Bioquímica

El Agua

Linus Pauling (1939): El enlace de hidrógeno es crucial en fisiología.
Abundancia: El agua es la sustancia más abundante en los sistemas vivos (70% o más del peso de la mayoría de los organismos).
Origen de la Vida: Los primeros organismos aparecieron en un entorno acuoso, moldeando la evolución debido a las propiedades del agua.
Fuerzas de Atracción: Las fuerzas entre las moléculas de agua y su tendencia a ionizarse son importantes para la estructura y función de las biomoléculas.
Ionización: Se analiza en términos de constantes de equilibrio, pH y curvas de titulación.
Influencia en Componentes Celulares: Los productos de ionización del agua (H+ y OH-) afectan la estructura, autoensamblaje y propiedades de componentes como proteínas, ácidos nucleicos y lípidos.
Interacciones No Covalentes: Están influidas por las propiedades disolventes del agua, incluyendo su capacidad para formar enlaces de hidrógeno consigo misma y con los solutos.

2.1 Interacciones Débiles en Sistemas Acuosos

Enlaces de Hidrógeno:
- Proporcionan fuerzas de cohesión que hacen que el agua sea líquida a temperatura ambiente.
- Favorecen el ordenamiento extremo de las moléculas en el hielo.
Biomoléculas Polares: Se disuelven fácilmente en agua al reemplazar interacciones agua-agua por interacciones agua-soluto favorables.
Biomoléculas Apolares: Interfieren con las interacciones agua-agua y son poco solubles, tendiendo a agruparse en soluciones acuosas.
Fuerzas: Enlaces iónicos, de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas y de van der Waals influyen en la estructura tridimensional de proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos y lípidos de membrana.

Propiedades del Agua

Punto de Fusión, Ebullición y Calor de Vaporización: El agua tiene valores más elevados que la mayoría de los disolventes comunes.
Cohesión Interna: Resultado de la atracción entre moléculas de agua adyacentes.
Estructura Electrónica: Permite deducir las fuerzas de atracción intermolecular; cada átomo de hidrógeno comparte un par de electrones con el oxígeno.
Geometría: La molécula de agua tiene una geometría tetraédrica, con un ángulo de enlace H-O-H de 104,5°.
Electronegatividad: El oxígeno atrae electrones con más fuerza que el hidrógeno, formando dipolos eléctricos en la molécula.
Cargas Parciales: Cada hidrógeno tiene una carga positiva parcial ( $\delta^+$ ), y el oxígeno una carga negativa parcial ( $2\delta^-$ .).
Atracción Electroestática: Existe entre el oxígeno de una molécula de agua y el hidrógeno de otra, formando enlaces de hidrógeno.
Fuerza de los Enlaces de Hidrógeno:
- Son relativamente débiles (23 kJ/mol) en comparación con los enlaces covalentes O-H (470 kJ/mol) o C-C (348 kJ/mol).
- Son 10% covalentes y 90% electrostáticos.
Energía Térmica: A temperatura ambiente, es del mismo orden de magnitud que la necesaria para romper los enlaces de hidrógeno.
Agrupaciones Fluctuantes (Flickering Clusters): Agrupaciones de corta duración de moléculas de agua unidas por enlaces de hidrógeno.
Cohesión Interna: La suma de todos los enlaces de hidrógeno confiere gran cohesión interna al agua líquida.
Puentes de Conexión: Las redes de agua unidas por enlaces de hidrógeno forman puentes entre solutos, permitiendo interacciones a distancias de varios nanómetros.
Ordenamiento Tetraédrico: Permite que cada molécula de agua forme enlaces de hidrógeno con hasta cuatro moléculas vecinas.
Número de Enlaces: En el agua líquida, cada molécula forma enlaces de hidrógeno con un promedio de 3,4 moléculas; en el hielo, con 4 moléculas formando una estructura reticular regular.
Densidad: La red cristalina del hielo ocupa más espacio que el agua líquida, lo que hace que el hielo sea menos denso y flote.

Cambios de Estado del Agua

Fusión y Evaporación: Absorben calor del sistema.
- $H2O (sólido) \rightarrow H2O (líquido) \quad \Delta H = +5,9 \, kJ/mol$
- $H2O (líquido) \rightarrow H2O (gas) \quad \Delta H = +44,0 \, kJ/mol$
Entropía: Aumenta durante la fusión y evaporación a medida que las moléculas ordenadas de agua se relajan.
Espontaneidad: A temperatura ambiente, tanto la fusión del hielo como la evaporación del agua se dan espontáneamente.
Cambio de Energía Libre: Debe tener un valor negativo para que un proceso ocurra espontáneamente ( $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$ ).
Entropía vs. Enlace de Hidrógeno: La tendencia de las moléculas de agua a asociarse mediante enlaces de hidrógeno queda contrarrestada por el empuje energético hacia el desorden.

Interacción del Agua con Solutos

Enlaces de Hidrógeno con Solutos Polares: Se forman entre un átomo electronegativo (aceptor de hidrógeno) y un átomo de hidrógeno unido covalentemente a otro átomo electronegativo (dador de hidrógeno).
No Participación del Carbono: Los átomos de hidrógeno unidos covalentemente a átomos de carbono no participan en la formación de enlaces de hidrógeno.
Punto de Ebullición: El butanol (CH3(CH2)2CH2OH) tiene un punto de ebullición alto (117 °C) debido a los enlaces de hidrógeno intermoleculares, mientras que el butano (CH3(CH2)2CH3) tiene un punto de ebullición bajo (-0,5 °C).
Solubilidad: Biomoléculas polares como los azúcares se disuelven fácilmente en agua debido a los enlaces de hidrógeno. Alcoholes, aldehídos, cetonas y compuestos con enlaces N-H también forman enlaces de hidrógeno con el agua y tienden a ser solubles.
Direccionalidad del Enlace de Hidrógeno: La atracción es máxima cuando los tres átomos implicados están en línea recta. Esta direccionalidad mantiene moléculas unidas con un ordenamiento geométrico específico y confiere estructuras tridimensionales precisas a proteínas y ácidos nucleicos.

El Agua como Disolvente

Disolvente Polar: El agua disuelve fácilmente la mayoría de las biomoléculas, que son generalmente compuestos cargados o polares (hidrofílicos).
Disolventes Apolares: Cloroformo y benceno son malos disolventes de biomoléculas polares pero disuelven fácilmente las hidrofóbicas (lípidos y ceras).
Disolución de Sales: El agua disuelve sales como el NaCl mediante la hidratación y estabilización de los iones Na+ y Cl−.
Apantallamiento de Interacciones Electrostáticas: El agua reemplaza enlaces de hidrógeno soluto-soluto por enlaces de hidrógeno soluto-agua, apantallando interacciones electrostáticas entre moléculas del soluto.
Constante Dieléctrica: El agua apantalla interacciones electrostáticas debido a su elevada constante dieléctrica ( $\epsilon = 78,5$ ), lo que debilita las interacciones iónicas.
Fuerza de Interacciones Iónicas: La intensidad (F) depende de las cargas (Q), la distancia (r) y la constante dieléctrica ( $\epsilon$ ): $F = \frac{Q1 Q2}{\epsilon r^2}$ .

Disolución y Entropía

Aumento de Entropía: Al disolverse una sal (ej. NaCl), los iones adquieren mayor libertad de movimiento, incrementando la entropía del sistema.
Cambio Favorable de Energía Libre: $\Delta G = \Delta H - T \Delta S$ donde $\Delta H$ es positivo pequeño y $T \Delta S$ es positivo alto, haciendo $\Delta G$ negativo.

Gases en Agua

Gases Apolares: CO2, O2 y N2 son apolares y poco solubles en agua debido a la disminución de entropía al restringir su movimiento.
Proteínas Transportadoras: Algunos organismos usan proteínas como hemoglobina y mioglobina para facilitar el transporte de O2.
Transporte de CO2: El dióxido de carbono forma ácido carbónico (H2CO3) y se transporta como ión bicarbonato (HCO3−).
Gases Polares: NH3, NO y H2S son polares y se disuelven fácilmente en agua, ionizándose en solución acuosa.

Compuestos Apolares y Estructura del Agua

Interferencia con Enlaces de Hidrógeno: Compuestos apolares interfieren con la formación de enlaces de hidrógeno entre moléculas de agua.
Ganancia de Entalpía: La adición de solutos hidrofóbicos puede resultar en una pequeña ganancia de entalpía al romper enlaces de hidrógeno entre moléculas de agua.
Descenso de Entropía: Solutos hidrofóbicos restringen orientaciones posibles de moléculas de agua, formando una capa ordenada alrededor de cada molécula de soluto.
Cambio Desfavorable de Energía Libre: $\Delta G = \Delta H - T \Delta S$ donde $\Delta H$ es positivo, $\Delta S$ es negativo y $\Delta G$ es positivo.

Compuestos Anfipáticos

Estructura: Contienen regiones polares (o cargadas) y apolares.
Agrupación: Las regiones apolares se agrupan para presentar la menor área hidrofóbica posible al disolvente acuoso, mientras que las regiones polares maximizan su interacción con el disolvente.
Micelas: Estructuras estables de compuestos anfipáticos en agua, que pueden contener cientos o miles de moléculas.
Interacciones Hidrofóbicas: Mantienen juntas las regiones apolares de las moléculas debido a la maximización de la estabilidad termodinámica del sistema al minimizar el número de moléculas de agua ordenadas.

Interacciones de Van der Waals

Dipolos Transitorios Variaciones al azar en las posiciones de los electrones alrededor del núcleo pueden crear un dipolo eléctrico transitorio, que induce un dipolo eléctrico opuesto también transitorio en el átomo cercano.
Radio de Van der Waals Cada átomo posee un radio de van der Waals característico, que constituye una medida de lo que este átomo permitirá acercarse a otro.
Fuerza Débil Se requiere un aporte de energía de unos 350 kJ para romper un mol (6 x 10^23) de enlaces C—C simples y de unos 410 kJ para romper un mol de enlaces C—H, pero solamente se requieren unos 4 kJ para destruir un mol de interacciones de van der Waals típicas.
Estabilidad Molecular La estabilidad molecular conferida por 5 o 20 interacciones débiles es, por tanto, mucho mayor de lo que podría esperarse intuitivamente de una simple adición de las pequeñas energías de unión.

Macromoléculas

Estabilización La estructura más estable (nativa) de la mayoría de macromoléculas es normalmente aquella en que se maximizan las uniones débiles
*Plegamiento de una cadena polipeptídica o polinucleotídica en su forma tridimensional viene determinado por este principio.
*La estructura molecular entre biomoléculas que interaccionan entre sí refleja la complementariedad y las interacciones débiles entre grupos polares, cargados e hidrofóbicos en la superficie de las moléculas.

Solutos y Propiedades Coligativas

Alteración de Propiedades Físicas: Los solutos alteran la presión de vapor, punto de ebullición, punto de fusión y presión osmótica del agua.
Naturaleza de las Propiedades Coligativas El efecto de los solutos sobre las cuatro propiedades tiene la misma base: la concentración de agua es menor en las disoluciones que en el agua pura.
Dependencia del Soluto El efecto de la concentración de soluto sobre las propiedades coligativas del agua es independiente de las propiedades químicas del soluto; depende únicamente del número de partículas de soluto (moléculas, iones) en una determinada cantidad de agua.
Disociación del Compuesto Un compuesto tal como el NaCl, que se disocia en disolución, tiene un efecto doble sobre la presión osmótica, por ejemplo, que un número idéntico de moles de un soluto que no se disocie tal como la glucosa.
Ecuación de Van't Hoff:
- $\pi = icRT$
- Donde:
  - $\pi$ es la presión osmótica.
  - i es el factor de van’t Hoff (grado de disociación).
  - c es la concentración molar del soluto.
  - R es la constante de los gases.
  - T es la temperatura absoluta.
    Osmolaridad El término ic es la osmolaridad de la disolución, el producto del factor de van’t Hoff i, que es una medida del grado de disociación del soluto en dos o más especies iónicas y la concentración molar de soluto c.
Ósmosis: El movimiento de agua a través de una membrana semipermeable impulsado por diferencias en la presión osmótica.
Isotónica: Disoluciones de igual osmolaridad que el citosol celular.
Hipertónica: Disolución con mayor osmolaridad que el citosol, causando que la célula se encoja.
Hipotónica: Disolución con menor osmolaridad que el citosol, causando que la célula se hinche.
Mecanismos Contra la Lisis Osmótica:
- Pared celular en bacterias y vegetales.
- Vacuola contráctil en protistas de agua dulce.
- Mantenimiento de la osmolaridad del plasma sanguíneo y fluido intersticial en animales multicelulares.

2.2 Ionización del agua, ácidos débiles y bases débiles

Ionización del Agua:
- Se describe mediante una constante de equilibrio.
- $H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-$
- Es crucial para el papel del agua en la función celular.
Electroneutralidad En agua pura, las cantidades de ambos iones son idénticas.
Ión Hidronio ( $H_3O^+$ ): Los protones libres en agua se hidratan inmediatamente formando iones hidronio.
Salto de Protones: Mecanismo que permite el movimiento extremadamente rápido de $H_3O^+$ y $OH^-$ en un campo eléctrico.
Constante de Equilibrio ( $K_{eq}$ ): Define la composición de la mezcla final en el equilibrio.
- $K{eq} = \frac{[C]{eq}[D]{eq}}{[A]{eq}[B]_{eq}}$
- [C], [D] = productos de reacción
- [A], [B] = reactivos
Ionización del Agua: Se expresa mediante su propia constante ( $K_w$ ):
- $K_w = [H^+][OH^-] = 1.0 \times 10^{-14} M^2$
- $K{eq} = \frac{[H^+][OH^-]}{[H2O]}$
- [H2O] = 55.5 M a 25 °C en agua pura
Escala de pH: Representa la concentración de H+ y OH− con la siguiente fórmula:
- pH = - log[H+]
pH Neutro: A 25 °C, las concentraciones de H+ y OH− son iguales ( $[H^+] = [OH^-] = 10^{-7} M$ ), y el pH es 7.
Ácidos y Bases: El producto iónico del agua es constante, y un pH superior a 7 alcalino o básico, mientras que inferior a 7 es acídico.
*pH y salud:La medida del pH de la sangre y de la orina para diagnosticar enfermedades ya que afecta la estructura y actividad de macromoléculas biológicas; por ejemplo la actividad catalítica de los enzimas depende fuertemente del pH
Acidosis y Alcaosis: Desequilibrios en el balance ácido base pueden producir estos estados que pueden ser fatales.
Ácidos y Bases Débiles:
- No se ionizan completamente en agua.
- Los ácidos son dadores de protones, y las bases son aceptores de protones.
- Un dador de protón y su correspondiente aceptor forman un par ácido-base conjugado.
Constante de Disociación ( $K_a$ ): Tendencia de un ácido a perder su protón.
- $K_a = \frac{[H^+][A^-]}{[HA]}$
pKa: Es una forma de expresar el valor de $K_a$ en escala logarítmica
- $pKa = - \log Ka$
Curvas de Titulación Se utilizan para determinar la cantidad de un ácido utilizando una disolución de concentración conocida de una base fuerte, normalmente hidróxido sódico.
*Las curvas permiten deducir el valor de $pK_a$ .
Ecuación de Henderson-Hasselbalch Describe la curva de titulación de ácidos y bases débiles
pH = pKa+log\frac{[A-]}{[HA]}
*Esta expresión predice como se comporta una disolución amortiguadora. Con ella se puede determinar la capacidad amortiguadora.

2.3 Tamponamiento contra cambios de pH en los sistemas biológicos

Acción del pH Casi todos los procesos biológicos son dependientes del pH; un pequeño cambio produce un gran cambio en la velocidad del proceso.
Tampones biológicos, Mezclas de ácidos débiles y de sus bases conjugadas, se encargan de regular o mantener la concentración.
Los tampones son sistemas acuosos que tienden a resistir cambios en su pH cuando se añaden pequeñas cantidades de ácido o base (OH-).

2.4 El agua como reactivo

Implicación con las reacciones químicas de las células vivas, muy a menudo participa directamente en estas reacciones.
Funciones Reacdón de condensación en la que se eliminan los elementos del agua, la reacción inversa a ésta, rotura acompañada de la adición de los elementos del agua, es una reacción de hidrólisis.

2.5 La adecuación del ambiente acuoso a los organismos vivos

Adaptación de los organismos al medio acuoso, aprovechando las inusuales propiedades del agua.
Peculiaridades
Alto calor específico favorecer el que el agua actúe como un “tampón térmico para los seres vivos.
El alto grado de cohesión interna, debido a los enlaces de hidrógeno favorece el transporte de nutrientes en especies como las plantas desde las raíces a las hojas durante el proceso de la transpiración.
Aprovechamiento de los organismos del elevado calor de vaporización del agua (Tabla 2-1) utilizando (es decir, perdiendo) exceso de calor corporal al evaporar el sudor.
La densidad del hielo, menor que la del agua líquida, tiene consecuencias biológicas importantes en los ciclos vitales de los organismos acuáticos. Los estanques se congelan de arriba hacia abajo y la capa de hielo de la parte superior aísla el agua de debajo del aire frígido, impidiendo que el estanque (y los organismo que hay en él) se congelen.

3 Aminoácidos, péptidos y proteínas

ProteínasSon las macromoléculas biológicas que se hallan en todas las células y en todas las partes de la célula.
Aminoácidos las proteínas están construidas a partir del mismo conjunto ubicuo de 20 aminoácidos, unidos de forma covalente en secuencias lineales ca