UNIVERSIDAD DE LOS ANDESNUCLEO UNIVERSITARIO RAFAEL RANGELDEPARTAMENTO DE BIOLOGIA Y QUIMICACATEDRA: BIOQUIMICA

PROF. CARMEN E. CASTILLO C.

El agua, el lquido ms comn de la superficie terrestre, el componente principal en peso de todos los seres vivos, tiene un nmero de propiedades destacables. Estas propiedades son consecuencia de su estructura molecular y son responsables de la "aptitud" del agua para desempear su papel en los sistemas vivos.La estructura de la molcula de agua est dada por dos tomos de hidrgeno y un tomo de oxgeno que se mantienen unidos por enlaces covalentes. Es una molcula polar y, en consecuencia, forma enlaces -llamados puentes de hidrgeno- con otras molculas. Aunque los enlaces individuales son dbiles -se rompen y se vuelven a formar continuamente- la fuerza total de los enlaces que mantienen a las molculas juntas es muy grande.

Los fenmenos de capilaridad e imbibicin estn tambin relacionados con la presencia de puentes de hidrgeno.La polaridad de la molcula de agua es, adems, responsable de su adhesin a otras sustancias polares, de ah, su tendencia al movimiento capilar.

La estructura del agua

La molcula de agua es polar , con dos zonas dbilmente negativas y dos zonas dbilmente positivas; en consecuencia, entre sus molculas se forman enlaces dbiles. La molcula de agua (H2O) puede ser representada de varias maneras distintas. Una de ellas es el modelo compacto y otra el modelo de esferas.En el modelo compacto, el tomo de oxgeno est representado por la esfera roja y los tomos de hidrgeno por las esferas azules. A raz de su sencillez, este modelo a menudo se utiliza como un smbolo conveniente de la molcula de agua. El modelo de esferas y varillas remarca que los tomos estn unidos por enlaces covalentes; tambin da cierta indicacin de la geometra de la molcula. .

Una descripcin ms precisa de la forma de la molcula la proporciona el modelo orbital.

CONSECUENCIAS DEL PUENTE DE HIDRGENO

Los puentes de hidrgeno son los responsables de las propiedades caractersticas del agua; entre ellas, de la gran cohesin, o atraccin mutua, de sus molculas. La cohesin trae como consecuencia la alta tensin superficial que permite, por ejemplo, que una hoja de afeitar colocada delicadamente sobre la superficie del agua flote.

La enorme cantidad de puentes de hidrgeno que presenta el agua tambin es responsable de su resistencia a los cambios de temperatura. El agua tiene un alto calor especfico -o capacidad calorfica- un alto calor de vaporizacin y un alto calor de fusin. La accin capilar -o capilaridad- y la imbibicin son tambin fenmenos relacionados con las uniones entre molculas de agua. Si se mantienen dos lminas de vidrio juntas y se sumerge un extremo en agua, la cohesin y la adhesin combinadas harn que el agua ascienda entre las dos lminas por capilaridad. De igual modo, la capilaridad hace que el agua suba por tubos de vidrio muy finos, que ascienda en un papel secante, o que atraviese lentamente los pequeos espacios entre las partculas del suelo y, de esta manera, est disponible para las races de las plantas. La imbibicin, por otra parte, es la absorcin o penetracin capilar de molculas de agua en sustancias tales como la madera o la gelatina que, como resultado de ello, se hinchan. Las presiones desarrolladas por imbibicin pueden ser sorprendentemente grandes.

EL AGUA COMO SOLVENTE

Dentro de los sistemas vivos, muchas sustancias se encuentran en solucin acuosa. Una solucin es una mezcla uniforme de molculas de dos o ms sustancias. La sustancia presente en mayor cantidad, que es habitualmente lquida, se llama solvente, y las sustancias presentes en cantidades menores se llaman solutos.

La polaridad de las molculas de agua es la responsable de la capacidad solvente del agua. Las molculas polares de agua tienden a separar sustancias inicas, como el cloruro de sodio (NaCl), en sus iones constituyentes. Las molculas de agua se aglomeran alrededor de los iones con carga y los separan unos de otros.

Este diagrama muestra al cloruro de sodio (NaCl) disolvindose en el agua a medida que las molculas de sta se aglomeran alrededor de los iones individuales sodio y cloruro separndolos unos de otros. Existe diferencia entre el modo en que las molculas de agua estn dispuestas alrededor de los iones sodio y la manera en que se disponen alrededor de los iones cloruro.

Muchas de las molculas importantes en los sistemas vivos que presentan uniones covalentes, como los azcares, tienen regiones de carga parcial positiva o negativa. Estas molculas, por lo tanto, atraen molculas de agua y tambin se disuelven en agua.

Las molculas polares que se disuelven rpidamente en agua son llamadas hidroflicas ("que aman al agua''). Estas molculas se disuelven fcilmente en agua porque sus regiones parcialmente cargadas atraen molculas de agua tanto o ms que lo que se atraen entre s. Las molculas polares de agua compiten de este modo con la atraccin existente entre las molculas de soluto.

Molculas tales como las grasas, que carecen de regiones polares, tienden a ser muy insolubles en el agua. Los puentes de hidrgeno entre las molculas de agua actan como una fuerza que excluye a las molculas no polares. Como resultado de esta exclusin, las molculas no polares tienden a agruparse en el agua, al igual que las gotitas de grasa tienden a juntarse, por ejemplo, en la superficie del caldo de gallina. Dichas molculas son llamadas hidrofbicas ("que tienen aversin por el agua") y los agrupamientos se producen por interacciones hidrofbicas.

El agua tiene una ligera tendencia a ionizarse, o sea, a separarse en iones H+ (en realidad iones hidronio H3O+) y en iones OH-. En el agua pura, el nmero de iones H+ y el nmero de iones OH- es igual a 10-7 mol por litro.

Una solucin que contiene ms iones H+ que iones OH- es cida; una solucin que contiene ms iones OH- que iones H+ es bsica o alcalina.

La escala de pH refleja la proporcin de iones H+ a iones OH-. Una solucin cida tiene un pH inferior a 7; una solucin bsica tiene un pH superior a 7.

Casi todas las reacciones qumicas de los sistemas vivos tienen lugar en un estrecho intervalo de pH alrededor de la neutralidad. Los organismos mantienen este estrecho intervalo de pH por medio de buffers, que son combinaciones de formas de cidos dbiles o bases dbiles; dadores y aceptores de H+.IONIZACION DEL AGUA

En el agua lquida hay una leve tendencia a que un tomo de hidrgeno salte del tomo de oxgeno al que est unido covalentemente, al otro tomo de oxgeno al que se encuentra unido por un puente de hidrgeno.

En esta reaccin se producen dos iones: el ion hidronio (H3O+) y el ion hidrxido (OH-).

En cualquier volumen dado de agua pura se encuentra ionizado de esta forma un nmero pequeo, pero constante, de molculas de agua.

El nmero es constante porque la tendencia del agua a ionizarse se contrapesa con la tendencia de los iones a reunirse.

As, aunque algunas molculas estn ionizndose, un nmero igual de otras molculas est formndose; este estado se conoce como equilibrio dinmico.

Cuando el agua se ioniza, un ncleo de hidrgeno (o sea, un protn) se desplaza del tomo de oxgeno al cual se encuentra unido covalentemente, al tomo de oxgeno con el que establece un puente de hidrgeno.

Los iones resultantes son el ion hidrxido cargado negativamente y el ion hidronio cargado positivamente. En este diagrama, las esferas grandes representan al oxgeno y las pequeas al hidrgeno.

En el agua pura, el nmero de iones H+ iguala exactamente al nmero de iones OH- ya que ningn ion puede formarse sin el otro cuando solamente hay molculas de H2O presentes.

Sin embargo, cuando una sustancia inica o una sustancia con molculas polares se disuelve en el agua, pueden cambiar los nmeros relativos de los iones H+ y OH-.

Por ejemplo, cuando el cido clorhdrico (HCl) se disuelve en agua, se ioniza casi completamente en iones H+ y Cl-; como resultado de esto, una solucin de HCl (cido clorhdrico) contiene ms iones H+ que OH-.

De modo inverso, cuando el hidrxido de sodio (NaOH) se disuelve en agua, forma iones Na+ y OH-; as, en una solucin de hidrxido de sodio en agua hay ms iones OH- que H+.

Una solucin es cida cuando el nmero de iones H+ supera al nmero de iones OH-, de modo contrario, una solucin es bsica -o alcalina- cuando el nmero de iones OH- supera al nmero de iones H+.

As, un cido es una sustancia que provoca un incremento en el nmero relativo de iones H+ en una solucin, y una base es una sustancia que provoca un incremento en el nmero relativo de iones OH-.

Los cidos y bases fuertes son sustancias, tales como el HCl y el NaOH, que se ionizan casi completamente en agua, dando como resultado incrementos relativamente grandes en las concentraciones de iones H+ y OH-, respectivamente.

Los cidos y bases dbiles, por contraste, son aquellos que se ionizan slo ligeramente, dando como resultado incrementos relativamente pequeos en la concentracin de iones H+ u OH-.

Dada la fuerte tendencia de los iones H+ y OH- a combinarse y la dbil tendencia del agua a ionizarse, la concentracin de los iones OH- disminuir siempre a medida que la concentracin de los iones H+ se incremente (como, por ejemplo, cuando se aade HCl al agua), y viceversa.

En otras palabras, si un cido y una base de fuerzas comparables se aaden en cantidades equivalentes, la solucin no tendr un exceso ni de iones H+ ni de OH-.

Muchos de los cidos importantes en los sistemas vivos deben sus propiedades cidas a un grupo de tomos llamado grupo carboxilo, que incluye un tomo de carbono, dos tomos de oxgeno y un tomo de hidrgeno (simbolizado como -COOH). Cuando se disuelve en agua una sustancia que contiene un grupo carboxilo, algunos de los grupos -COOH se disocian y producen iones hidrgeno. As, los compuestos que contienen grupos carboxilo son dadores de iones hidrgeno, o cidos. Son cidos dbiles, sin embargo, porque el grupo -COOH se ioniza slo levemente.

Entre las bases ms importantes de los sistemas vivos se encuentran los compuestos que contienen al grupo amino (-NH2). Este grupo tiene una tendencia dbil a aceptar iones hidrgeno, formando por lo tanto el grupo -NH3+. En tanto los iones hidrgeno son eliminados de la solucin por el grupo amino, la concentracin relativa de los iones H+ disminuye y la concentracin relativa de los iones OH- aumenta. Grupos, tales como el -NH2, que son aceptores dbiles de iones hidrgeno son, as, bases dbiles.

Los qumicos expresan el grado de acidez por medio de la escala de pH. El smbolo "pH" indica el logaritmo negativo de la concentracin de iones hidrgeno en unidades de moles por litro. Los nmeros cuyos logaritmos son de inters para nosotros son las concentraciones de iones hidrgeno en las soluciones, que se expresan en moles por litro.

La ionizacin que ocurre en un litro de agua pura da como resultado la formacin, en el equilibrio, de 1/10.000.000 de mol de iones hidrgeno (y, como hemos notado previamente, exactamente la misma cantidad de iones hidrxido). En forma decimal, esta concentracin de iones hidrgeno se escribe como 0,0000001 mol por litro o, en forma exponencial, como 10-7 mol por litro.

El logaritmo es el exponente -7 y el logaritmo negativo es 7; con referencia a la escala de pH, se lo menciona simplemente como pH 7. A pH 7 las concentraciones de H+ y OH- libres son exactamente iguales dado que estn en agua pura. Este es un estado neutro. Cualquier pH por debajo de 7 es cido y cualquier pH por encima de 7 es bsico. Cuanto menor sea el valor del pH, mayor ser la concentracin de iones hidrgeno. Dado que la escala de pH es logartmica, una diferencia en una unidad de pH implica una diferencia de 10 veces en la concentracin de iones hidrgeno. Por ejemplo, una solucin de pH 3 tiene 1.000 veces ms iones H+ que una solucin de pH 6.

Una diferencia de una unidad de pH refleja una diferencia de 10 veces en la concentracin de iones H+. Las bebidas cola, por ejemplo, son 10 veces ms cidas que el jugo de tomate. Los jugos gstricos son 100 veces ms cidos que las bebidas cola.

Casi toda la qumica de los seres vivos tiene lugar a pH entre 6 y 8. Como excepciones notables podemos mencionar los procesos qumicos en el estmago de los humanos y otros animales, que tienen lugar a pH de aproximadamente 2.

La sangre humana, por ejemplo, mantiene un pH casi constante de 7,4, a pesar del hecho de que es el vehculo de gran nmero y variedad de nutrientes y otros compuestos qumicos que reparte entre las clulas, as como de la eliminacin de desechos, muchos de los cuales son cidos y bases.

El mantenimiento de un pH constante, un ejemplo de homeostasis, es importante porque el pH influye en gran medida en la velocidad de las reacciones qumicas.

Los organismos resisten cambios fuertes y repentinos en el pH de la sangre y otros fluidos corporales por medio de amortiguadores o buffers, que son combinaciones de formas dadoras de H+ y aceptoras de H+ de cidos o bases dbiles.

Los buffers mantienen el pH constante por su tendencia a combinarse con iones H+, eliminndolos as de la solucin cuando la concentracin de iones H+ comienza a elevarse y liberndolos cuando desciende.

En los sistemas vivos funciona una gran variedad de buffers, siendo cada uno de ellos ms efectivo al pH particular en el que las concentraciones del dador y del aceptor de H+ son iguales.

PROPIEDADES DE ALGUNOS ELEMENTOS

Pto. Fusion CPto. Ebull. CCalor Vaporiz (J/g)Agua01002260Metanol-98651100Acetona-9556523Butano-135-0,5381CHCl3-6361247

Importancia del AguaEl agua representa el constituyente ms abundante en la mayor parte de los alimentos en estado natural a excepcin de los granos.

La textura de los alimentos dependen de la asociacin entre el agua y otros constituyentes, sin embargo esta cualidad es tambin responsable de su deterioro.

ACTIVIDAD DEL AGUA

Los microorganismos necesitan la presencia de agua, en una forma disponible, para crecer y llevar a cabo sus funciones metablicas. La mejor forma de medir la disponibilidad de agua es mediante la actividad de agua (aw).

La awde un alimento se puede reducir aumentando la concentracin de solutos en la fase acuosa de los alimentos mediante la extraccin del agua o mediante la adicin de solutos.

Algunas molculas del agua se orientan en torno a las molculas del soluto y otras quedan absorbidas por los componentes insolubles de los alimentos. En ambos casos, el agua queda en una forma menos reactiva.

La awde un alimento o solucin se define como la relacin entre la presin de vapor del agua del alimento (p) y la del agua pura (po) a la misma temperatura.

A medida que una solucin se concentra, la presin de vapor disminuye y la awdesciende a partir de un valor mximo de 1 para el agua pura (en ausencia de capilares o fuerzas de adsorcin).

La awest relacionada con el punto de congelacin y con el de ebullicin as como con la humedad relativa en equilibrio (HRE) y la presin osmtica.

Actividad del aguaEs una relacin entre dos magnitudes de iguales dimensiones que constituyen una medida relativa llamada StandardEl estado Standard que se escoge es el agua pura igualada a la unidad, por lo que la actividad del agua de una solucin o de un alimento es igual a 1.

Isoterma de adsorcinEs la curva que indica la cantidad de agua retenida por un alimento en funcin de la humedad relativa de la atmsfera que le rodea.Las isotermas se obtienen colocando un alimento en un recipiente cerrado y midiendo la presin de vapor de agua. Tambin se puede obtener colocando varias muestras de un mismo alimento en varios recipientes cerrados, manteniendo estos con soluciones salinas o cido sulfrico de diversas concentraciones.

Histresis de las isotermas de adsorcin

La isoterma de desorcin para un producto dado y una temperatura determinada, no es superponible a la isoterma de adsorcin; en teora las dos curvas deberan seguir el mismo trazado pero los experimentos permiten demostrar que no siempre ocurre as.sta no coincidencia de las dos curvas se denomina Histresis.

ACTIVIDAD DEL AGUA

La estabilidad de los alimentos depende del contenido de agua libre

Desarrollo de microorganismos

Reacciones Enzimticas

Reacciones Qumicas

Bacteria con forma de bastn (bacilo), es el material biolgico ms utilizado en experimentacin por su crecimiento rpido y porque su cultivo es sencillo. Esta bacteria se encuentra en el tracto intestinal de los mamferos.La especie comprende varios grupos establecidos por su actividad. Un grupo de esta especie produce infecciones slo si abandonan el colon, otros grupos producen el 90% de las diarreas infantiles.Bacteria txica que produce esporas terminales que deforman los bacilos. Debido a que las esporas crecen mejor en ausencia de oxgeno, los alimentos mal conservados en recipientes sellados ofrecen un medio idneo para su desarrollo.Es la responsable de causar el botulismo que es la intoxicacin producida por el consumo de alimentos (sobre todo conservas) contaminados por esta bacteria. Escherichia coli Clostridium botulinum

ACTIVIDAD DEL AGUA

Aw= Actividad del agua; HR = Humedad Relativa

Aw= P/P0 P = presin de vapor de agua en el alimentoP0 = presin de vapor del agua puraHR = Aw x 100

ACTIVIDAD DEL AGUA (aw) DE ALGUNOS ALIMENTOS

NombreawNombreawFrutas0,97Pan0,96Verduras0,97Mermelada0,86Jugos0,97Frutas Secas0,80Huevos0,97Miel0,75Carne0,97Galletas0,20Queso0,96Azcar 0,10

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