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Agua y pH El agua como solvente. Producto iónico del agua. Conceptos y significado de pH, Ka, Kb, pKa y pKb. Ecuación de Henderson –Hasselbach y pH. Acidosis y alcalosis. Soluciones amortiguadoras y cálculos.
BIO005 2° SEMESTRE 2015SESIONES 2 - 3
Dr. Jorge Vera Garcés
Aprendizajes esperados
Reconocer y aplicar los conceptos y mecanismos químicos básicos
asociados al equilibrio ácido-base en sistemas acuosos.
EL AGUA
Constituye cerca del 70% en peso de los seres vivos (de manera similar a nuestro
planeta).
Cadena respiratoria: se forma a partir del O2 como aceptor de electrones.
Agua como reactante Participa en las reacciones de hidrólisis: ruptura de
algunos enlaces covalentes de macromoléculas (enlace peptídico, glicosídico, éster, etc).
Adición en los dobles enlaces: con la formación de un grupo funcional alcohol (-OH).
Fotosíntesis: repone los electrones que se utilizan en la síntesis de sustancias orgánicas.
PUNTO DE FUSIÓN (°c)
PUNTO DE EBULLICIÓN
(°c)
¿ Qué Propiedades Físicas y Químicas le confieren estas
características al agua?
• Su estructura tridimensional
Espacialmente, la molécula de H2O es un tetraedro irregular
• Polaridad del enlace O – H
El núcleo del O es más electronegativo que los H, por lo tanto, el O atrae con mayor fuerza a los electrones del enlace covalente O – H.
Esto hace que cada H sea más básico que lo normal (deficiente de electrones, electrófilos) y permite que puedan ser compartidos con átomos más nucleofílicos.
• Polaridad del enlace O – H
Por lo tanto, la molécula de agua adquiere un CARÁCTER DIPOLAR (Dipolo) y pueda formar: Puentes de Hidrógeno
Cada H parcialmente positivo es
estabilizado por un O
parcialmente negativo.
Las fuerzas de atracción que se forman entre las moléculas de agua dan cuenta de sus propiedades de solvente universal.
Su capacidad de ionizarse tiene importancia en la estructura y propiedades de las biomoléculas.
Características del Agua
Producto de Ionización del agua
H2O H+ + OH-
H+ + H2O H30+
• El agua se comporta como ácido y como base.• Genera tanto H+ como OH-.• Se trata entonces de una sustancia anfótera o
anfolito.
1 x 10-7 moles (1 mol = 6,023x1023 moléculas) de agua se encuentran disociados en:
H2O H+ + OH-
H+ + H2O H30+
CONSTANTE DE IONIZACIÓN DEL AGUA
En condiciones estándar, en un litro de agua siempre hay 1 x 10-7 moles de H+ y de OH-
1,0 x 10-14
pH = - log 1x 10-7
pH = 7
Como pH = - log H+
Entonces
• Los ácidos disminuyen el pH debido a que entregan iones H+ y, por lo tanto, iones hidronio al medio:
HA + H2O H30+ + A-
• Las bases aumentan el pH debido a que captan iones H+ y, por lo tanto, disminuyen los iones hidronio del medio:
HOB + H3O+ 2H2O + B+
Si el pH < 7 la disolución es ácida
Si el pH = 7 la disolución es neutra
Si el pH > 7 la disolución es básica
pH Y CAPACIDAD TAMPONANTE
DEL ORGANISMOEl pH afecta la estructura y actividad
biológica de macromoléculas.
Sistemas amortiguadores o tamponantes del pH fisiológico:
• Sistema bicarbonato: en la sangre: HCO3- / H2CO3
• Proteínas plasmáticas: sus aminoácidos contribuyen con sus grupos ionizables disponibles.
• Hemoglobina: sus aminoácidos contribuyen con sus grupos ionizables disponibles.
• Sistema fosfato: en el citoplasma: HPO4-2 / H2PO4
-1
Proteínas plasmáticas: albúmina, hemoglobina
El pH al cual el 50% de un grupo aceptor o dador de H+ se encuentra ionizado (con carga) se denomina pK
Si es un grupo ácido se denomina pKaSi es un grupo básico se denomina pKb
Aminoácidos cuyos grupos R cambian de estado iónico según el pH
Para un ácido que se disocia parcialmente, se cumple que:
Ka: Constante de acidez
El significado biológico de pKa y pKb
El valor de pKa de un grupo ácido o el valor de pKb de un grupo básico tienen implicancias importantes a nivel de macromoléculas. Sus valores representan un pH en el cual existen concentraciones equimolares de la sustancia involucrada en sus estados ionizado y no ionizado.
Si [A-] = [AH]
Para una reacción AH H+ + A-
Ec. Henderson - Hasselbach
El significado biológico de pKa y pKb
Conociendo el valor de pKa de un grupo ácido o el valor de pKb de un grupo básico presente en una macromolécula (proteínas, fármacos etc) se puede determinar qué carga neta tendrá esa macromolécula.
La presencia de una carga neta en una macromolécula tiene incidencia en sus mecanismos de transporte a través de una membrana.
Ejemplo: aspirina
El significado biológico de pKa y pKb
Ácido Acetilsalicílico
pKa: 3,5 a 25ºC
• pH gástrico: 2,0
• pH duodenal: 6,5
¿Dónde se absorberá en mayor cantidad por difusión pasiva?
¿En el estómago o en el intestino?
El significado biológico de pKa y pKb
2 = 3,5 + log ([A-]/[AH])
En el estómago:
-1,5 = log ([A-]/[AH])
0,032 [AH] = [A-]
Esta relación entre las concentraciones de las dos especies indica que hay mucho más cantidad de la especie neutra que la ionizada.
El significado biológico de pKa y pKb
6,5 = 3,5 + log ([A-]/[AH])
En el duodeno:
3 = log ([A-]/[AH])
1000 [AH] = [A-]
En cambio, en el duodeno hay una mayor concentración de la especie ionizada.
El significado biológico de pKa y pKb
Por lo tanto:
Si en el estómago hay más AAS que AAS-
y en el duodeno hay más AAS- que AAS¿Dónde se absorberá en mayor cantidad?
Respuesta: En el estómago, porque a pH = 2,0 hay una mayor cantidad de aspirina con carga neta cero
(especie neutra) y se favorece su difusión pasiva.
Sistema bicarbonato en sangre
Cuando la [H+] aumenta en sangre por
En condiciones de ACIDOSIS
(pH sangre < 7,4)
El tampón bicarbonato ajusta el pH sanguíneo
Causas metabólicas: acidosis metabólica
Causas respiratorias: acidosis respiratoria
La acidosis metabólica ocurre cuando se produce demasiado ácido en el organismo o no se elimina suficiente ácido del cuerpo por los riñones. La acidosis diabética (también llamada cetoacidosis diabética o CAD) se presenta cuando sustancias conocidas como cuerpos cetónicos, que son ácidos, se acumulan durante la diabetes tipo 1 no controlada. La acidosis hiperclorémica resulta de la excesiva pérdida de bicarbonato de sodio del cuerpo, como puede suceder con la diarrea intensa. La acidosis láctica es una acumulación de ácido láctico en músculo. Ingesta de alcohol, hipoglicemia, algunos salicilatos.
H2O + CO2 H2CO3 HCO3-
+ H+AUMENTO
DE LA ABSORCIÓN RENAL
AUMENTO DE LA
FRECUENCIA
RESPIRATORIA
En condiciones de ACIDOSIS
(pH sangre < 7,4)
En condiciones de ALCALOSIS
(pH sangre > 7,4)
Cuando la [H+] disminuye en sangre por
Causas metabólicas: alcalosis metabólica
Causas respiratorias: alcalosis respiratoria
El tampón bicarbonato ajusta el pH sanguíneo
La alcalosis metabólica ocurre cuando se producen demasiados compuestos alcalinos en el organismo o se elimina insuficientemente el bicarbonato del cuerpo por los riñones. La alcalosis hipoclorémica (baja concentración del ion cloro en el plasma sanguíneo) es aquella causada por una deficiencia o pérdida extrema de cloruro (que puede ser debido a vómitos persistentes). En esos casos, los riñones compensan la pérdida de cloruros mediante la conservación de bicarbonato.La alcalosis hipopotasémica se debe a la reacción del riñón a una deficiencia o pérdida extrema de potasio que puede ser provocada por el uso de algunos medicamentos diuréticos.
H2O + CO2 H2CO3 HCO3-
+ H+
En condiciones de ALCALOSIS
(pH sangre > 7,4)
AUMENTO DE LA
EXCRECIÓN RENAL
DISMINUCIÓN DE LA
FRECUENCIA RESPIRATOR
IA
Máxima capacidad amortiguadorade un sistema tampón
Ejemplo:Ácido acético/acetato
Un tampón o buffer es una sistema acuoso que resiste pequeños cambios en su pH cuando iones H+ o iones OH- le son agregados. Está formado por un ácido débil y su base conjugada.
