La Molécula de Agua en Relación con las Biomoléculas
Una vez estudiado el tema relativo al agua deberías
• Conocer:– Las propiedades básicas de la molécula de agua.– En qué condiciones se forman enlaces de hidrógeno.
• Entender:– Por qué se produce el efecto hidrofóbico y qué son las interacciones de van
der Waals.– La influencia que ejerce el agua, debido a sus propiedades, sobre las
biomoléculas.– Por qué se forman espontáneamente las bicapas en un entorno acuoso.
• Ser capaz de:– Predecir el pH de una disolución que contenga un ácido débil.– Preparar (teóricamente) una disolución que mantenga un valor de pH
constante y conocido.
BIBLIOGRAFIA DEL TEMA:
• Capítulo 2 de "Bioquímica" por Mathews y van Holde (Ahern)
• Capítulo 2 de "Bioquímica" por Voet y Voet
• Captítulo 2 de “Principios de Bioquímica Lehninger" por Nelson y Cox
AGUADISOLUCIONES REGULADORAS DE pH
1. IMPORTANCIA DEL AGUA EN LOS SERES VIVOS.
2. PROPIEDADES DEL AGUA.
3. ESTRUCTURA DE LA MOLÉCULA DE AGUA.
4. ENLACES DE HIDRÓGENO. ESTRUCTURA DEL HIELO.
5. INTERACCIONES SOLUTO‑AGUA.
6. H2O COMO NUCLEÓFILO. REACCIONES DE
HIDRÓLISIS.
7. DISOCIACIÓN DEL AGUA. SALTOS PROTÓNICOS.
El H2O cubre cerca del 71% de la superficie terrestre
1. IMPORTANCIA DEL AGUA EN LOS SERES VIVOS
Constituye 60-90 % en peso de los seres vivos
Disolvente de la mayoría de sustancias en los organismos
Sus propiedades condicionan el comportamiento de las biomoléculas
Participa en reacciones químicas (p.ej. hidrólisis, reacciones ácido-base...)
Las propiedades físicas del agua también son importantes para los seres vivos
• El agua puede actuar como:– Lubricante, facilitando movimientos– Agente protector frente a daños mecánicos– Regulador de la temperatura
Algunas propiedades sorprendentes del agua
…El zapatero (Hydrometra stagnorum) pueda desplazarse sobre el agua?
¿Cómo explicas que …
…El agua sobre determinadas superficies mantenga una disposición esférica?
¿Y que …
Por otra parte, el agua tiene
un elevado punto de ebullición (100oC a nivel del mar)
-100
-50
0
50
100
150
0 40 80 120 160
Punto de ebullición de algunos hidruros del grupo XVI
H2TeH2Se
H2S
H2O
¡H2O debería estar aquí!
oC
Peso molecular
La densidad del H2O disminuye cuando se congela
The only known photograph of the iceberg believed to have sunk the Titanic
Fotografía del iceberg que supuestamente hundió al Titanic
¿Cómo explicas que la densidad del agua cambie de unaforma extraña con la temperatura?
Movilidad iónicaa en H2O a 25°C.
Por otra parte, el agua pura no conduce la electricidad, peroFíjate en la elevada movilidad de los protones y de OH- en agua
2. EL AGUA PRESENTA VALORES ELEVADOS DE:
2.1 TENSIÓN SUPERFICIAL
2.2 CALOR DE VAPORIZACIÓN, (también de fusión y punto de ebullición)
2.3 CONSTANTE DIELÉCTRICA
2.4 MOVILIDAD DE H+
En otras palabras,
H2O Molécula de referencia
Calor de fusión (cal/g)
80 16.7 para H2S
Cte. Dieléctrica 8032.6 metanol (H3COH)
ó 1.9 hexano
Tensión superficial (dinas/cm)
7222.3 etanol
465 mercurio
Movilidad de protones(cm2 V-1 s-1) 362.4x10-5
51.9x10-5 para Na+
ó 40.1x10-5 Li+
…Para explicar estas propiedades del agua es necesario conocer su estructura
3. ESTRUCTURA DE LA MOLÉCULA DE AGUA
La molécula de Agua posee enlaces Covalentes Polares
1S2 2S2 2P4
1S1
En la molécula de agua, dos orbitales contienen electrones sin compartir
El oxígeno forma orbitales híbridos SP3
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Estructura de la molécula de agua.
La distribución de cargas es asimétrica en la molécula de agua
El O es mucho más electronegativo que el H
el enlace O-H tieneun 33% de carácter iónico
Tomada deLehninger Principles of BiochemistryNelson D.L. And Cox M.M..3rd Ed. Worth PublishersEstructura de la molécula de agua
Al ser asimétrica la molécula de agua, se comporta como un dipolo
El agua es el disolvente mayoritario en los seres vivos: interacciona
favorablemente con la mayoría de las biomoléculas.
La molécula de agua es un dipolo en el que el átomo de oxígeno
posee densidad de carga negativa
4. ENLACES DE HIDRÓGENO:
una consecuencia de la estructura de algunas moléculas polares.
Dos moléculas polares pueden formar enlaces de este tipo entre sí,al menos una, contiene hidrógeno, y la otra posee pares electrónicos sin compartir
Los enlaces de hidrógeno:
• Son mucho más débiles que los enlaces covalentes (aprox. 4 Kcal/mol frente a aprox. 110 Kcal/mol)
• Suponen cierta compartición de electrones (10% de carácter covalente)
• Son direccionales (la geometría es importante)
•Los enlaces de hidrógeno explican la alta cohesión de las moléculas de agua.
•En el agua líquida, cada molécula forma un promedio de 3.4 enlaces de hidrógeno
En la superficie del agua la resultante de las fuerzas atractivas es distinta que en el interior del líquido
Las moléculas de agua interaccionan de manera débil con las del aire
El agua posee elevado calor específico
• Esta propiedad se debe a la gran cantidad de enlaces de hidrógeno que forma.
• Esta propiedad nos ayuda a mantener la temperatura corporal constante. También disminuye las fluctuaciones de temperatura en nuestro planeta.
Calor específico es la cantidad de calor necesaria para elevar en un gradola temperatura de un gramo de una sustancia determinada
La estructura del agua cambia cuando se forma hielo
Mientras en el agua líquida la estructura fluctúa rápidamente (vida media corta de cada enlace de H),
en el hielo la estructura es más estable y abierta: menos densa
http://sebbm.bq.ub.es/BioROM/contenido/biomodel/biomodel-misc/anim/agua/agua.html
http://web.educastur.princast.es/ies/salinas/recursos/Equimico.htm
Cada molécula de agua puede formar enlaces de hidrógeno con otras cuatro.
Esto ocurre en el hielo
Estructura básica del hielo: cada molécula de agua está enlazadade manera estable con otras cuatro, formando un tetraedro
Sin embargo, en el agua líquidacada molécula se une portérmino medio a otras 3.4
Los enlaces de hidrógeno se forman entre distintas biomoléculas polares y entre éstas y el agua.
Todos estos enlaces son de gran importancia tanto en la estructura como en la función de la materia viva.
La proximidad de moléculas de aguaPropicia losSaltos protónicos
Tomada deLehninger Principles of BiochemistryNelson D.L. And Cox M.M..3rd Ed. Worth Publishers
Salto protónico
Los saltos protónicos explican la elevada movilidad de los protones en agua
Cada enlace tiene un momento dipolar μ que es una magnitud vectorial
“La electronegatividad es una medida de fuerza de atracción que ejerce un átomo sobre los electrones de otro, en un enlace químico”
Cada enlace tiene un momento dipolar μ que es una magnitud vectorial que depende de la diferencia de electronegatividad entre los átomos. La intensidad del momento dipolar es μ = carga · distancia, la dirección es la línea que une ambos átomos y el sentido va del menos electronegativo al más electronegativo. Las unidades del momento dipolar en el S.I. son el coulombio por metro. Se suele utilizar el debye (1 Debye = 3,34 .10-30 C·m)En las moléculas que tienen más de un enlace, el momento dipolar total ∑μ depende del momento dipolar de cada enlace μ y de la geometría de la molécula.
En el agua, el momento dipolar es de 1.85 debye
TIPO DE ENLACE ENERGÍA DE ENLACE (kcal/mol)
ENLACES DE VALENCIA PRIMARIOS
Iónico, electrovalente, electropolar 100 - 200
Covalente, homopolar 50 - 150
FUERZAS INTERMOLECULARES
Fuerzas ion-dipolo y de ion-dipolo inducido 1 - 10
Fuerzas de van der Waals Dipolo - dipolo (fuerza de Keesom) Dipolo- dipolo inducido (fuerza de Debye) Dipolo inducido - dipolo inducido (fuerza de London)
1 - 10
Enlaces de hidrógeno Puentes de hidrógeno O – H ·····O C – H ·····O O – H ·····N N – H ·····O F – H ·····F
6
2 a 34 a 72 a 3
7
según la diferencia entre las electronegatividades se puede determinar (convencionalmente) si el enlace será, según la escala de Linus Pauling:
Iónico (diferencia superior o igual a 1.8) Covalente polar (diferencia entre 1.8 y 0.4)
Covalente no polar (diferencia inferior a 0.4)
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