Índice
Fuerzas que mantienen unida la molécula de agua
Distribución porcentual del agua en el compartimiento
intracelular y extracelular
Propiedades químicas y físicas
Electrolitos y no electrolitos
Funciones que cumple el agua en el organismo
Fuentes de ingreso del agua al organismo.
Vías normales de pérdida de agua en el organismo.
Constante de ionización del agua.
Soluciones ácidas, alcalinas y neutras
Sistemas amortiguadores o tampones
Principales sistemas tampones del organismo
¿Por qué el ácido carbónico - bicarbonato es el
principal tampón del organismo?
Fórmula de Henderson-Hasselbalch
Introducción
En el
presente trabajo, se desarrollaran en su plenitud información acerca del agua y
como se encuentra este compuesto en el organismo, además de eso se explicará
conceptos como electrolito, no electrolito, PH y mucho mas contenido que le
permitirá al lector tener un conocimiento pleno acerca del agua dentro del organismo.
Al referirnos con el término de “agua” no nos referimos al elemento en si, y
tampoco se estudia su proporción en el planeta tierra. Se dan algunas
definiciones de la composición de la molécula de agua y como esta esta
fuertemente unida, como también la distribución en los compartimientos
intracelular y extracelular y todo lo que respecta a ese vital liquido en
nuestro organismo.
El
agua es la sustancia más abundante en los organismos vivos, constituyendo
aproximadamente el 60% del peso corporal de un adulto, formando así parte esencial de los líquidos corporales.
Todas las características de la estructura y función celular se basan en las
propiedades físicas y químicas del agua, constituyéndose como el disolvente universal,
ya que disuelve a más tipos de sustancias y en cantidades mayores que cualquier
otro disolvente. Por lo tanto es imprescindible saber que el agua es un compuesto que se forma a partir de la
unión, mediante enlaces covalentes, de dos átomos de hidrógeno y uno de
oxígeno; su fórmula molecular es H2O y se trata de una molécula muy estable.
Para
definir el grado de acidez o alcalinidad de sustancias solubles en el agua se usa el pH .Cuando una sustancia ácida o
alcalina se añade al agua, esta cambia la proporción de iones de hidróxido e iones
de hidronio. Generalmente se estipula que el pH
se establece en una escala desde el 0 al 14. El pH normal de nuestra
sangre es entre 7.3 y 7.4, mantenerlo así nos sirve para: que nuestro organismo funcione correctamente. Por
lo contrario, si el organismo presenta un pH menor a 6.5 puede desarrollar:
Síndrome de Fatiga Crónica, arteriosclerosis, cáncer, presión arterial alta,
artritis, gota, osteoporosis y muchas enfermedades.
¿Qué es el agua?
El
agua es una biomolécula inorgánica formada por 2 átomos de H+ y 1 átomo de O2-.
Se trata de la biomolécula más abundante en los seres vivos. Formas de vidas
acuáticas y terrestres presentan gran cantidad de agua en su composición. Por
ejemplo, en las medusas puede alcanzar el 98% del volumen del animal y en la
lechuga, el 97% del volumen de la planta. Estructuras como el líquido interno
de animales o plantas, embriones o tejidos conjuntivos suelen contener gran
cantidad de agua. Otras estructuras, como semillas, huesos, pelo o dientes
poseen poca cantidad de agua en su composición. Hay que distinguir entre el agua potable y el
agua pura, pues la primera es una mezcla que también contiene sales en
solución; es por esto que en laboratorio y en otros ámbitos se usa agua
destilada.
Fuerzas que mantienen
unida la molécula de agua
-Enlaces de Hidrógeno
(Puentes de Hidrógeno):
Este enlace ocurre cuando un átomo de
hidrogeno es enlazado a un átomo fuertemente electronegativo como el Nitrógeno,
Oxigeno (En el caso del agua) o el flúor. El átomo de hidrogeno posee una carga
positiva parcial y puede interactuar con otros átomos electronegativos en otra
molécula. Así mismo, se produce un acoplamiento entre el H+ y el átomo con que
se enlaza(N-, O- o F-) dado el pequeño tamaño de estos átomos. Por otro lado,
cuanto mayor sea la diferencia de electronegatividad entre el H+ y el átomo
interactuante, más fuerte será el enlace. El enlace de hidrógeno formado con el
F- será de mayor intensidad que el formado en el O-, y este a su vez será más
intenso que el formado con el N- . Estos fenómenos resultan en una interacción
estabilizante que mantiene ambas moléculas unidas. El ejemplo mas claro de un
enlace de Hidrogeno es el Agua.
-Fuerzas
de Van der Waals:
También
conocidas como fuerzas de dispersión, de London o fuerzas dipolo-transitivas,
corresponden a las interacciones entre moléculas con enlaces covalentes
apolares debido a fenómenos de polarización temporal. Estas fuerzas se explican
de la siguiente forma: como las moléculas no tienen carga eléctrica neta, en
ciertos momentos, se puede producir una distribución en la que hay mayor
densidad de electrones en una región que en otra, por lo que aparece un dipolo
momentáneo.
Cuando
dos de estas moléculas polarizadas y orientadas convenientemente se acercan lo
suficiente entre ambas, puede ocurrir que las fuerzas eléctricas atractivas
sean lo bastante intensas como para crear uniones intermoleculares. Estas
fuerzas son muy débiles y se incrementan con el tamaño de las moléculas.
Estas fuerzas se
clasifican en:
·
Ion-dipolo
·
Dipolo-dipolo
·
Dipolo-dipolo inducido
·
Fuerzas de dispersión de
London (dipolo instantáneo-dipolo inducido)
1- Indicar la
distribución porcentual del agua en el compartimiento intracelular y extracelular
Contenido total de agua en el cuerpo:
El
agua representa de media el 60% del peso corporal en los hombres adultos, y el
50-55% en las mujeres. Esto significa que en un hombre de peso medio (70kg), el
contenido de agua corporal es de unos 42 litros.
Este
valor medio varía entre individuos, principalmente por las diferencias que
existen en la composición del cuerpo: mientras que el contenido de agua en la
masa corporal magra es constante en los mamíferos con un 73%, los tejidos
adiposos (la grasa corporal) tienen solo un 10% de agua.
Contenido en agua de los distintos órganos:
El
agua se distribuye por el cuerpo y los órganos. El contenido en agua de los
distintos órganos depende de su composición y varía desde un 83% en la sangre
hasta sólo un 10% en los tejidos adiposos.
Cerebro 75%
Piel 72%
Sangre 83%
Corazón 79%
Pulmones 79%
Hígado 68%
Bazo 76%
Riñón 83%
Intestino 75%
Tejido Adiposo 10%
Musculo 76%
Esqueleto (huesos) 22%
Distribución entre
los compartimientos del cuerpo:
El
agua se distribuye por el cuerpo entre dos compartimientos principales: intracelular y extracelular. El compartimiento intracelular es el mayor
(65% del agua corporal total, 28L) y representa aproximadamente dos tercios
(2/3) del agua corporal. El compartimiento
extracelular (35% del agua corporal total, 14L), que representa un tercio (1/3)
del agua corporal, incluye el liquido plasmático y el liquido intersticial. El
líquido plasmático y el líquido intersticial tienen una composición
electrolítica similar, donde los iones más abundantes son el sodio y el
cloruro.
También
contienen agua otros compartimientos, tales como la linfa, el líquido ocular y
el líquido cefalorraquídeo, por ejemplo. Estos compartimientos componen un
volumen relativamente pequeño de agua, y suele considerarse que forman parte
del líquido intersticial.
2-Explicar las
siguientes propiedades:
Propiedades químicas:
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. La capacidad disolvente es la responsable de dos funciones
importantes para los seres vivos: es el medio en que transcurren las mayorías
de las reacciones del metabolismo, y el aporte de nutrientes y la eliminación
de desechos se realizan a través de sistemas de transporte acuosos.
B) Polaridad:
Las
moléculas de agua son muy polares, puesto que hay una gran diferencia de
electronegatividad entre el hidrogeno y el oxigeno. Los átomos de oxigeno son
mucho mas electronegativos (atraen mas electrones) que los de hidrogeno, lo que
dota a los enlaces de una fuerte polaridad eléctrica, con un exceso de carga
negativa del lado del oxigeno, y de varga positiva del lado del hidrogeno. Los
dos enlaces no están opuestos, si no que forman un ángulo de 104,45º debido a
la hibridación del átomo de oxigeno así que, en conjunto, los tres átomos
forman una molécula angular, cargado negativamente en el vértice del Angulo, donde se ubica el
oxigeno y, positivamente, en los extremos de la molécula, donde se encuentran
los hidrógenos. Este hecho tiene una importante consecuencia, y es que las moléculas
de agua se atraen fuertemente, adhiriéndose por donde son opuestas las cargas.
En la práctica, un átomo de hidrógeno sirve como puente entre el átomo de
oxígeno al que está unido covalentemente y el oxígeno de otra molécula. La
estructura anterior se denomina enlace de hidrógeno o puente de hidrógeno.
El hecho de que las
moléculas de agua se adhieran electrostáticamente, a su vez modifica muchas
propiedades importantes de la sustancia que llamamos agua, como la viscosidad
dinámica, que es muy grande, o los puntos (temperaturas) de fusión y ebullición
o los calores de fusión y vaporización, que se asemejan a los de sustancias de
mayor masa molecular.
C) Capacidad Calórica:
Esta
propiedad también se encuentra en relación directa con la capacidad del agua
para formar puentes de hidrógeno intermoleculares. El agua puede absorber
grandes cantidades de calor que es utilizado para romper los puentes de
hidrógeno, por lo que la temperatura se eleva muy lentamente.
Esta
propiedad es fundamental para los seres vivos, ya que gracias a esto, el agua
reduce los cambios bruscos de temperatura, siendo un regulador térmico muy
bueno. Esta propiedad permite al citoplasma acuoso servir de protección para
las moléculas orgánicas en los cambios bruscos de temperatura. Para evaporar el
agua se necesita mucha energía. 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 20 °C.
D) 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. Las moléculas de agua, al ser polares, se disponen alrededor de los
grupos polares del soluto, llegando a desdoblar los compuestos iónicos en
aniones y cationes, que quedan así rodeados por moléculas de agua. Este
fenómeno se llama solvatación iónica.
E) Cohesividad:
La cohesión es la propiedad por la que las
moléculas de agua se atraen entre sí. Debido a esta interacción se forman
cuerpos de agua por adhesión de moléculas de agua, las gotas. Los puentes de
hidrógeno mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una
estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. Estos
puentes se pueden romper fácilmente con la llegada de otra molécula con un polo
negativo o positivo dependiendo de la molécula, o, con el calor.
F) Interacciones hidrofóbicas:
Una
sustancia es hidrófoba si no es miscible en agua. Básicamente la hidrofobicidad ocurre cuando la molécula en
cuestión no es capaz de interaccionar con las moléculas de agua ni por
interacciones ion-dipolo ni mediante puentes de hidrogeno. Tal es el caso de
los hidrocarburos saturados. Como por ejemplo las colas de ácidos grasos que
forman la bicapa fosfolipídica. Estas interacciones son de suma importancia
biológica porque permiten que membranas celulares sean permeables a cierto tipo
de moléculas, lo que se ve traducido como un permeabilidad selectiva, además de
eso, si la membrana que recubre la célula eucariota no fuera (en una parte
hidrófoba) perdería su morfología y permitiría el paso de moléculas y
sustancias al medio intracelular atentando contra la integridad de la célula.
G) Interacciones
hidrofílicas:
Son
netamente solubles en agua. Entre ellas podemos diferenciar las sustancias
iónicas, que poseen carga eléctrica neta, y las sustancias polares, que
presentan en su molécula cargas parciales. Muchas biomoléculas son sustancias
iónicas, como las sales minerales y las biomoléculas orgánicas poseedoras de
grupos funcionales ionizados al pH de la célula (por ejemplo los aminoácidos).
Otras muchas son sustancias polares, como las biomoléculas orgánicas con grupos
funcionales capaces de formar puentes de hidrógeno (por ejemplo los azúcares).
El
agua es un buen disolvente de este tipo de sustancias porque su molécula, al
presentar cargas parciales, puede establecer interacciones electrostáticas con
las moléculas de soluto: cuando una sustancia iónica o polar se disuelve en
agua las interacciones agua-soluto sustituyen de manera energéticamente
favorable a las interacciones soluto-soluto de la red cristalina. En el caso de
las sustancias polares estas interacciones son del tipo que conocemos con el
nombre de puentes de hidrógeno.
Propiedades
físicas:
A.
Posee
un elevado punto de ebullición (100°C).
B.
Tiene
un punto de fusión a 0°C.
C.
Es
un líquido inodoro, insípido e incoloro, aunque cuando se concentra en grandes
masas tiene cierto color azul.
D.
Puede
existir en la naturaleza en los tres estados de agregación de la materia,
líquida, sólida y gaseosa.
E.
Tiene
elevado calor de vaporización, hace que sea un medio ideal para que las
reacciones exotérmicas ocurran sin daño para el organismo, y para disipar calor
comportándose como termorregulador, por ejemplo, en la sudoración.
F.
En
el agua líquida, cada molécula está asociada por puentes de hidrógenos a otras
cuatro moléculas de agua; en el agua sólida o hielo estos enlaces son rígidos y
permanentes.
3- Definir: Electrolitos
y no electrolitos resaltando su distribución y funciones que cumplen en el
organismo.
Una
solución es una mezcla homogénea de especies químicas dispersas a escala
molecular. Una solución es una fase simple. El constituyente presente en mayor
cantidad se le considera solvente o disolvente, mientras que aquellos presentes
en cantidades relativamente pequeñas se denominan solutos.
Las
sustancias como los ácidos, las bases y las sales que en disolución tienen la
propiedad de ser conductoras de la corriente eléctrica, reciben el nombre de
electrolitos, las de mas sustancias se consideran como no electrolitos.
Electrolito:
Son
sustancias (ácidos, bases y sales) que al disolverse o fundirse con el agua
conducen la corriente eléctrica. En fisiología, los iones primarios de los
electrolitos son: Sodio (Na+), Potasio
(K+), Calcio (Ca+), Magnesio (Mg+), Cloruro (Cl-) y Bicarbonato (HCO3-).
Todas las formas de vida superiores requieren
un sutil y complejo balance de electrolitos entre el medio intracelular y el
extracelular. En particular, el mantenimiento de un gradiente osmótico preciso
de electrolitos es importante. Tales gradientes afectan y regulan la
hidratación del cuerpo, PH de la sangre son críticos para las funciones de los
nervios y los músculos, e imprescindibles para llevar a cabo la respiración.
Tanto
el tejido muscular y las neuronas son considerados tejidos eléctricos del
cuerpo. Los músculos y las neuronas son activados por la actividad de
electrolitos entre el fluido extracelular o intersticial y el fluido
extracelular. Los electrolitos pueden entrar o salir a través de la membrana
celular por medio de estructuras proteicas especializadas, incorporadas a la
membrana, denominados canales iónicos. Los electrolitos se dividen en: Fuertes y Débiles.
Electrolitos Fuertes:
Estos se ionizan casi por completo en presencia de un disolvente y su
disociación es prácticamente total. Además son buenos conductores de
electricidad. Ejemplo: HCL (Ácido clorhídrico), H2SO4 (Ácido sulfúrico), HNO3
(Ácido nítrico), Todos los hidroxilos (Excepto el NH4OH), y la mayoría de las
sales.
Electrolitos Débiles:
Estos se disocian parcialmente y son reacciones del tipo reversibles. No son
buenos conductores de electricidad. Ejemplo: NH4OH (Hidróxido de amonio).
No Electrolito:
Son
sustancias que cuando se disuelven en agua se separan en sus moléculas. Las
moléculas tienen movilidad por estar en una disolución acuosa pero son
eléctricamente neutras (no tienen carga). Por ejemplo, la sacarosa se separa en
moléculas cuando se disuelve en agua. Estos líquidos y disoluciones tienen
partículas con movilidad pero sin carga, por lo tanto no son conductores de
electricidad.
4- Funciones que cumple
el agua en el organismo
1. Regula la temperatura corporal. El agua permite que el organismo
libere calor cuando la temperatura ambiente está fría. Mientras que cuando
sientes calor, el agua se evapora y aparece el sudor para enfriar el cuerpo.
2. Transporta nutrientes. Este vital líquido participa en la
descomposición bioquímica de los alimentos que comemos y permite que los
nutrientes (minerales, vitaminas y glucosa) lleguen a las células.
3. Gran porcentaje de la sangre la compone el agua. El plasma
sanguíneo está compuesto por 91.5% de agua. Este comprende 55% del volumen
sanguíneo.
4. Ayuda
a eliminar toxinas. A través del agua se eliminan los productos de desecho,
incluyendo toxinas que las células de los órganos rechazan. Estos se expulsan a
través de la orina y las heces.
5. Ayuda
a lubricar las articulaciones. Este vital líquido es un lubricante eficaz
para las articulaciones. También actúa como un amortiguador para los ojos,
cerebro, médula espinal e incluso para el feto a través de líquido amniótico.
Además, el agua permite que se lleven a cabo
la mayoría de las reacciones químicas del cuerpo y es vital para llevar a cabo
en procesos naturales como respirar, sudar, orinar o defecar. De ahí la
necesidad de beberla naturalmente.
5- Fuentes de ingreso
del agua al organismo.
1.
Agua de bebida.
2.
Agua en y sobre los alimentos.
3. Agua
metabólica: Se forma durante el metabolismo por oxidación de los
nutrientes orgánicos que contienen hidrógeno.
- 100 g de carbohidratos producen 60 g de agua
- 100 g de lípidos producen 108 g de agua
- 100 g de proteína producen 42 g de agua.
En la realidad los más eficientes en la
producción de agua metabólica son los carbohidratos, ya que el agua que se
produce por proteínas no es suficiente para eliminar la cantidad de urea
producida por estas; los lípidos no son tan eficientes, ya que al incrementar
la respiración para su oxidación, aumentan la espiración de aire húmedo y por
lo tanto el agua metabólica neta de los lípidos es menor que la de los
carbohidratos.
4.
Agua de síntesis de moléculas
y utilización de ellas.
5.
Agua preformada en los
tejidos: Se libera cuando el organismo tiene un balance negativo de energía.
6- Vías normales de
pérdida de agua en el organismo.
Se pueden clasificar en
2 tipos de vías:
Pérdidas
de agua insensibles. Las pérdidas
de agua insensibles, así
denominadas porque el individuo no suele percibirlas, incluyen el agua que se
pierde por la evaporación en la piel y por la respiración. La difusión de agua
a la epidermis es esencial para el funcionamiento normal de la piel, puesto que
este proceso fisiológico permite hidratar las capas superficiales de la piel.
Esto genera al final una evaporación de agua en la superficie de la piel. En los
adultos, la difusión insensible a través de la piel representa aproximadamente
450 mL/d. Esta cifra varía según la temperatura ambiente, la humedad, las
corrientes de aire o la ropa.
Asimismo,
se pierde agua por evaporación a través de los pulmones, al respirar. En las
personas sedentarias, esta pérdida supone aproximadamente 250 - 300 mL/día.
Aumenta con el nivel de actividad física, con el aumento del volumen de
ventilación: las personas activas al nivel del mar presentan unas pérdidas por
la respiración de unos 500 - 600 mL/día. Esta pérdida de agua también aumenta
con la altitud, especialmente cuando la temperatura y la humedad son bajas. Las
pérdidas por la respiración son aproximadamente equivalentes a la producción de
agua metabólica con independencia del nivel de actividad física.
Pérdidas de agua
sensibles:
Pérdidas de agua por
las heces
Las pérdidas de agua por las heces son
relativamente bajas en adultos sanos, aproximadamente 200 mL/d en condiciones
normales. Esta cantidad puede aumentar radicalmente en caso de diarrea, entre 5
y 8 veces más de lo normal en lactantes.
Producción de sudor
La
producción de sudor es muy variable: es baja en las personas sedentarias
expuestas a una temperatura moderada, pero puede llegar a ser de varios litros
al día durante una actividad física intensa, a temperatura ambiente alta y/o
con un alto grado de humedad ambiental. El cuerpo adapta la producción de sudor
para mantener la temperatura corporal.
El sudor es producido en la dermis por las
glándulas sudoríparas. Viene del agua intersticial y es filtrado en profundidad
por el túbulo de la glándula sudorípara tubular antes de ser reabsorbido
distalmente. El sudor suele estar compuesto en un 99% de agua, con un pH entre
5 y 7. Contiene aproximadamente un 0,5% de minerales (potasio y cloruro de
sodio) y un 0,5% de sustancias orgánicas (urea, ácido láctico).
Pérdidas de agua por la
orina
Cuantitativamente,
las pérdidas de agua por la orina suelen representar la mayor pérdida de agua
en adultos sanos que no practican ejercicio. No obstante, el volumen de orina
puede variar considerablemente, de unos 500 mL a varios litros al día. La
mayoría de las demás pérdidas de agua no están reguladas y se producen con
independencia del estado de los líquidos del cuerpo; las ingestas también están
parcialmente reguladas. En cambio, el volumen de orina está muy controlado y
sirve para regular estrictamente el equilibrio de los líquidos en el cuerpo,
además de desempeñar su otra función de excreción de residuos sólidos.
De hecho, la orina es el resultado de las dos
principales funciones de los riñones; la excreción de los residuos sólidos y la
regulación de los volúmenes de líquidos corporales. En la mayoría de los casos,
estas funciones pueden realizarse independientemente: por ejemplo si hay un
gran volumen de agua que eliminar, no habrá cambios sustanciales en la cantidad
de la carga total de solutos que deba excretarse. Esto se basa en la capacidad
de los riñones para producir una concentración de orina muy variada, de 50
mOsm/L a 1200 mOsm/L. Esta osmolaridad máxima de la orina constituye un límite
por encima del cual ambas funciones de los riñones ya no pueden coexistir:
define un volumen mínimo obligatorio estrictamente necesario para excretar la
carga de solutos, cualquiera que sea el estado del equilibrio hídrico del
cuerpo. La mayor parte de la carga de insolutos eliminada por los riñones viene
de los alimentos ingeridos, como tales (por ejemplo, minerales) o como
resultado del metabolismo (por ejemplo, urea). Por ejemplo, en una dieta que
contenga 650 mOsm, el volumen de orina mínimo obligatorio será de 500 mL, si
los riñones están a su máxima capacidad de concentración. El agua eliminada por
encima de este volumen mínimo obligatorio es el exceso de agua eliminado durante
la regulación del equilibrio hídrico.
7- Constante de
ionización del agua.
El
agua pura es un electrolito débil que se disocia en muy baja proporción en sus
iones hidronio o hidrógeno H 3 O + (también escrito como H +) e hidróxido o
hidróxilo OH – .
De
todos modos, dos moléculas polares de agua pueden ionizarse debido a las
fuerzas de atracción por puentes de hidrógeno que se establecen entre ellas.
Aunque
lo haga en baja proporción, esta disociación del agua en iones, llamada
ionización , se representa según la siguiente ecuación
La
cual, resumiendo un poco queda como
O, más
resumida aún, queda como
Al
producto de la concentración de iones hidroxonio o hidronio (H 3 O + ) por la
concentración de iones hidróxido o hidroxilo (OH − ) se le denomina producto
iónico del agua y se representa como K w . Las concentraciones de los iones H +
y OH – se expresan en moles / litro (molaridad).
Este
producto tiene un valor constante igual a 10 −14 a 25º C, como se grafica en la
siguiente ecuación
O, que
es lo mismo:
Debido
a que en el agua pura por cada ion hidronio (o ion hidrógeno) hay un ion
hidróxido (o hidroxilo), la concentración es la misma, por lo que:
De
esta expresión se deduce que las concentraciones de hidronios (también llamada
de protones) (H+) y de hidroxilos (OH-) son inversamente proporcionales; es
decir, para que el valor de la constante de disociación se mantenga como tal,
el aumento de una de las concentraciones implica la disminución de la otra.
8. Definir soluciones ácidas, alcalinas y neutras
citando ejemplos de líquidos corporales de cada tipo.
Solución:
Es una mezcla de dos o más componentes, perfectamente
homogénea, ya que cada componente se mezcla íntimamente con el otro de modo tal
que pierden sus características individuales. También se puede definir como
uniones físicas entre dos o más sustancias que originan una mezcla. Una
disolución química está compuesta por soluto y solvente. El soluto es la
sustancia que se disuelve y el solvente la que lo disuelve.
Solución ácida
Según la definición de Arrhenius una sustancia ácida: Es
aquella que produce iones H3O+ (hidronio) como uno de sus productos iónicos de
disociación en agua.
De forma que podemos asegurar que: una
solución acida es cuando la concentración de iones hidronio es mayor que la
concentración de iones hidróxido: [H3O+] > [OH-].
Por lo tanto, una solución ácida es aquella
que presenta un pH inferior a 7 debido a que posee una concentración de H+
mayor que el agua (mayor a 1 × 10−7 M). Cuando se añade un ácido al agua pura
(neutra) aumenta la concentración de protones, y ello da lugar a soluciones
ácidas.
Según
la definición de Bronsted-Lowry se define como cualquier sustancia que tenga la
capacidad de perder, ceder o “donar un protón” o hidrogenión [H+], a otra
sustancia
Según
Lewis un ácido es una sustancia que puede formar un enlace covalente aceptando
un par de electrones de una base.
Podemos clasificar a los ácidos en fuertes y
débiles, esta fuerza está dada por las diferentes capacidades que tienen estas
sustancias de disociarse en agua:
Ácidos fuertes:
se disocian completamente o casi completamente en agua, por lo tanto tienen la
capacidad de producir más cantidad de iones de hidrógeno como por ejemplo, el
ácido sulfúrico, clorhídrico y nítrico. Siendo bases fuertes, por ejemplo, el
hidróxido de sodio y de potasio.
Ácidos débiles:
se disocian parcialmente en agua, es decir producen menos iones de hidrogeno, como el ácido nitroso,
ácido acético, ácido fosfórico, ácido bórico
y el ácido carbónico
Un ácido, cuanta mayor fuerza posea, o tendencia a dar un
protón, menor tendencia a captar dicho protón tendrá su base conjugada. Así,
cuanto más fuerte sea un ácido, más débil será su base conjugada, y viceversa
en el caso de los ácidos débiles
Ejemplo
de líquidos corporales ácidos:
-Mucosidad nasal:
En el hombre sano se encuentra entre un pH de
6,4-6,8, aunque puede alcanzar el 7.
-Jugo gástrico:
La composición del jugo gástrico depende de la actividad de las células de
submucosa. El jugo gástrico tiene un pH muy ácido, entre 1,0 y 3,0, con un
valor óptimo de 1,8 por el HCl secretado por la mucosa. Estos valores tan bajos permiten realizar la
función digestiva a la vez que destruyen bacterias: por ejemplo los enterococos
mueren a un pH inferior a 2,4.
-Sudor: su
pH normal es de 5.5. Sin embargo, esto varía con edad. Típicamente, los recién
nacidos tienen un pH más cercano al neutral (el pH 7) que rápidamente da vuelta
a ácido para proteger la piel de los
niños jóvenes.
-Fluido vaginal:
La vagina generalmente tiene un pH ácido de equilibrio de entre 4 y 4,9.
Solución básica o alcalina
Según la definición de Arrhenius, una base es un
compuesto que produce iones hidroxilo u oxhidrilo (OH-) en solución acuosa. Por
lo tanto, se presenta cuando la concentración de iones hidróxido es mayor que
la concentración de iones hidronio: [H3O+] < [OH-]
Es decir,
una solución básica tiene una concentración de hidrogeniones menor que la del agua pura (Menor a 1 × 10-7
M), por lo que su pH es superior a 7.
Cuando
se añade una base al agua pura (neutra) aumenta la concentración de hidroxilos,
y ello da origen a soluciones básicas.
Esta definición es
por supuesto incompleta, pues existen moléculas como el amoniaco (NH3 ) que
carecen del grupo OH- y poseen características básicas.
Pero
Johannes Brönsted y Thomas Lowry, consignaron un concepto más general y amplio
incluyendo las bases que no contienen iones OH. Por lo tanto, definieron la
solución básica como una sustancia que puede aceptar un protón o ión hidrógeno
(H +) de otra sustancia.
Según Lewis, un álcali es un compuesto que tiene pares de electrones libres, capaces
de ser compartidos o donados para formar enlaces covalentes dativos.
La
explicación de Lewis permite estudiar solventes que no necesariamente
intercambian protones y que pueden actuar como base o ácido en diferentes
solventes gracias a un comportamiento llamado disociación. La disociación está
relacionada con la capacidad de una sustancia de actuar como un ácido o una
base dependiendo del pH de la solución en la que se encuentra.
Las bases se clasifican
en:
Base fuerte:
aquel electrolito que se disocia de forma completa cuando se disuelve en agua,
aportando la máxima cantidad de iones OH- posibles, en condiciones de
temperatura y presión constantes Algunos ejemplos de bases fuertes son :
hidróxido de sodio, hidróxido de potasio e hidróxido de calcio.
Bases débiles:
son aquellas bases que al disolverse en agua no se disocia completamente aportando también iones OH- al medio, pero en
menor medida, ya que la forma disociada se encuentra en equilibrio con la forma
no disociada de la sustancia, según su constante de disociación. Ejemplos:
hidróxido de amonio y el amoníaco.
Ejemplos
de líquidos corporales alcalinos
-Líquido Amniótico:(
7.1- 7.5 pH) es un líquido claro y ligeramente amarillento que rodea el bebé
dentro del útero (feto) durante el embarazo y que está contenido en el saco
amniótico.
-Semen:
Es de alrededor de 7,5 es decir ligeramente básico (alcalino).
-Jugo pancreático:
es alcalino, entre 8,5 y 8,9 unidades de pH.
-Sangre:
contiene líquido extracelular, plasma, y líquido intracelular. El pH de la
sangre arterial es de 7,4 y la sangre venosa tiene un pH de 7,3, por lo tanto
es ligeramente alcalino (entre 7,35 y 7,45); y no puede superar el pH = 7,8 por
encima o debajo de estos valores, tendríamos algún problema de salud.
-Lágrimas:
El pH de las lágrimas no estimuladas es de alrededor de 7.4, y se aproxima al
del plasma sanguíneo. Si bien se observan amplias variaciones en los individuos
normales (entre 5.0 y 8.35), los límites habituales son de 7.3 a 7.7. Se
observa un pH más ácido de alrededor de 7.25 después del cierre palpebral
prolongado, lo que quizá se deba al dióxido de carbono producido por la córnea.
-Líquido
Cefalorraquídeo: su pH es 7,32. Presenta menos
fluctuaciones que el pH de la sangre para hacer posible un funcionamiento sin
problemas del cerebro.
Soluciones neutras
Una solución neutra es aquella en la que la concentración
o cantidad de iones hidrógeno [H+] o [H3O+] es igual a la de iones hidróxilo.
[OH-]. El agua pura es neutra porque en ella [H + ] = [OH – ] Estas sustancias
se producen mediante una reacción de transferencia de protones entre un ácido y
una base, a esto eso se le llama neutralización.
Por
tanto, una solución neutra tiene una concentración de iones hidrógeno
(protones) igual a 10-7 (10 elevado a la -7 = 0,0000001) moles/litro.
Cuando
una solución no es ácida ni básica, es decir, cuando su pH es de 7, se trata de
una solución de pH neutro. Por ejemplo, el pH del cuerpo se mantiene neutro (7,35
aproximadamente).
Cuando
decimos que una solución es neutra, es porque no es ácida ni básica, pero esto
no significa que no contenga iones hidronio e hidróxido en la solución. Por
ejemplo, el agua pura siempre contiene estos iones, pero no en grandes
concentraciones, de hecho, un litro de agua pura a 25°C tiene 1.0 x 10-7 moles
de H3O+ y exactamente la misma cantidad de iones OH- ,esto es lo que significa
que el agua es neutra y no la ausencia de iones H3O+ y OH- .
Dada
la definición de molaridad, este número de moles (1.0 x 10-7M) de iones H3O+ en
un litro de agua indica justamente que la concentración de estos iones es 1.0 x
10-7 M, o 10-7 M ya que el 1.0 puede obviarse. Como se sabe que el agua es
neutra se deduce que la concentración de iones OH- es también de 10-7 M. Es
decir, en el agua pura, donde los iones sólo provienen de su auto disociación,
las concentraciones de H+ y OH- son
iguales, siendo: [H+] = 1,0 x 10-7
y [OH–] = 1,0 x 10-7
Una
cantidad relativamente pequeña de moléculas ceden un protón (H+) y otra
cantidad igual los aceptan, de esta forma las moléculas que donan protones se
transforman en OH- y la que los aceptan en H3O+.
El
agua puede actuar tanto como ácido o como base; esto dependerá del medio en que
se encuentre. Se comportará como base al reaccionar con ácidos como el ácido
clorhídrico (HCl) y ácido acético (CH3COOH); y como ácido, al reaccionar con
bases como el amoniaco (NH3). A los compuestos que se comportan de esta manera
se les llama anfóteros.
Ejemplos de líquidos
corporales neutros.
-La saliva:
tiene un pH óptimo neutro y oscila entre 6,5 y 7,5.
-La bilis:
tiene un pH prácticamente neutro 6,8-7,0.
9. Definir pH, pK
y formular su expresión matemática.
PH (Potencial de hidrógeno)
El pH es una medida que permite conocer el grado o nivel
de acidez o basicidad de una disolución. El pH, entonces, es un valor numérico
o cualitativo que expresa o indica la concentración molar de iones de hidrógeno
[H3O+], presentes en determinadas sustancias. Un hidrogenión es un ion positivo
de Hidrógeno.
La sigla “pH” es un acrónimo que significa “potencial
hidrógeno”, “potencial de hidrógeno” o “potencial de hidrogeniones” ( pondus
Hydrogenii o potentia Hydrogenii; del latín pondus =peso; potentia = potencia;
hydrogenium , = hidrógeno) ya que el pH se puede medir a partir de medidas de
potenciales eléctricos en una celda electroquímica.
Este
concepto fue introducido o acuñado por el químico danés S. P. L. Sørensen del
Laboratorio Carlsberg en 1909, cuando realizaba estudios sobre proteínas,
aminoácidos y enzimas. Idea una manera sencilla de expresar la amplia variación
de la concentración de cationes hidrógeno en las disoluciones, que puede variar
desde más de 10 mol/l a menos de 10 -15 mol/l. Por lo tanto, este químico, definió el pH como el logaritmo negativo en
base 10 de la actividad de los iones hidrógeno. Matemáticamente se formula de
la siguiente forma:
pH=−log10[H+]
El
signo negativo delante del log nos dice que hay una relación inversa entre el
pH y H+: cuando aumenta el pH, H+
disminuye, y viceversa.
Desde
entonces, el término "pH" se ha utilizado universalmente por lo
práctico que resulta, para evitar el manejo o manipulación de cifras largas y
complejas y utilizar otros métodos un poca más complicados En disoluciones
diluidas, en lugar de utilizar la actividad del ion hidrógeno, se le puede
aproximar empleando la concentración molar del ion hidrógeno.
Ejemplo: una muestra de agua pura a 25ºC,
que posee una concentración de [H3O+] = 1 × 10–7 M (0,0000001) es simplemente
un pH de 7 ya que:
pH = –log [1x10–7] = 7
Otro ejemplo, es que si tenemos una
solución con [H+]=1×10−5 M podemos calcular el pH y nos resultara en la
siguiente formula:
pH=−log(1×10−5)=5.0
Los
ácidos y bases tienen distintas concentraciones de iones de hidrógeno, siendo
los más fuertes, aquellos que contengan mayor cantidad de iones y los débiles
lo que no posean tanta concentración, siendo el pH el encargado de expresar el
valor numérico de las concentraciones de iones de hidrógeno, en algunos casos
Los valores numéricos verdaderos para estas concentraciones de iones de
hidrógeno marcan fracciones muy pequeñas, por ejemplo 1/10.000.000 (proporción de uno en diez
millones). Debido a que números como este son incómodos o tediosos para
trabajar, se estableció una escala única a partir del estudio del comportamiento
del agua como ácido y base.
Tradicionalmente,
la escala pH (escala potencial de hidrógeno), está dividida en 14 unidades, del
0 (la acidez máxima) a 14 (nivel básico máximo) y la mayoría de las soluciones
entran en este rango, siendo ácidas las disoluciones con pH menores a 7.0 es
decir, que hay exceso de iones hidronios (el valor del exponente de la
concentración es mayor, porque hay más iones en la disolución) y básicas las
que tienen pH mayores o superiores a 7.0,es decir que hay exceso de iones
oxhidrilos (pocos iones hidronio en relación) en la solución. La disolución se
considera neutra cuando su pH es igual a 7, por ejemplo cuando el disolvente es agua. La escala de pH, nos permite fácilmente clasificar
distintas sustancias por su valor de pH y además es importante decir que estos
valores de pH son para soluciones a 25ºc.
El
pH es un factor muy importante, porque determinados procesos químicos solamente
pueden tener lugar a un determinado pH. Por ejemplo, las reacciones del cloro
solo tienen lugar cuando el pH tiene un valor de entre 6,5 y 8. Los valores de
pH extremos, por arriba o por debajo de 7.0, generalmente se consideran
desfavorables para la vida.
La
escala pH tiene una secuencia logarítmica, lo que significa que la diferencia
entre una unidad de pH y la siguiente corresponde a un cambio de potencia 10.
En otras palabras, una muestra con un valor pH de 5 es diez veces más ácida que
una muestra de pH 6. Asimismo, una muestra de pH 4 es cien veces más ácida que
la de pH 6.
Pka
Es la fuerza que tienen las moléculas de disociarse.
También se define como la constante de
ionización de una sustancia. Matemáticamente, es una medida de la acidez de una
sustancia obtenida a partir del logaritmo negativo de la constante de
disociación ácida (Ka) de un ácido débil, quedando expresada así:
El
valor pKa es una versión útil de la constante Ka ya que evita el uso de
potencias de diez.
Dado que el valor de la constante de acidez
(ka) constituye una medida directa de la fuerza de un ácido, su pKa es entonces
una medida inversa de dicha fuerza.
En equilibrios ácido-base la constante de
equilibrio se denomina constante de acidez o de basicidad y su pK constituye
una forma de expresar su valor. Así, por ejemplo, la constante de acidez del
ácido acético a 25 Cº es Ka = 1,8 • 10-5 y su pKa se calcula, de acuerdo con la
definición, como pKa = -log (1,8 • 10-5) = 4,8.
El
valor de pK es otra forma de expresar la constante de disociación acida, pero
en un lenguaje logarítmico, los números de pK son más fácilmente manejables. A
mayor valor de pKa, la extensión de la disociación acida es menor.
Una
forma conveniente de expresar la relativa fortaleza de un ácido es mediante el
valor de su pKa, que permite ver de una manera sencilla en cambios pequeños de
pKa los cambios asociados a variaciones grandes de Ka (constante de
disociación).
Valores
pequeños de pKa equivalen a valores grandes de Ka y, a medida que el pKa
decrece, la fortaleza del ácido aumenta. Cuanto mayor es la fuerza de un ácido
menor es su disociación acida (pKa). Un ácido será más fuerte cuanto menor es
su pKa y en una base ocurre al revés, que es más fuerte cuanto mayor es su pKa.
En resumen, cuanto más grande sea pKa menor será la fuerza del ácido.
Un
ácido débil tiene un valor de pKa en un rango de pH aproximado de −2 a 12 en
agua. Los ácidos con valores de pKa menores que aproximadamente −2 se dice que
son ácidos fuertes. Los ácidos fuertes, como el clorhídrico (HCI) o el
sulfúrico (H2SO4), tienen pKa negativos y los débiles, como el acético
(CH3COOH) o el carbónico (H2CO3), pKa positivos.
Esas
constantes de disociación no son fijas, dependen de otras variables. Por ejemplo,
la constante de disociación cambia a temperaturas diferentes. Sin embargo,
mantiene su valor a la misma temperatura, ante cambios de la concentración de
alguna de las especies o incluso ante la acción de un catalizador.
Conociendo
el valor del pK de una reacción, se puede tener K, simplemente obteniendo el
valor del antilogaritmo de K y cambiándole el signo. Por ejemplo:
Si pK = 8.75, entonces K = Antilog(-8.75) =
10-8.75 = 1.778 x 10-9
Ejemplo del cálculo de
los valores de pKa de las siguientes sustancias:
- Ácido yódico (HIO3)
con Ka = 1,7 • 10-1 → pKa = - log10 Ka = - log10 (1,7•10-1) = 0,77
- Ácido fórmico (HCOOH)
con Ka = 1,8 • 10-4 → pKa = - log10 Ka = - log10 (1,8•10-4) = 3,74
- Ácido acético
(CH3COOH) con Ka = 1,8 • 10-5 → pKa = - log10 Ka = - log10 (1,8•10-5) = 4,74
- Ácido cianhídrico
(HCN) con Ka = 4,9 • 10-10 → pKa = - log10 Ka = - log10 (4,9•10-10) = 9,31
- Fenol (C6H5OH) con Ka
= 1,0 • 10-10 → pKa = - log10 Ka = - log10 (1,0•10-10) = 10,0
- Peróxido de Hidrógeno
(H2O2) con Ka = 2,2 • 10-12 → pKa = - log10 Ka = - log10 (2,2•10-12) = 11,66
10. Explicar la importancia biológica del pH
El pH es de suma importancia en los procesos internos de
los seres vivos, puesto que es uno de los factores fundamentales para que se
lleven a cabo de manera óptima las miles de reacciones químicas en un
organismo, es decir muchas de los procesos
que ocurren en los seres vivos están influenciados o regulados por este,
ya que afecta la velocidad de variadas reacciones químicas y la estructura de
macromoléculas biológicas por ejemplo, las enzimas que son proteínas que
catalizan las reacciones química en los seres vivos, ven alterado su
funcionamiento catalítico y sus funciones principales en base al pH y a otro
factor también importante que es la temperatura.
Cualquier
cambio brusco de pH puede alterar el carácter iónico de los grupos amino y
carboxilo en la superficie proteica. A pH alto o bajo se puede producir la
desnaturalización de la enzima y en consecuencia su inactivación. Así mismo, el
calcio almacenado en los huesos amortigua la acidez, si el cuerpo tiene un pH
ácido, se libera calcio del hueso al torrente sanguíneo y esto puede provocar
pérdida de masa ósea y problemas articulares.
La
medida del pH de los líquidos corporales (como la sangre y la orina) se utiliza
normalmente para diagnosticar enfermedades producto de un desajuste de este
valor, bien sea por la obtención de un valor menor al pH fisiológico (acidez)
como por ejemplo una acidosis metabólica o respiratoria o por un aumento de la
medida normal (basicidad), un ejemplo seria la alcalosis.
Por
lo tanto, es necesario que se mantenga
el pH de nuestro organismo estable para el correcto mantenimiento de la
homeostasis, por ejemplo, el pH de la sangre debe ser de 7,35 y 7,45(ligeramente
alcalino), una variación de tan solo unas décimas podría poner en riesgo el
funcionamiento de órganos o funciones vitales, y en casos extremos, provocar la
muerte
Al
igual es muy importante en sistemas biológicos como la nutrición humana, ya que
el pH del jugo gástrico es de 2.0 es decir muy ácido, lo cual tiene como
principal objetivo disminuir la alcalinidad del bolo alimenticio (actúa como
solución amortiguadora) y activar enzimas como la pepsina para que estas actúen
sobre los alimentos, pero una nutrición en base a una dieta que sea
mayoritariamente alcalina es esencial para equilibrar el pH pues de lo
contrario esto generaría gastritis y otras enfermedades.
11. Definir los sistemas amortiguadores o tampones
Un sistema amortiguador, tampón, buffer o solución
reguladora es la mezcla binaria de sustancias o mejor dicho, disoluciones
acuosas que presenta concentraciones relativamente elevadas de un ácido débil y
su base conjugada o de una base débil y su ácido conjugado, es decir, sales hidrolíticamente
activas, que se disuelven en el agua. Este sistema minimiza los cambios de
concentración de hidrogeniones (H+ ) y (OH-), manteniendo el nivel de acidez o
de alcalinidad de una sustancia expuesta a reacciones químicas esto evita que
se generen reacciones indeseadas Los amortiguadores resisten tanto a la adición
de ácidos como de bases.
Por
lo tanto, puede absorber grandes cantidades moderadas de ácidos o bases, sin un
cambio significativo en su pH, es decir tiene la propiedad demantener estable o de que no se vea
afectado el pH o concentración de ion hidrógeno de una disolución frente a la
adición de pequeñas cantidades o volúmenes de ácidos o bases fuertes. No
siempre un sistema buffer es apropiado, porque los iones de algunas sales hidrolíticas pueden, por ejemplo, dañar a los organismos
que entran en contacto con él.
Lo
anteriormente dicho es de suma importancia, ya que hay muchos fluidos en
nuestro organismo que se deben mantener dentro de unos límites muy estrechos de
pH.
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.
Solamente un leve cambio en la concentración de hidrogeniones en la célula
puede producir un paro en la actividad de las enzimas y hormonas, alteraciones
de iones a través de membranas, entre otros.
Se
puede entender esta propiedad como consecuencia del efecto ion común y las
diferentes constantes de acidez o basicidad: una pequeña cantidad de ácido o
base desplaza levemente el equilibrio ácido-base débil, lo cual tiene una
consecuencia menor sobre el pH. Es decir, si se añade un ácido a una disolución
de tales características, lo que implica un aumento en la concentración de
iones H+, el par conjugado reacciona desplazando su equilibrio de disociación
en el sentido de retirar iones H+ de la disolución de manera que el pH no varía
o lo hace muy poco. Si por el contrario se añade una base, los iones hidroxilo
retirarán iones hidrógeno de la disolución para formar agua y el par conjugado
reaccionará desplazando su equilibrio de disociación en el sentido de liberar más
iones H+ consiguiendo así que el pH tampoco varíe.
Los
tampones mantienen la cantidad de ácidos y de bases en equilibrio en un
determinado pH en el cual la actividad biológica de las proteínas, hormonas,
enzimas, bombas de iones... sea óptima. En humanos, los valores compatibles con
el mantenimiento de funciones vitales son de pH entre 6,8 y 7,8; siendo el
intervalo de 7,35 a 7,45 el de normalidad. En concreto, podemos decir que cada
líquido fisiológico tiene un nivel característico normal de pH: Sangre
arterial: pH= 7,4. Sangre venosa: pH= 7,35. Líquido intersticial: pH= 7,35.
Líquido intracelular: pH= 6 - 7,4. Orina: pH= 4,5 – 8. HCl gástrico: pH= 0,8.
Los
tampones son los primeros responsables de mantener estos niveles de pH
constantes aunque en el organismo se produzcan altas cantidades de ácidos
debido al metabolismo. Así, los tampones son el primer nivel de defensa contra
los cambios de pH. También contribuyen al equilibrio, la regulación
respiratoria (segunda línea de defensa) y la regulación renal (tercera línea de
defensa). Cuando hay alteraciones debidas a enfermedades de los riñones,
pulmones o por diabetes mellitus, el pH se ve alterado y puede provocar
acidosis (pH<7,37) o alcalosis
(pH>7,43) en nuestro organismo, trastornos metabólicos, que se caracterizan
por unos síntomas que sin tratamiento pueden tener consecuencias graves.
El
pH sanguíneo fisiológico se encuentra entre 7.35 y 7.45 con un valor medio de
7.4. Un pH por debajo de 7.35 es una
acidosis y un pH más alto que 7.45 se llama alcalosis. Para evitar un
desequilibrio entre ácidos y bases durante el metabolismo diario, es
amortiguada, principalmente, mediante el buffer bicarbonato-ácido carbónico.
12- Explicar con un ejemplo cómo funcionan los
amortiguadores en el mantenimiento del equilibrio acido básico del organismo
El
pH es una medida de la acidez o alcalinidad de una sustancia, y el del cuerpo
se puede medir en sangre, orina o saliva.
El
equilibrio entre lo ácido y lo alcalino en el organismo es fundamental, puesto
que ciertas funciones del cuerpo como por ejemplo la actividad de las enzimas
digestivas dependen del nivel del pH. La acidez y la alcalinidad se miden por
el pH en una escala de 1 hasta 14, en la que el extremo de acidez es 1, y el
extremo de alcalinidad, 14. Como en cualquier solución, los líquidos del cuerpo
tienen un pH determinado, que deberá ser ligeramente alcalino y oscilar entre
7,35 y 7,45.
Actualmente, el estrés, el sedentarismo o los
malos hábitos alimentarios provocan un desequilibrio: hacen que el pH del
cuerpo baje y comportan además una de las principales causas de alteraciones de
la salud. Por lo tanto, mantener el pH del organismo en el margen correcto es
la clave para un buen funcionamiento del cuerpo.
El
equilibrio ácido-básico en la sangre y los tejidos reviste tal importancia que
numerosas funciones biológicas están implicadas en su regulación, incluidos la
respiración, la excreción, la digestión y el metabolismo celular. En la
circulación sanguínea, unas sustancias denominadas tampones actúan químicamente
contra las modificaciones del pH. En la sangre, los compuestos más importantes
son el bicarbonato, la albúmina, la globulina y la hemoglobina.
Los
riñones también reaccionan ante el pH sanguíneo. Si la sangre es demasiado ácido,
estos excretan en la orina el excedente de hidrógeno y retienen el exceso de
sodio. El fósforo, en forma de fosfato, es indispensable para este intercambio.
El organismo lo obtiene de los huesos cuando no está disponible de otro modo.
Cuando la sangre está extremadamente ácida, los riñones utilizan un método
diferentes y excretan en la orina los iones de amonio. Cuando el organismo es
demasiado alcalino, el proceso se invierte para retener los iones de hidrógeno.
Los
pulmones participan también en la regulación del equilibrio ácido-base
eliminando el dióxido de carbono de la sangre. El dióxido de carbono se combina
en el cuerpo con el agua para formar el ácido carbónico, de manera que eliminar
el dióxido de carbono equivale a eliminar el ácido. El ritmo respiratorio puede
variar en función de la acidez del cuerpo, acelerándose en condiciones ácidas
para eliminar el dióxido de carbono y ralentizándose en condiciones alcalinas
para retener los ácidos y reducir la alcalinidad. Al igual que el pH de la circulación
sanguínea se mantiene bajo un estricto control, el entorno ácido-alcalino del
interior de las células también está regulado para mantenerse en unos estrechos
límites. La regulación se puede hacer gracias a unas bombas en las membranas
celulares que permiten que el hidrógeno entra o sale de las células. La mayoría
de estas bombas necesitan fósforo o magnesio para funcionar. La regulación del
pH del interior de las células también puede realizarse mediante modificaciones
de las reacciones químicas que producen cantidades de hidrógeno más o menos
importantes.
Las
proteínas son uno de los amortiguadores más importantes del organismo.
Constituyen
el amortiguador más abundante en el LIC y en el plasma. . La hemoglobina es una
proteína que resulta especialmente eficaz como amortiguador dentro de los
eritrocitos, en tanto que la albúmina constituye la principal proteína
amortiguadora en el plasma.
Como
las proteínas se componen de aminoácidos, contienen al menos un grupo carboxilo
(-COOH) y al menos un grupo amino
(-NH2); estos grupos son los elementos funcionales del sistema amortiguador
proteínico. El grupo carboxilo libre en un extremo de la proteína actúa como
ácido al liberar H+ cuando se eleva el pH. En esta forma el H+ puede reaccionar
con cualquier exceso de OH- que hay en la solución para formar agua.
El
grupo amino libre que se encuentra en el otro extremo de la proteína puede
actuar como base y combinarse con H+ cuando disminuye el pH.
Los grupos amino (- NH2) son los grupos funcionales comunes que contienen nitrógeno. Los grupos amino son básicos, y frecuentemente llegan a ser ionizados por la adición de un ion de hidrógeno (H +), formando grupos amino positivamente cargados (- NH3+).
Un ejemplo muy claro de
las proteínas en un sistema de amortiguación es la albumina:
Sí
se descompensa el equilibrio ácido base renal y respiratorio, la sangre entrara
en acidemia o en alcalemia, según sea el trastorno de fondo. El pH normal de la
sangre es de 7,35 a 7,45.
13- Enumerar los principales sistemas tampones del
organismo:
En general una solución amortiguadora, está
constituida por una mezcla de un electrolito débil (Acido o básico) y una sal
del mismo que actúa como electrolito fuerte, los principales ejemplos son:
14- Explicar por qué el
ácido carbónico - bicarbonato es el principal tampón del organismo:
El
bicarbonato es un tampón fundamental en el organismo y normalmente está
presente en los fluidos biológicos como bicarbonato sódico (siendo el sodio el
principal ion positivo en los fluidos extracelulares). ¿Qué características del
bicarbonato sódico contribuyen a su eficacia como tampón biológico?
A. El ion bicarbonato (HCO3-) se puede combinar
con un protón (H+) para formar ácido carbónico (H2CO3), absorbiendo así
protones de la disolución y elevando el pH sanguíneo.
B. El ácido carbónico, que se puede formar a
partir de CO2 y agua, puede disociarse en H+ y HCO3- para proporcionar H+ y
bajar el pH sanguíneo.
C. El ácido carbónico, que se puede formar a
partir del bicarbonato, se convierte en CO2 y agua mediante una reacción
enzimática muy rápida.
D. El
CO2, por ser volátil, puede ser rápidamente eliminado del organismo en
cantidades variables mediante la respiración.
15- Explicar la fórmula de Henderson-Hasselbalch
y explicar la utilidad de la misma en los procesos biológicos:
Una expresión sencilla relaciona pH, pK y
concentración de tampón.
Las curvas de
titulación del ácido acético, H2PO4 y NH4+, tienen formas casi idénticas, lo
que sugiere que son reflejo de una ley o relación fundamental, el cual es
efectivamente el caso. La forma de la curva de titulación de cualquier acido
débil está expresada por la ecuación Henderson-Haseel-balch, que es importante
para comprender la acción de los tampones y el equilibrio acido base en la
sangre y tejidos de los vertebrados. Esta ecuación es simplemente una forma
útil de renunciar la expresión de la Ka de un ácido. En el caso de la
disociación de un ácido débil HA en H+ y A-, la ecuación puede deducirse de la
siguiente forma:
Esta ecuación se ajusta a la curva de
titulación de todos los ácidos débiles y nos permite deducir una serie de
relaciones cuantitativas importantes. Por ejemplo, muestra por qué el pKa de un
ácido débil es igual al pH de la solución en el punto medio de su titulación. Y
de ahí
La
ecuación de H-H también permite:
A)
Calcular el pKa a partir del pH y la relación molar entre dador y aceptor de
protones
B)
calcular el pH a partir del PKa y la relación molar entre HA y A-
C)
calcular la relación molar entre dador y aceptor de protones, conocidos el pH y
el Pka.
Conclusión
Las propiedades del agua permiten beneficiar esta molécula
para algunas funciones de todos los seres vivos. El agua es un disolvente polar
universal: debido a su elevada constante dieléctrica, es el mejor disolvente
para todas aquellas moléculas polares. Aunque para moléculas apolares no hay
disolución en agua. Esta propiedad, podría señalarse como la más importante
para la vida, Por lo tanto esta capacidad de disolvente es la responsable de
dos funciones importantes para los seres vivos: es el medio en que transcurren
las mayorías de las reacciones del metabolismo, y el aporte de nutrientes y la
eliminación de desechos metabólicos que se realizan a través de sistemas de
transporte acuosos. También las moléculas de agua pueden disolver a sustancias
salinas que se disocian formando disoluciones iónicas.
El agua también es el lugar donde se realizan reacciones
químicas; a ser un buen disolvente, por su elevada constante dieléctrica, y
debido a su bajo grado de ionización. Posee una función estructural: por su
elevada cohesión molecular, el agua confiere estructura, volumen y resistencia.
Cumple función amortiguadora: debido a su elevada cohesión molecular, el agua
sirve como lubricante entre estructuras que friccionan y evita el rozamiento.
Es termorreguladora; al tener un alto calor específico y un alto calor de
vaporización el agua es un material idóneo para mantener constante la
temperatura, absorbiendo el exceso de calor o cediendo energía si es necesario.
“No existe proceso
vital alguno que pueda concebirse independientemente de la participación
directa o indirecta del agua”.
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