente. Las grandes cantidades de fosfato dentro de las células corporales y en el hueso hacen que el fosfato sea un depósito grande y eficaz para amortiguar el pH. Disoluciones Tampón a Nivel Biológico Un aspecto fundamental en la fisiología de todos los organismos es la homeostasis o capacidad para mantener una situación de equilibrio dinámico favorable. En este fenómeno tiene gran importancia los sistemas amortiguadores que equilibran la presencia de sustancias ácidas y básicas para mantener el pH dentro de los límites fisiológicos. En los organismos vivos se están produciendo continuamente ácidos orgánicos que son productos finales de reacciones metabólicas, catabolismo de proteínas y otras moléculas biológicamente activas. Mantener el pH en los fluidos intra y extracelulares es fundamental puesto que ello influye en la actividad biológica de las proteínas, enzimas, hormonas, la distribución de iones a través de membranas, etc. Los tampones fisiológicos son la primera línea de defensa frente a los
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BIOLOGÍA Y CTA cambios de pH de los líquidos corporales, entre los que destacan: el tampón fosfato, el tampón bicarbonato y el tampón hemoglobina. El pH de los medios biológicos es una constante fundamental para el mantenimiento de los procesos vitales. La acción enzimática y las transformaciones químicas de las células se realizan dentro de unos estrictos márgenes de pH. En humanos los valores extremos compatibles con la vida y con el mantenimiento de funciones vitales oscilan entre 6,8 y 7,8; siendo el estrecho margen de 7,35 a 7,45 el de normalidad. También en el trabajo de laboratorio, es imprescindible el mantenimiento de un pH para la realización de muchas reacciones químico-biológicas. Los sistemas encargados de evitar grandes variaciones del valor de pH son los denominados “amortiguadores, buffer, o tampones”. Son por lo general soluciones de ácidos débiles y de sus bases conjugadas o de bases débiles y sus ácidos conjugados. Los amortiguadores resisten tanto a la adición de ácidos como de bases. Ecuación de Henderson-Hasselbalch. Concepto de pK: La concentración de H++ está vinculada a la naturaleza del electrolito débil. Considerando un ácido débil, de modo genérico como HAc, su equilibrio de disociación sería: HAc ⇄ Ac- + H+ Aplicando la ley de acción de masas, la constante de equilibrio K será: K = ( Ac- ) x ( H+ ) / (HAc ) Despejando ( H+): K x (HAc ) = ( H+ ) x ( Ac- ) Aplicando logaritmos: log ( H+ ) = log K + log (HAc ) - log ( Ac- ) Multiplicando por -1 - log (H+ ) = - log K - log (HAc ) + log ( Ac- ) Si hacemos que: • - log ( H+ ) = pH • - log K = pK Se obtiene la ecuación de Henderson-Hasselbalch pH = pK + log ( base ) / ( ácido ) Por tanto, si en la ecuación la concentración de ácido es igual a la de la base, el cociente es 1, siendo el log de 1 = 0, se tiene que: pH = pK Así, se puede definir el pK como el valor de pH de una solución amortiguadora en el que el ácido y la base se encuentran a concentraciones estequiométricas iguales o al 50% cada una. c. Cationes que realizan acciones específicas - Na+ - Impulso nervioso y equilibrio hídrico. Abundante en los medios extracelulares. - K+ - Transmisión del impulso nervioso. Contracción muscular. - Ca2+ - Contracción muscular. Coagulación sanguínea. Sinapsis. Cofactor. Estructural. - Mg2+ - Cofactor. Contracción muscular.
Referencias Bibliográficas: 1. Lehninger, A. L.; Nelson, D.L.; Cox, M. M. 1993. Principles of Biochemistry. Segunda Edición. Editorial Worth Publishens. New York. pp. 1-1013. 2.- Murray, R. K. Granner, D. K. ; Mayes, P. A. Y Rodwell, V. W. 1994. Bioquímica de Harper. Décima segunda edición. Editorial El manual Moderno. S.A. México D.F. México. pp. 961.