Componentes Químicos de las Células: Agua y Pequeñas Moléculas

Introducción a los Componentes Químicos de las Células

• Objetivos del Estudio:

  • Analizar las propiedades fisicoquímicas del agua, su capacidad como disolvente y su relación con los sistemas biológicos.

  • Conocer la estructura y función de las pequeñas moléculas y cómo interactúan entre sí para formar moléculas más complejas.

  • Comprender la participación de las distintas moléculas orgánicas dentro del esquema general del metabolismo celular.

• Vocabulario Específico Clave:

  • Anfipático: Molécula que posee tanto una región hidrofílica (polar) como una región hidrofóbica (apolar).

  • Carbono Asimétrico: Átomo de carbono unido a cuatro sustituyentes distintos.

  • Isomería Óptica: Fenómeno donde compuestos con la misma fórmula molecular tienen estructuras que son imágenes especulares no superponibles.

  • Oxidación y Reducción: Procesos de transferencia de electrones fundamentales en el metabolismo energético.

El Agua: Estructura, Función y Propiedades Químicas

• Composición y Estructura Química:

  • La molécula de agua ($H_2O$) está compuesta por dos átomos de hidrógeno unidos covalentemente a un átomo de oxígeno.

  • Polaridad: Debido a la alta electronegatividad del oxígeno en comparación con el hidrógeno, los electrones del enlace se desplazan hacia el oxígeno, generando un dipolo con una carga parcial negativa ($\delta^-$) sobre el oxígeno y cargas parciales positivas ($\delta^+$) sobre los hidrógenos.

  • Geometría: Adopta una estructura tridimensional de forma angular.

• Enlaces por Puente de Hidrógeno:

  • Definición: Es una interacción electrostática entre el átomo de hidrógeno (unido covalentemente a un átomo electronegativo) de una molécula y el par de electrones solitarios de un átomo electronegativo (como el oxígeno) de otra molécula.

  • Capacidad de Enlace: En el seno del agua líquida, cada molécula puede formar hasta cuatro enlaces de hidrógeno con sus vecinas. En la superficie, este número es menor, lo que origina la tensión superficial.

• Propiedades Térmicas y Biológicas:

  • Calor de Vaporización: El agua posee un elevado calor de vaporización debido a la energía requerida para romper los puentes de hidrógeno antes de que la molécula pase al estado gaseoso. Este es el fundamento del sistema termorregulador por sudoración.

  • Densidad y Temperatura: La densidad del agua es máxima a los $4^{\circ}C$. Al congelarse, el hielo es menos denso que el agua líquida, lo que permite que flote en la superficie de lagos y ríos, actuando como aislante térmico y permitiendo la vida acuática subyacente.

• El Agua como Disolvente:

  • Sustancias Hidrofílicas: Compuestos polares o iónicos que interactúan favorablemente con el agua. El NaCl, por ejemplo, es soluble porque las moléculas de agua forman esferas de solvatación alrededor de los iones $Na^+$ y $Cl^-$, venciendo la energía del enlace iónico cristalino.

  • Sustancias Hidrofóbicas: Moléculas apolares que no interactúan con el agua. El agua se organiza alrededor de ellas en estructuras tipo "jaula", lo que termodinámicamente favorece la agrupación de estas moléculas apolares (interacción hidrofóbica).

  • Sustancias Anfipáticas: En contacto con el agua, tienden a formar micelas, monocapas o bicapas para minimizar el contacto de sus regiones apolares con el solvente.

Disociación del Agua y Concepto de pH

• Ecuación de Disociación:

  • $H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-$

  • Los productos son el ión hidrógeno (protón) y el ión hidroxilo (oxhidrilo).

• Escala de pH y pOH:

  • El pH es una medida de la concentración de protones: $pH = -\log_{10}([H^+])$.

  • El pOH mide la concentración de hidroxilos: $pOH = -\log_{10}([OH^-])$.

  • En agua pura a $25^{\circ}C$, la $[H^+] = 10^{-7}\,M$ y el $pH = 7$.

  • La relación fundamental es: $pH + pOH = 14$.

• Ácidos y Bases:

  • Ácidos Fuertes: Se disocian completamente en solución acuosa.

  • Ácidos Débiles: Se disocian parcialmente y son fundamentales como sistemas buffer o amortiguadores para evitar cambios bruscos de pH en los organismos.

Propiedades Coligativas y Dinámica Osmótica

• Propiedades Coligativas:

  • Dependen exclusivamente de la concentración de partículas de soluto y no de su naturaleza química.

  • Incluyen: Presión osmótica, descenso del punto de congelación, aumento del punto de ebullición y disminución de la presión de vapor.

• Osmolaridad ($Osm$):

  • Indica el número de moles de partículas (osmoles) por litro de solución.

  • Fórmula: $Osm = i \times [M]$

  • Donde $i$ es el factor de van't Hoff (número de partículas generadas por la disociación). Para la sacarosa, $i = 1$; para el NaCl, $i = 2$.

• Ósmosis y Presión Osmótica ($\pi$):

  • Ósmosis: Flujo neto de agua a través de una membrana semipermeable desde la solución de menor osmolaridad hacia la de mayor osmolaridad.

  • Presión Osmótica Teórica (Van't Hoff): $\pi = [Osm] \times R \times T$.

  • Presión Osmótica Experimental ($\pi_E$): Se utiliza el coeficiente de reflexión ($\sigma$) para corregir la permeabilidad de la membrana.

  • Formula corregida: $\pi_E = \sigma \times [Osm] \times R \times T$.

• Osmolaridad Efectiva y Tonicidad:

  • Osmolaridad Efectiva: Viene dada por el producto $\sigma \times [Osm]$. Es la que realmente determina el flujo de agua.

  • Isotónica: Misma osmolaridad efectiva que el interior celular (LIC), sin flujo neto de agua.

  • Hipertónica: Mayor osmolaridad efectiva que el LIC; causa salida de agua de la célula (deshidratación celular).

  • Hipotónica: Menor osmolaridad efectiva que el LIC; causa entrada de agua a la célula (posible lisis).

• Presión Oncótica ($\pi_{onc\text{ótica}}$):

  • Es la presión osmótica generada específicamente por las proteínas plasmáticas (como la albúmina) que no atraviesan la pared capilar. Es vital para el equilibrio de líquidos entre el plasma y el intersticio. Una disminución de albúmina (desnutrición) genera edemas (abdomen prominente).

Biomoléculas Orgánicas Pequeñas

1. Azúcares Simples (Monosacáridos)

• Clasificación:

  • Por número de carbonos (Triosas, pentosas, hexosas).

  • Por grupo funcional: Aldosas (grupo aldehído al final de la cadena) y Cetosas (grupo cetona en un carbono intermedio).

• Estructuras Cíclicas:

  • En solución acuosa, las hexosas forman anillos (Fórmulas de perspectiva de Haworth).

  • Aparece un carbono anomérico que genera isómeros $\alpha$ y $\beta$.

• Disacáridos de Interés Biológico:

  • Unión mediante enlace O-glucosídico (participación de OH hemiacetálico/hemicetálico).

  • Si ambos carbonos anoméricos participan en el enlace, el azúcar pierde su poder reductor.

2. Ácidos Grasos y Lípidos

• Estructura: Cadenas hidrocarbonadas con un grupo carboxilo terminal.

  • Saturados: Sin dobles enlaces (ej. Ácido palmítico $16:0$, Ácido esteárico $18:0$).

  • Insaturados: Con uno o más dobles enlaces, generalmente en configuración cis (ej. Ácido oleico $18:1\Delta^9$, Ácido linoleico $18:2\Delta^{9,12}$, Ácido araquidónico $20:4\,n-6$).

• Importancia Biológica: Rol energético y estructural (formación de triglicéridos y fosfolípidos).

• Ácidos Grasos Esenciales: Aquellos que el organismo no puede sintetizar y deben ingerirse (linoleico y linolénico).

3. Aminoácidos

• Estructura General: Poseen un grupo amino ($-NH_2$), un grupo carboxilo ($-COOH$), un hidrógeno y una cadena lateral ($R$) unidos a un carbono alfa.

• Ionización (Zwitterion): Su estado de carga depende del pH. A $pH = 7$, suelen tener el grupo amino protonado ($-NH_3^+$) y el carboxilo desprotonado ($-COO^-$).

• Clasificación: Según la naturaleza de la cadena lateral (no polares, polares sin carga, ácidos, básicos).

• Enlace Peptídico: Es una unión covalente tipo amida entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el amino del siguiente.

4. Nucleótidos

• Constituyentes: Una base nitrogenada, una pentosa (ribosa o desoxirribosa) y uno o más grupos fosfato.

• Funciones:

  • Sillares estructurales de ADN y ARN.

  • Transferencia de energía (ATP).

  • Coenzimas nucleotídicas.

  • Moléculas señalizadoras (AMP cíclico).

Casos de Aplicación Médica

• Suero Fisiológico: Solución de NaCl al $0.9\%\,p/v$. Es isoosmótica respecto a la osmolaridad plasmática humana ($308\,mOsm$).

• Esferocitosis Hereditaria: Alteración de proteínas de membrana del eritrocito que los vuelve esféricos y menos deformables, aumentando su fragilidad osmótica en medios hipotónicos.

• Intolerancia a la Lactosa: Causada por déficit de lactasa. La lactosa no hidrolizada en la luz intestinal ejerce un efecto osmótico, reteniendo agua y causando diarrea acuosa, además de generar gases por fermentación bacteriana.

Bibliografía de Referencia

• Becker W.M. "El mundo de la célula". Ed. Pearson (2007).

• Blanco, A. "Química Biológica". Ed. El Ateneo (2015).

• Karp, G. "Biología Celular y Molecular". Ed. McGraw-Hill (2010).

• Cingolani H., Houssay A. "Fisiología Humana de Houssay". Ed. El Ateneo (2000).