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Análisis Bioquímicos Modelo Académico de Calidad para la Competitividad.

Análisis Bioquímicos

Q. F. B. María Elena Nava Herrera

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Análisis Bioquímicos Modelo Académico de Calidad para la Competitividad.

Colegio de Educación Profesional Técnica del Estado de Puebla.

Plantel Puebla II.

CARRERA PT-B QUÍMICA INDUSTRIAL.

Tercer Semestre.

Q. F. B. María Elena Nava Herrera

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Análisis Bioquímicos Modelo Académico de Calidad para la Competitividad.

Unidad de aprendizaje 1: Análisis de las biomoléculas y el agua en los procesos bioquímicos.

Propósito de la unidad: Identificará las funciones, reacciones y estructuras de las diferentes biomoléculas y el agua que conforman la célula mediante los procedimientos específicos, para interpretar los procesos metabólicos industriales y en los seres vivos.

Resultado de aprendizaje: 1.2 Determina las propiedades físicas, químicas y biológicas del agua mediante pruebas analíticas para interpretar su comportamiento en seres vivos y en procesos bioquímicos industriales.

A. Identificación de la estructura molecular del agua.

El agua es esencial para todas las formas de vida. Es el constituyente principal de todos los organismos vivos, casi siempre más de 95% de su peso. Su importancia se debe a su amplia distribución aunada a su capacidad para transportar iones y moléculas pequeñas en solución, e inclusive, gases como oxígeno y dióxido de carbono, y moléculas orgánicas grandes en suspensión, como las proteínas, lo que permite que dichas moléculas interaccionen y realicen las funciones necesarias de un organismo vivo, ya sea por difusión simple, por transporte activo a través de membranas celulares o por transporte masivo.

En la molécula de agua, el ángulo de enlace H-O-H es de 104.5, y las otras posiciones casi tetraédricas las ocupan “pares libres” de electrones. Cada molécula de agua puede utilizarlos para formar enlaces de hidrógeno, de manera que las moléculas de agua puedan unirse como en el hielo.

Los átomos de hidrógeno de la molécula de agua se localizan en dos vértices del tetraedro, mientras que los dos pares de electrones de oxígeno que no participan en el enlace se localizan en los otros dos vértices.

Debido a la naturaleza iónica parcial de los enlaces H-O, el átomo de oxígeno posee una carga negativa, y el átomo de hidrógeno, una positiva, lo que ocasiona que la molécula de agua tenga un dipolo permanente, razón por la cual se le atribuye en forma directa la capacidad del agua para disolver sólidos iónicos. Un ion que originalmente se conservaba en la red mediante fuerzas electrostáticas, podrá moverse o pasar hacia una solución, siendo atraído por la parte con carga opuesta de una molécula de agua. Una vez que el ion se encuentra en solución, otras moléculas de agua se agrupan en torno a dicho ion, y la consecuencia es que los iones del sólido, tanto con carga positiva como negativa pueden entrar en solución, y son protegidos y separados por las moléculas de agua. Sin embargo, es conveniente mencionar que no todos los iones inorgánicos son hidrosolubles.

El agua disuelve muchas sales cristalinas al hidratar sus componentes. El NaCl en estado cristalino se disuelve en agua, separando sus iones cloruro (Cl-) y sodio (Na+), lo cual da lugar a los iones hidratados.

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El agua es también un muy buen solvente para una clase de moléculas orgánicas que no se ionizan, como azúcares, alcoholes, aminas y cetonas. La razón por la que estas sustancias pueden disolverse en agua es que contienen grupos C=O, -OH y -NH2 que pueden formar enlaces de hidrógeno con moléculas de agua.

Cuando los compuestos biológicamente importantes no son hidrosolubles o miscibles, son necesarias disposiciones especiales, como la emulsificación de grasas durante la digestión y su transporte en sangre y linfa.

COMPOSICIÓN Debido a su capacidad de disolver numerosas sustancias en grandes cantidades, el agua pura casi no existe en la naturaleza.

Durante la condensación y precipitación, la lluvia o la nieve absorben de la atmósfera cantidades variables de dióxido de carbono y otros gases, así como pequeñas cantidades de material orgánico e inorgánico.

Además, la precipitación deposita lluvia radiactiva en la superficie de la Tierra.

En su circulación por encima y a través de la corteza terrestre, el agua reacciona con los minerales del suelo y de las rocas. Los principales componentes disueltos en el agua superficial y subterránea son los sulfatos, los cloruros, los bicarbonatos de sodio y potasio, y los óxidos de calcio y magnesio. Las aguas de la superficie suelen contener también residuos domésticos e industriales. Las aguas subterráneas poco profundas pueden contener grandes cantidades de compuestos de nitrógeno y de cloruros, derivados de los desechos humanos y animales. Generalmente, las aguas de los pozos profundos sólo contienen minerales en disolución. Casi todos los suministros de agua potable natural contienen fluoruros en cantidades variables.

Se ha demostrado que una proporción adecuada de fluoruros en el agua potable reduce las caries LOS ÁCIDOS, LAS BASES Y EL pH Los ácidos y las bases son dos tipos de compuestos químicos que presentan características opuestas. Los ácidos tienen un sabor agrio, colorean de rojo el tornasol (tinte rosa que se obtiene de determinados líquenes) y reaccionan con ciertos metales desprendiendo hidrógeno. Las bases tienen sabor amargo, colorean el tornasol de azul y tienen tacto jabonoso. Cuando se combina una disolución acuosa de un ácido con otra de una base, tiene lugar una reacción de neutralización. Esta reacción en la que, generalmente, se forman agua y sal, es muy rápida. Así, el ácido sulfúrico (H2SO4) y el hidróxido de sodio (NaOH), producen agua y sulfato de sodio: H2SO4 + 2 NaOH



2H2O + Na2SO4

La fuerza de un ácido se puede medir por su grado de disociación al transferir un protón al agua, produciendo el ion hidronio, H3O+. De igual modo, la fuerza de una base vendrá dada por su grado de aceptación de un protón del agua. Puede establecerse una escala apropiada de ácido-base según la cantidad de H3O+ formada en disoluciones acuosas de ácidos, o de la cantidad de OH - en disoluciones acuosas de bases. En el primer caso tendremos una escala pH, y en el segundo una escala pOH. El valor de pH es igual al logaritmo negativo de la concentración de ion hidronio y el de pOH al de la concentración de ion hidroxilo en una disolución acuosa: pH = -log [H3O+]

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pOH = -log [OH-]

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El agua pura tiene un pH de 7,0; al añadirle ácido, la concentración de ion hidronio, [H3O+] aumenta respecto a la del agua pura, y el pH baja de 7,0 según la fuerza del ácido. El pOH del agua pura también es de 7,0, y, en presencia de una base alcanza valores por arriba de 7,0.

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Valores de pH de algunas sustancias

La medición del pH es uno de los procedimientos más usados en un laboratorio de bioquímica. Debido a que el pH modifica la estructura y función de las macromoléculas biológicas, la cuantificación del pH se usa como apoyo del diagnóstico en medicina, al medirse en sangre, orina, saliva y otros líquidos biológicos.

AMORTIGUADORES La función de un amortiguador es reducir al mínimo los cambios en la concentración de iones hidrógeno y, por lo tanto, también en la concentración de iones hidroxilo, cuando se agregan pequeñas cantidades de ácidos o bases. Para describir un sistema amortiguador se requieren dos parámetros independientes: el primero es el pH de la solución amortiguadora, el cual indica la región de concentración del ion hidrógeno en la cual se efectúa el efecto amortiguador (alrededor de 1 unidad de pH del amortiguador); y el segundo, la capacidad amortiguadora, es decir, la capacidad de resistir la adición de ácido o base con poco cambio en el pH, lo que se relaciona de manera directa con la concentración de todos los constituyentes del amortiguador.

Un amortiguador puede prepararse a partir de concentraciones casi iguales de un ácido débil y su sal con una base fuerte; o en forma alterna, usando concentraciones casi iguales de una base débil y la sal de esa base débil. La primera forma es mucho más común y puede ejemplificarse con una solución que contenga 0.1 moles /Lt. de ácido acético y 0.1 moles por Lt. de acetato de sodio; siendo la base fuerte el hidróxido de sodio. Esta solución constituye un sistema amortiguador 0.2 molar. El mecanismo amortiguador puede entenderse considerando las interacciones y el equilibrio de los iones y las moléculas en solución. El acetato de sodio, siendo una sal, se disocia por completo para producir 0.1 moles / lt de Na + y 0.1 moles / lt de Acde acuerdo a la ecuación:

NaAc



Na+

+

Ac-

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Por otro lado el ácido acético, siendo un ácido débil, se disocia poco, por lo general a 0.01%; por lo tanto el equilibrio: HAc



Ac-

+

H+

4

Se desplazará hacia la izquierda. El otro equilibrio que debe considerarse es el del agua:

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H2O



H+

+

OH-

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Que también se desplazará hacia la izquierda. La adición de unas gotas de ácido clorhídrico 0.1M liberará un gran número de iones hidrógeno, pero la mayor parte reaccionarán con los iones acetato de acuerdo a la ecuación 4, en donde el equilibrio se desplazará aún más hacia la izquierda. Sin embargo no habrá déficit de iones acetato que reaccionen con los iones hidrógeno adicionales, debido a la completa disociación de acetato de sodio, de acuerdo a la ecuación 3. En este sentido es importante tomar en cuenta los órdenes relativos de magnitud de los iones que participan: habrá alrededor de 1/10 moles de ion acetato (para un litro de solución), mientras que una gota de HCl 0.1 M puede contener alrededor de 10 -5 moles de ion hidrógeno, los cuales a pesar de ser muy pocos en comparación con el acetato presente, se sumarán en forma importante a los 2 x 10 –5 moles de hidrógeno ya presentes en el pH de 4.7 (el pH del amortiguador).

En realidad lo que sucede es que los iones hidrógeno agregados, son captados casi en su totalidad por el exceso de iones acetato, de manera que la disminución en el pH será bastante pequeña. Por otro lado, si se agregan algunas gotas de una base, los iones hidroxilo que se liberan en la solución reaccionarán con los iones hidrógeno de acuerdo a la ecuación 5. La reposición de estos iones se efectúa gracias a la poca ionización del ácido acético dada por la ecuación 4. Hay una cantidad suficiente de ácido no disociado, porque siendo un ácido débil, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda.

B. Determinación delas propiedades del agua.

Propiedades del agua El agua tiene propiedades especiales, derivadas de su singular estructura. Estas propiedades son: Análisis Propiedades físicas  Alto calor específico: para aumentar la temperatura del agua un grado centígrado es necesario comunicarle mucha energía para poder romper los puentes de Hidrógeno que se generan entre las moléculas. Su calor específico es de 1 cal/g  Capacidad Calorífica: Su capacidad calorífica es superior a la de cualquier otro líquido o sólido. Esto significa que una masa de agua puede absorber o desprender grandes cantidades de calor, sin experimentar apenas cambios de temperatura, Esto tiene gran influencia en el clima (las grandes masas de agua de los océanos tardan más tiempo en calentarse y enfriarse que el suelo terrestre).     



Alto calor de vaporización: el agua absorbe mucha energía cuando pasa de estado líquido a gaseoso.

Alta tensión superficial: las moléculas de agua están muy cohesionadas por acción de los puentes de Hidrógeno. Esto produce una película de agua en la zona de contacto del agua con el aire. Como las moléculas de agua están tan juntas el agua es incompresible.

Capilaridad: el agua tiene capacidad de ascender por las paredes de un capilar debido a la elevada cohesión molecular.

Alta constante dieléctrica: la mayor parte de las moléculas de agua forman un dipolo, con un diferencial de carga negativo y un diferencial de carga positivo.

Bajo grado de ionización: la mayor parte de las moléculas de agua no están disociadas. Sólo un reducido número de moléculas sufre disociación, generando iones positivos (H +) e iones negativos (OH-). En el agua pura, a 25ºC, sólo una molécula de cada 10.000.000 está disociada, por lo que la concentración de H+ es de 10-7. Por esto, el pH del agua pura es igual a 7.

La densidad del agua: en estado líquido, el agua es más densa que en estado sólido. Por ello, el hielo flota en el agua. Esto es debido a que los puentes de Hidrógeno formados a temperaturas bajo cero unen a las moléculas de agua ocupando mayor volumen conformando una estructura cristalina poco compacta pero rígida. En el estado gaseoso o de vapor el agua presenta la mayor separación entre moléculas. En el estado líquido las moléculas se encuentran más comprimidas, cuando la temperatura es de 4 ºC (máxima densidad).

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



Turbiedad: La turbidez es la expresión de la propiedad óptica de la muestra que causa que los rayos de luz sean dispersados y absorbidos en lugar de ser transmitidos en línea recta a través de la muestra.

La turbiedad en el agua puede ser causada por la presencia de partículas suspendidas y disueltas: Gases, Líquidos, Sólidos tanto orgánicos como inorgánicos, con un ámbito de tamaños desde el coloidal hasta partículas macroscópicas, dependiendo del grado de turbulencia.

En los lagos la turbiedad es debida a dispersiones extremadamente finas y coloidales, en los ríos, es debido a dispersiones normales. La eliminación de la turbiedad, se lleva a cabo mediante procesos de coagulación, asentamiento y filtración.

La medición de la turbiedad, en una manera rápida que nos sirve para saber cuándo, cómo y hasta qué punto debemos tratar el agua para que cumpla con la especificación requerida. La turbiedad es de importante consideración en las aguas para abastecimiento público por tres razones: o Estética: Cualquier turbiedad en el agua para beber, produce en el consumidor un rechazo inmediato y pocos deseos de ingerirla y utilizarla en sus alimentos. o Filtrabilidad: La filtración del agua se vuelve más difícil y aumenta su costo al aumentar la turbiedad. o Desinfección: Un valor alto de la turbidez, es una indicación de la probable presencia de materia orgánica y microorganismos que van a aumentar la cantidad de cloro u ozono que se utilizan para la desinfección de las aguas para abastecimiento de agua potable.

El límite máximo permisible en el agua potable es de 10 NTU (unidades de turbidez nefelométricas)

Propiedades químicas Puede intervenir como reactivo en reacciones del metabolismo, aportando hidrogeniones (H30+) o hidroxilos (OH-) al medio.

El agua pura tiene la capacidad de disociarse en iones, por lo que en realidad se puede considerar una mezcla de: Q. F. B. María Elena Nava Herrera

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  

Agua molecular (H2O) Protones hidratados (H3O) e Iones hidroxilo (OH-)

En realidad esta disociación es muy débil en el agua pura, y así el producto iónico del agua a 25º es:

Este producto iónico es constante. Como en el agua pura la concentración de hidrogeniones y de hidroxilos es la misma, significa que la concentración de hidrogeniones es de 1 x 10 -7. Para simplificar los cálculos Sörensen ideó expresar dichas concentraciones utilizando logaritmos, y así definió el pH como el logaritmo decimal cambiado de signo de la concentración de hidrogeniones.

Según esto:  Disolución neutra pH = 7  Disolución ácida pH < 7  Disolución básica pH =7 En párrafos previos se describieron los conceptos correspondientes.

Los organismos vivos no soportan variaciones del pH mayores de unas décimas de unidad y por eso han desarrollado a lo largo de la evolución sistemas de tampón o buffer, que mantienen el pH constante. Los sistemas tampón consisten en un par ácido-base conjugada que actúan como dador y aceptor de protones respectivamente. El tampón bicarbonato es común en los líquidos intercelulares, mantiene el pH en valores próximos a 7,4, gracias al equilibrio entre el ión bicarbonato y el ácido carbónico, que a su vez se disocia en dióxido de carbono y agua:

Si aumenta la concentración de hidrogeniones en el medio por cualquier proceso químico, el equilibrio se desplaza a la derecha y se elimina al exterior el exceso de CO2 producido. Si por el contrario disminuye la concentración de hidrogeniones del medio, el equilibrio se desplaza a la izquierda, para lo cual se toma CO 2 del medio exterior.

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El agua está formada por una molécula de tipo polar, forma enlaces puente de hidrógeno, carece de carga neta, pero en un campo magnético se orienta rápidamente. Su pH=7, es decir que hay igual número de H+ y de OH

DUREZA DEL AGUA: Es una característica química del agua que está determinada por el contenido de carbonatos, bicarbonatos, cloruros, sulfatos y ocasionalmente nitratos de calcio y magnesio. La dureza es indeseable en algunos procesos, tales como el lavado doméstico e industrial, provocando que se consuma más jabón, al producirse sales insolubles.

Importancia biológica del agua Las propiedades del agua permiten aprovechar esta molécula para algunas funciones para los seres vivos.

Estas funciones son las siguientes:  Disolvente polar universal: el agua, debido a su elevada constante dieléctrica, es el mejor disolvente para todas aquellas moléculas polares. Sin embargo, moléculas apolares no se disuelven en el agua.  Lugar donde se realizan reacciones químicas: debido a ser un buen disolvente, por su elevada constante dieléctrica, y debido a su bajo grado de ionización.  Función estructural: por su elevada cohesión molecular, el agua confiere estructura, volumen y resistencia.  Función de transporte: por ser un buen disolvente, debido a su elevada constante dieléctrica, y por poder ascender por las paredes de un capilar, gracias a la elevada cohesión entre sus moléculas, los seres vivos utilizan el agua como medio de transporte por su interior.  Función amortiguadora: debido a su elevada cohesión molecular, el agua sirve como lubricante entre estructuras que friccionan y evita el rozamiento.  Función 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.

Propiedades biológicas del agua Es considerada el solvente universal y en ella se llevan a cabo importantes funciones de los seres vivos: es el medio donde se producen las reacciones del metabolismo celular; es la base de dos sistemas de transporte de nutrientes y de productos de desecho más extendidos entre los seres vivos: constituye la sangre en animales y la savia en las plantas superiores.

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COHESIÓN Al ser el agua un líquido incompresible, puede actuar como esqueleto hidrostático en algunos animales, de los que se muestran ejemplos a ambos lados de estas líneas.

ADHESIÓN Gracias a esta propiedad, que está relacionada con la presencia de: Puentes de hidrógeno alguno seres vivos como las plantas pueden hacer circular las sales minerales y el mismo agua en contra de la fuerza de la gravedad y ascender desde las raíces a las hojas (savia bruta).

CAMBIOS DE ESTADO El agua pasa del estado líquido al sólido, y por tanto se convierte en hielo, a los 4ºC, esto permite que los océanos, los lagos y los ríos se congelen empezando por la superficie, y la capa de hielo que se forma protege a los seres vivos que habitan dichas aguas.

El agua del fondo queda resguardada del frío exterior, presentando temperaturas de entre 4 y 5ºC, lo que permite la supervivencia de ciertas, especies, esto lo saben también los esquimales y se aprovechan de ello para construir sus Iglúes.

REFERENCIA DOCUMENTAL: 1. Williams, R.A.D.; Elliot, J.C.; Bioquímica Dental Básica y Aplicada. Edit. Manual Moderno.

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9. Asesor Interactivo del Estudiante. Grupo Océano. España. 2005 Q. F. B. María Elena Nava Herrera

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Biología II. Guía para el alumno. Universidad Autónoma de Puebla. 2004 Biología Moderna. Raúl N. Ondarza. Editorial Trillas, S. A. de C. V. 8ª edición. México 1991 Ionización del agua. Imagen recuperada de http://image.slidesharecdn.com/aguayph-140813212652phpapp02/95/agua-y-ph-24-638.jpg?cb=1407965576 13. Reacción química. Imagen recuperada de http://laquimicaesfacil3abcd.blogspot.mx/2013/05/repasomensual.html?view=classic 14. Determinación de dureza del agua.

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