elagua

P RTE

;

ESTRUCTURA Y CATALISIS 2 El agua 47 3 Aminocidos, pptidos y protenas 75 4 Estructura tridimensional de las protenas 116 5 Funcin de las protenas 157 6 Enzimas 190 7 Glcidos y glucobiologa 238 8 Nucletidos y cidos nucleicos 273 9 Tecnologas de la informacin basadas

en el DNA 306 10 lpidos 343 11 Membranas biolgicas y transporte 369 12 Biosealizacin 421

El investigador alemn Eduard Buchner descubri en 1897 que era posible fermentar azcar, no slo con levadura ordinaria, sino tambin con la ayuda de extractos de levadura que no contenan ninguna de las clulas de Saccharomyces ... Por qu se consider que este experimento, aparentemente trivial, tena tanta importancia? La respuesta es evidente si se considera el desarrollo de las investigaciones dedicadas a la elucidacin de la naturaleza qumica (de la vida) ... en ellas, y de modo ms insistente que en la mayora de campos de investigacin, ha habido una tendencia a considerar lo inexplicado como inexplicable ... De este modo, la levadura est formada por clulas vivas y la fermentacin era considerada por la mayora de investigadores -Pasteur entre ellos- como una manifestacin de la vida, es decir, debera estar inextricablemente asociada con los procesos vitales en

esas clulas. El descubrimiento de Buchner demostr que ello no era as. Se puede decir que, a partir de entonces y de repente, una parte importante de los procesos vitales pas de las clulas a los laboratorios de los qumicos para ser estudiados mediante metodologas qumicas. Tambin permiti demostrar que, adems de la fermentacin, la combustin y la respiracin, la rotura de protenas, grasas y glcidos y muchas otras reacciones similares que caracterizan a la clula viva podan ser imitadas en el tubo de ensayo sin que hiciera falta ninguna colaboracin por parte de las clulas y que, en general, estas reacciones y los procesos qumicos ordinarios estn gobernados por las mismas leyes.

-A. Tiselus, en la conferencia de presentacin del Premio Nobel de Qumica otorgado a James B. Sumner,

John H. Northrop y Wendell M. Stanley, 1946

1 descubrimiento pionero de Buchner supuso el nacimiento de la cienda bio

46 Parte 1 Estructura y catlisis

ria acerca de las tecnologas usadas para estudiarlas. Algnnas de las secciones tcnicas se hallan integradas en Jas descripciones moleculares, aunque se dedica un capitulo entero (Captulo 9) a una descripcin integrada de los modernos avances de la biotecnologa que han permitido acelerar el ritmo de la investigacin y los descubrimientos.

Las molculas que se encuentran en la clula son una parte principal del lenguaje de la bioqumica; es necesario estar familiarizado con ellas para comprender los temas ms avanzados que se cliscuten en este libro y para apreciar la interesante y cada ve7. ms voluminosa literatura sobre bioqumica. Empezaremos con el agua porque sus propiedades afectan a la estructura y la funcin de todos los dems constituyentes celulares. Para cada clase de molcula orgnica estudiaremos en primer lugar la estructura covalente de sus unidades monomricas (aminocidos, monosacridos, nucletidos y cidos grasos) para pasar luego a describir las estructuras de las macromolculas y complejos supramoleculares derivados de ellas. Un aspecto constantemente presente es que las macromolculas polimricas de los sistemas vivos, aunque de gran tamao, son entidades qufrnicas muy ordenadas con secuencias especficas de las subunidades monomricas, lo que da Jugar a estructuras y funciones concretas. Este aspecto fundamental se puede descomponer en tres principios interrelacionados: (l) la estructura nica de cada macromoJcula determina su funcin; (2) las interacciones no covalentes juegan un papel crtico en la estructura y por tanto en la funcin de las macromolculas; y (3) las snbunidades monomricas en las macromolculas polimrcas estn dispuestas segtn secuencias especificas, lo que representa una forma de informacin de la que depende el estado vivo ordenado.

La relacin entre estructura y funcin es especialmente evidente en las protenas, ya que muestran una extraordinaria diversidad de funclones. Una secuencia polimrica concreta de aminocidos produce una estructura fibrosa resistente tal corno la que se encuentra en el cabello y en la lana; otra secuencia da lugar a una protena que transporta oxgeno en la sangre; una tercera se une a otras protenas y cataliza la rotura de los enlaces entre sus aminocidos. De modo parecido se pueden entender las funciones especiales de los polisacridos, cidos nucleicos y lipidos como tma manifestacin directa de su estructura qumica, con sus subunidades monomricas caractersticas unidas en precisos polmeros funcionales. Los azcares enlazados entre s se transforman en almacenes de energa, en fibras estructurales y en pnntos de rcconocinento

molecular especfico; los nucletidos encadenados en el DNA o RNA contienen las instrucciones para la construccin de un organismo completo; y Jos lpidos agregados forman las membranas. En el Captulo 12 se uni..fi.ca la discusin de las funciones de las biomoJculas, describiendo de qu modo sistemas de sealizacin especficos regulan las actividades de las biomolculas dentro de una clula, dentro de un rgano y entre rganos para mantener un organismo en homeostasis.

A medida que pasamos de unidades monomricas a potimeros cada vez mayores, el enfoque qumico se desplaza desde los enlaces covalentes a las interacciones no covalentes. Las propiedades de los enlaces covalent.es, tanto de las wdades monomricas como de los enlaces que las conectan en los po limeros, imponen restricciones sobre las formas adoptadas por las mol

EL AGUA 2.1 Interacciones dbiles en los sistemas acuosos 47 2.2 Ionizacin del agua, cidos dbiles

y bases dbiles 60 2.3 Tamponamiento contra cambios de pH

en los sistemas biolgicos 65 2.4 El agua como reactivo 69 2.5 La adecuacin del ambiente acuoso

a los organismos vivos 70

Creo que con la progresiva aplicacin de los mtodos de la qumica estructural a los problemas fisiolgicos, observaremos que la importancia del enlace de hidrgeno en fisiologa es mayor que la de cualquier otra caracterstica estructural

-Unus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 1939

Qu es lo que Bloom, amante del agua, extractor de agua y de agua acarreador admir en el agua al volver? Su universalidad, su virtud democrtica.

-James Joyce. Ul ises. 1922

l agua es la sustancia ms abtmdante en los sistemas vivos, const.tuyendo Pl 70% o ro\s del peso de la mayorfa de or

ganismos. Los primeros organismos v:ivus aparecieron en un entorno acuoso y el curso de la evoludll ha sido moldeado por las propiedades del medio aeuoso en que se inici la vida.

Este captulo se i.nida con la descripcin de las propiedades ffsicas y quincas del agua, a las quP sP adaplan todas las caractersticas dp la estructura y funcin celulares. La!i fuerzas de atraccin entre las rnoll:ulas de agua y la dhil tendencia del agua a ionizarse tienen una importancia crucial para la estructura y funcin de las biomolculas. Trataremos el tE'ma de la ionizacin en tt>rminos dP t:onstanlcs de equilibrio, pH y curvn de titulacin y c:onsiderarcmos la forma en la que las soluciones acuosas de cidos o bases dPbiles y de sus saJes ac-

ca tulo

t.an como tampones contra Jos cambios de pH en los sistemas biolgicos. La molcula de agua y sus productos de ionizacin, H"' y on-, influyen de manera profunda sobre la P.Structura. autoformacin y propiedades de los componentes celulare:;. Las interacciones no covalentes responsables de la fut-rza y de la especiJ.iciclad de "reconocimiento" entre las biomolculas estn influidas de manera decisiva por las propiedades disolventes del agua, entre las que se induye su capacidad para formar enlaces de hidrgeno consigo misma y con los so lutos.

2.11nteracciones dbiles en los sistemas acuosos Los puentes de hidrgeno entre molculas de agua proporcionan las fuel7..as de cohesin que hacen que el agua sea lquida a temperatura ambiente y favorecen el extremo ordenamiento de las molculas, Upico del agua cristaJina (hielo). Las biomolculas polarPs se rlisuelven fcilmente en el agua porque pueden reemplazar las interacdoncs agua-agua por interacciones agua-soluto energticament.e ms favorables. Por el contrario, las biomolculas apolares interfieren en las interacciones aguaagua pero no son capaces de formar interacciones agua-soluto n consecuencia, las molculas apolares son muy poco solubles en agua-. En soluciones acuosas, las molculas apolares Lienrlen a agruparse entre si.

Los puentPs de hidrgeno y Jos enlaces n.icos, las irlteracciones hidrofbicas (tll:l griego, "temor a1 aguah) y de van d

48 Capftulo 2 El agua

TABLA 2-1 Punto de fusin, punto de ebullicin y calor de vaporizacin de algunos disolventes comunes

Punto de fusin (C) Punto de ebullicin (C) Calor de vaporizacin (J/g)*

Agua o 100 2260 Metano! (CH30H) -98 65 1100 Etanol (CH3CH20H) -117 78 854 Propano! (CH3CH2CH20H) -127 97 687 Butanol (CH3(CH2hCH20H) -90 117 590 Acetona (CH3COCH3) -95 56 523 Hexano (CH3(CH:2)4CH3} -98 69 423 Benceno (CsHs} 6 80 394 Butano (CH3(CH2hCH3) -135 -0,5 381 Cloroformo (CHCI3) -63 61 247

La energa calrica necesarta para coll'leltir !,0 g de un lquioo en su punto de ebullicn. a presin atmosfca, en su est

geno tiene un 10% de carcter covalente, debido al solapamiento de los orbitales de enlace, y \.U\ 90% de carct:,er electrosttico. A temperatura ambiente, la energa tmca de una solucin acuosa (la energa cintica del movimiento de los tomos y molculas individuales) es del mismo orden de magnitud que la necesaria para romper los enlaces de hidrgeno. Cuando se caliente el agua, el incremento de temperatura es un reflejo del movimiento ms rpido de las molculas individuales del agua. Aunque en cualquier momento dado la mayora de molculas en el agua lquida estn mdas por puentes de hidrgeno, el tiempo de vida de cada uno de ellos es tan slo de entre 1 y 20 picosegundos (1 ps = 10-12 s); al romperse un puente de hidrgeno se forma otro, con la misma o con otra molcula, en el lapso de 0,1 ps. Se ha aplicado el trmino de "agrupamientos fluctuantes" (fiicke-ring clusters) a las agrupaciones de corta duracin de molculas de agua unidas por puentes de hidrgeno en fase liquida. La suma de todos los puentes de hidrgeno entre molculas de H20 confiere gran cohesin interna al agua liquida. Las extensas redes de mol culas de agua unidas por enlaces de hidrgeno forman tambin puentes de conexin entre so lutos (protenas y cidos nucleicos, por ejemplo) que permiten que las mol culas ms grandes interaccionen entre ellas a travs de distancias de varos nanmetros sin necesidad de entrar en contacto fsico.

El ordenamiento casi tetradrico de los orbitales alrededor del tomo de oxgeno (Fig. 2-la) pemte que cada molcula de agua forme enlaces de ldrgeno con hast.:'l cuatro molculas de agua vecinas. Sin embargo, en el agua lquida a temperatura ambiente y presin atmosfrica, las molculas de agua estn desorganizadas y en movimiento continuo, de forma que cada molcula forma puentes de hidrgeno con un promedio de otras 3,4 molculas solamente. Por el contrario, en ellelo, cada molcula est fija en el espacio y forma puentes de ldrgeno con otras 4 molculas de agua (Fig. 2-2). La rotura de un nmero de puent:,es de hidrgeno sufidente para desestabilizar la retcula cristalina del hielo requiere mucha energa trmica, lo que explica el punto de fusin relativamente elevado del agua (Thbla 2-l). Cuando se mde el hielo o se evapora el agua , se absorbe calor por parte del sistema:

H20(slido)-- H20(liqwdol tf. = +5,9 kJ/mol

H20(lquido) -- H20(gas) AH = +44,0 kJ/mol

Durante la fusin o la evaporacin aun1enta la entropa del sistema acuoso a medida que conjuntos altamente ordenados de molculas de agua se relajan para dar paso a los conjuntos de puentes de hidrgeno menos ordenados del agua lquida o a las molculas totalment e desordenadas de agua en el estado gaseoso. A temperatura ambiente, tanto la fusi6n del hielo como la evaporadn del agua se clan espontneamente ; la ten dencia cte las molculas de agua a asociarse mediante puentes de hidrgeno queda contrarrestada por el empuje energtico hacia el desorden. Recurdese que la variacin de energa libre (l1G) ha de ser negativa para que un p roceso se produzca de forma espontnea: 11G = AH - T!:l.S, en donde O.G representa la fuera motri:l, Mi la variacin de entalpa relacionada

2.1 Interacciones dbiles en los sistemas acuosos 49

'fr ?i?

FIGURA 2-2 Puentes de hidrgeno en el hielo. Cada molcula de agua forma un mximo de cuatro puentes de hidrgeno, creando una red cristalina regular. Por el contrario, en el agua lquida a temperatura ambiente y presin atmosfrica cada molcula de agua forma puentes de hidrgeno con otras 3,4 molculas de agua en promedio. La red cristalina del hielo es menos densa que el agua lquida y por eso flota en el agua lquida.

con la rotura y formacin de enlaces y AS la variacin en el grado de desorden. Dado que !::Ji es positiva para la fusin y para la evaporacin, es el aumento de entropa (tl.S) el que hace que t:J..G sea negativa e impulse estas transformaciones.

El agua forma puentes de hidrgeno con los solutos polares

Los puentes de hidrgeno no son exclusivos del agua. Se forman fcilmente entre un tomo electro negativo (el aceptor de hidrgeno, normalmente oxgeno o nitrgeno con un par de electrones no enlazanr.es) y un tomo de hidrgeno unido covalentemente a otro tomo electronegativo (el dador de hidrgeno) en la nsma o en otra molcula (Fig. 2-3). Los tomos de ldrgeno unidos covalentemente a tomos de carbono

"e/ "e/

Aceptor de 11 /

'o/

11 \r

/ hidrgeno o N o N Dador de H H H H H H hidrgeno 1 1 1 1 1 1 o o

?

N N N 1 1 1 1 1

FIGURA 2-3 Tipos comunes de puentes de hidrgeno en los siste-mas biolgicos. El aceptor de hidrgeno es habitualmente el oxgeno o el nitrgeno; el dador es o1ro tomo electronegativo.

50 Captulo 2 El agua

no participan en la formacin de puentes de hidrgeno, puesto que el carbono es tan slo ligeramente ms electronegativo que el hidrgeno y, por tanto, el enlace C-H es slo muy dbilmente polar. Esta diferencia explica por qu el butano! (CHsCCH:D2CH20H) tiene un punto de ebullicin relativamente alto de 117 oc, mientras que el butano (CH3(CH2)2CHs) tiene un punto de ebullicin de solamente -0,5 C. El butano! tiene un grupo hidroxilo polar, por lo que puede formar puentes de hidrgeno intermoleculares. Las biomolculas no cargadas pero polares tales como los azcares se disuelven fcilmente en el agua debido al efecto estabilizador de los puentes de hidrgeno que se forman entre los grupos hidroxilo o el oxgeno carbonilico del azca:r y las molculas polares de agua. Los alcoholes, aldeldos, ce tonas y los compuestos que contienen enlaces N-H forman puentes de hidrgeno con las molculas de agua (Fig. 2-4) y tienden a ser solubles en agua.

Los puentes de hidrgeno alcanzan una fuerza mxima cuando las molculas unidas estn orientadas de forma que la interaccin electrosttica sea lo mayor posible, lo que tiene lugar cuando el tomo de hidrgeno y los dos tomos que lo comparten se encuentran en lnea recta -esto es, cuando el tomo aceptor est alineado con el enlace covalente entre

Entre el grupo hidroxilo de un alcohol y el agua

R

"? H

/6'-.. H H

Entre el grupo carbonilo de una cetona y el agua

Rl R2 "e/

11 --H 1

o"--H

Entre bases complementarias delDNA

Entre grupos peptdicos en polipptidos

H R 1 1

N"-- /.e eH 11 -

H 1

v"c 1 11

R o

Timina

Adenina

FIGURA 2-4 Algunos puentes de hidrgeno que tienen importancia biolgica.

R R

Z I Puente de }1? Puente de

: hidrgeno fuerte ,H hidrgeno dbil - O'' " .0 " -:9' -P -P / /

FIGURA 2-5 Direccionalidad del puente de hidrgeno. La atraccin entre las cargas elctricas parciales (vase Fig. 2-1) es mxima cuando los tres tomos implicados (en este caso O, H y 0) se hallan en lnea recta. Cuando los grupos unidos por puente de hidrgeno sufren restricciones estructurales (como por ejemplo cuando forman parte de una nica molcula de protena), esta geometra ideal puede no ser posible y el puente de hidrgeno resultante es ms dbil.

el tomo dador y el H (Fig. 2-5)-. Los puentes de hidrgeno tienen pues un carcter altamente direccional y son capaces de mantener dos molculas o grupos unidos por puente de hidrgeno con un ordenanento geomtrico especfico. Veremos ms adelante que esta propiedad de los puentes de hidrgeno confiere estructuras tridimensionales muy precisas a molculas de protefuas y cidos nucleicos en las que existen muchos puentes de hidrgeno ntramoleculares.

El agua interacciona electrostticamente con los solutos cargados

El agua es un disolvente polar. Disuelve fcilmente la mayora de biomolculas, que generalmente son compuestos cargados o polares (Tabla 2-2); los compuestos que se disuelven fcilmente en el agua son hidroflicos (del griego, "amantes del agua"). Por el contrario, los disolventes apolares tales como el clorofOJmo y el benceno son malos disolventes de las biomolculas polares, pero disuelven fcilmente las que son hidrofbicas -molculas apelares tales como los lpidos y las ceras.

El agua disuelve sales tales como el NaCl mediante la hidratacin y estabilizacin de los iones Na+ y Cl-, debilitando las interacciones electrostticas entre ellos y contrarrestando as su tendencia a asociarse en una red cristalina (Fig. 2-6). Lo mismo ocurre con las biomolculas cargadas, compuestos con grupos funcionales tales como los cidos carboxlicos ionizados e -coo-), las aminas protonadas e -Nli3) y los steres o anldlidos fos.fricos. El agua disuelve fcilmente este tipo de compuestos reemplazando puentes de hidrgeno soluto-soluto por puentes de hidrgeno soluto-agua, apantallando as las interacciones electrostticas entre molculas del so luto.

El agua es especialmente efectiva en apantallar las interacciones electrostticas enLTe iones disueltos a causa de su elevada constante dielctrica, una propiedad fsica que refleja el nmero de dipolos en un disolvente. La intensidad, o fuerza (F), de las interacciones inicas en una disolucin depende de la magnitud de las cargas (Q), la distancia entre los grupos cargados (r) y la constante dielctrica (s) del disolvente en el que tienen lugar las interacciones:


TABLA 2-2 Algunos ejemplos de biomolculas polares, apolares y antipticas (mostradas en forma inica a pH 7)

Polares Glucosa

Glicina

Aspartato +NHs

Apolares Cera tpica

Antipticas Fenilalanina

1 -ooc-CHz-CH-coo- Fosfatidilcolina Lactato CHs-CH-coo-1

OH

Glicerol

D Grupos polares L Grupos apol ares

Para el agua a 25 oc, e (que es actimensional) tiene un valor de 78,5 mientras que para el benceno, que es un disolvente muy apolar, e vale 4,6. Asf, las interacciones inicas son mucho ms fuertes en los ambientes menos polares. La dependencia respecto a ,.Z hace que las atTacciones o repulsiones inicas operen slo a distancias muy cortas, del orden de lO a 40 nm (dependiendo de la concentracin de electrolito) cuando el disolvente es el agua.

La entropa aumenta cuando se disuelve una sustancia cristalina

A medida que se disuelve una sal tal como el NaCl, los iones Na+ y Cl que abandonan la red cristalina adquieren ms libertad de movimiento (Fig. 2-6). El incremento de entropa (desorden) que se produce en el sistema es el principal responsable de la facilidad con la que se disuelven en agua sales

a40.:0 r!

Ion Na+ hidratado v


tales como el NaCI. En trminos termodinmicos, la disolucin tiene lugar con una variacin favorable en la energa libre: A.G = 6.H - TAS, en donde AH tiene un valor positivo pequeo Y TAS un valor positivo alto, de forma que A.G es negativa.

los gases apolares se disuelven mal en el agua Los gases biolgicamente importantes tales como el C02, 02 y N2, son apelares. En el 02 y N2 ambos tomos comparten los electrones de igual manera. En el C02, cada enlace C=) es polar, pero los dos ctipolos estn dirigidos de manera opuesta, con lo que se anulan entre s ('fabla 2-3). El movimiento de estas molculas desde la fase gaseosa desordenada a la fase acuosa restringe su movimiento y el movimiento de las molculas de agua y representa, por tanto, un descenso de entropa. La naturaleza apolar de estos gases y la disminucin de entropa cuando se introducen en la disolucin hacen que sean muy poco solubles en agua (Tabla 2-3). Algunos organismos contienen protenas transportadoras hidrosolubles (hemoglobina y mioglobina, por ejemplo) que facilitan el transporte del 02. El dixido de carbono forma cido carbnico (H2C03) en disolucin acuosa y es transportado en forma de ion bicarbonato (HC03), ya sea en forma libre -el bicarbonato es muy soluble en agua ( -1 OOg/L a 25 C)- o unido a hemoglobina. Otros dos gases, el NH3 y el H2S, tambin tienen papeles biolgicos en algunos organismos; stos son gases polares que se ctisuelven fcilmente en el agua.

los compuestos apolares fuerzan cambios desfavorables energticamente en la estructura del agua Cuando se mezcla el agua con benceno o hexano, se forman dos fases; ninguno de los dos liquides es soluble en el otro. Los compuestos apelares tales como el benceno y el hexano son

hidrofbicos -son incapaces de experimentar interacciones energticamenLe favorables con las molculas de agua y, de hecho, interfieren en la formacin de enlaces de hidrgeno entre las molculas de agua-. Todas las molculas o iones en disolucin acuosa interfieren en los puentes de hidrgeno de algunas molculas de agua en su proximidad inmediata, pero los solutos cargados o polares (tales como el NaCI) compensan esta prdida de puentes de hidrgeno entre molculas de agua mediante la formacin de nuevas interacciones entre el soluLo y el agua. La variacin neta de entalpa (AH) en la disolucin de estas sustancias es, generalmente, pequea. Los solutos hidrofbicos no ofrecen esta compensacin, por lo que su adicin al agua puede resultar, por tanto, en una pequea ganancia de entalpa; la rotura de puentes de hidrgeno requiere la adicin de energfa al sistema. Adems, la disolucin de compuestos hiclrofbicos en el agua da lugar a un descenso significativo de entropa. Las molculas de agua en la vecindad inmediata del soluto apelar estn restringidas en sus orientaciones posibles ya que forman una capa en forma de jaula de molculas de agua muy ordenada alrededor de cada molcula de soluto. Estas molculas de agua no estn tan allamente orientadas como las de los clatratos, compuestos cristalinos de un soluLo apolar y agua, pero el efecto es el mismo en ambos casos: el orden en las molculas de agua reduce la entropa. El nmero de molculas de agua ordenadas, y por tan lo la magnitud del descenso de entropa, es proporcional al rea superficial del soluto ttidrofbico incluido en Ja jaula de molculas de agua. La variacin de energa libre que conlleva la disolucin de un soluto apelar en agua es, por tanto, desfavorable: A.G = A.H- TAS, en donde Ml tiene un valor positivo, AS un valor negativo y t!.G es positiva.

Los compuestos antipticos contienen regiones que son polares (o cargadas) y regiones que son apelares (Tabla 2-2).

TABLA 2-3 Solubilidad de algunos gases en agua

Gas

Nitrgeno

Oxgeno

Dixido de carbono

Amonaco

Sulfuro de hidrgeno

Estructura

;- 3 ----O=C=O

H Hl "'-/

S a

Polaridad

Apolar

Apolar

Apolar

Polar

Polar

Solubilidad en agua (gjL)t

0,018 ( 40 C}

0,035 (50 C}

0,97 (45 C)

1860 (40 C}

s ftechas representan dipolos elctrtcos; existe una carga negativa pardal (li-) en la punta de la flecha y una carga parolal positiva (ll ; no mostrada aqu) en la cola. 10bsrvese que las molculas polares se disuelven mucho mejor lnctuso a temperaturas bajas que las molculas apolares a temperaturas relativamente elevadas.


Dispersin de lipidos en agua Cada molcula de lpido obliga a las molculas de H20 circundan tes a convertirse en altamente ordenadas.

-L--P'tt'-- Grupo alqulico

"Agrupamientos fluctuantes" (flickering clusters) de molculas de H20 en

bichofbico

el seno del lquido Molculas de agua muy ordenadas forman "jaulas" alrededor de las

cadenas alqulicas hidrofbicas

(a)

FIGURA 2-7 Compuestos anfipticos en solucin acuosa. (a) los cidos grasos de cadena larga tienen cadenas alqulicas muy hidrofbicas, cada una de las cuales est rodeada por una capa de molculas de ag ua altamente ordenadas. (b) Agrupndose en micelas, las molculas de cido graso exponen al agua la mnima superficie hidrofbica posible y se necesitan menos molculas de agua en la capa de agua ordenada. la micela se estabiliza gracias a la energa ganada en la liberacin de molculas de agua inmovilizadas.

Cuando se mezcla un compuesto anfiptico con agua, la regin polar hidrotmca interacciona favorablemente con el disolvente y tiende a disolverse, pero la regin apolar hiclrofbica tiende a evitar el contacto con el agua (Fig. 2-7a). Las regiones apolares ele las molculas se agrupan para presentru l a menor rea hldrofbica posible al disolvente mientras que las regiones polares se disponen ele forma que se maximice su interaccin con el disolvente acuoso (I'ig. 2-7b). Estas esbuctwas estables de compuestos anfiplicos en agua, denonnadas micelas, pueden contener cientos o miles de molculas. Las fuerzas que mantienen juntas las regiones apolares ele las molculas se denominan interacciones bidrofbicas. La fuerza de estas interacciones no se debe a ninguna atraccin intrnseca enue las part.es apolares. Proviene ms bien de la obtencin de la mxima estabilidad te1modinmica del sistema al minimizar el nmero de molculas de agua ordenadas necesarias para rodear porciones hidrofbicas de las molcula de soluto.

Muchas biomolculas son anfipticas; las protenas, pigmentos, ciertas vitaminas y los esteroles y fosfolipidos de las membranas tienen regiones con superficies polares y apolares. Las estructuras formadas por estas molculas se estabilizan mediante interacciones hlclrofbicas entre las regiones apelares. Las interacciones hldrofbicas entre lipidos y entre

(b)

Mi celas

Todos los grupos hidrofbicos estn secuestrados lejos del agua; se minimiza la capa ordenada de molculas de H20 y la entropa aumenta an ms.

llpidos y protenas son los detemlinantes ms in1port.antes de la cslructura de las membranas biolgicas. Las interacciones hidrofbicas entre aminocidos apelares estabilizan tambin las estructuras tridimensionales de las protenas.

La fom1acin de puentes de hidrgeno entre el agua y los solutos polares tambin produce un cierto ordenamient.o de las molculas de agua, pero el efecto es menos signicativo que con los solutos apolares. Parte de la fuerza impulsora de la unin de un sustrato polar (reactivo) a la superficie polar complementaria de tm enzima es el aumento de entTopa que


Agua ordenada que interacciona con

el sustrato y el enzima

Enzima

!

Interaccin enzima-sustrato estabilizada mediante interacciones por puentes de hidrgeno, inicas e hidrofbicas

AGURA 2-8 la liberacin de agua ordenada favorece la formacin de un complejo enzima-sustrato. Cuando estn separados, tanto el enzima como el sustrato fuerzan a las molculas de agua cercanas a formar una capa ordenada. La unin del sustrato al enzima libera parte del agua ordenada y el aumento de entropa resultante proporciona un "empujn" termodinmiCO para la formacin del complejo enzima-sustrato.

tiene lugar al desplazar el enzima molculas de agua ordenadas del sustrato (Fig. 2-8).

Las interacciones de van der Waals son atracciones interatmicas dbiles

Cuando dos tomos no cargados se encuentran muy cerca, las nubes electrnicas que los rodean se influyen mutuamente. Variaciones al azar en las posiciones de los electrones alrededor del ncleo pueden crear 1m dipolo elcLrico transitorio, que induce un cpolo elctrico opuesto tambin transitorio en

el tomo cercano. Los dos dipolos se atraen dbilmente entre s[ con lo que los ncleos se acercan ms. Estas atracciones dbiles se denominan interacciones de van der Waals. A medida que los dos ncleos se acercan entre sf sus nubes electrnicas empiezan a repelerse. En el punto determinado en que la atraccin de van der Waals equilibra exactamente esta fuerza repulsiva, se dice que los ncleos se encuentran en contacto de van der Waals. Cada tomo posee w1 radio de van der Waals caracterstico, que constituye una medida de lo que este tomo permitir acercarse a otro (Tabla 2-4). En los modelos moleculares espaciales que se muesLTan a lo largo de esLe libro los tomos se representan con tamaos proporcionales a sus radios de van det Waals.

Las interacciones dbiles son cruciales para la estructura y funcin de las macromolculas

Las interacciones no covalentes que hemos descrito (puentes de ldrgeno e interacciones inkas, hiclrofbicas y de van der Waals) (Tabla2-5) son mucho ms dbiles que los enlaces covalentes. Se requiere un aporte de energa de 350 kJ para romper un mol (6 X 102.1) de enlaces C-C simples y de WlOS 41 O kJ para romper un mol de enlaces C-H, pero se requieren solamente entre 4 y 8 kJ para destruir un mol de inleracciones,de van der Waals Upicas. Las interacciones hidrofbicas son tambin mucho ms dbiles que los enlaces covalentes, atmque son sustancialmente reforzadas por un disolvente de polruidad elevada (una disolucin salina concentrada, por ejemplo). Las interacciones inicas y los puentes ele hidrgeno son de fuerza variable, que depende de la polaridad del disolvente y del grado de alineamiento de los tomos unidos por enlace de hidrgeno, pero son siempre significativamente ms

TABLA 2-4 Radios de van der Waals y radios de enlace covalente (enlace smple) de algunos elementos

Radio de van Radio covalente del Elemento der Waals(nm) enlace simple (nm)

H 0,11 0,030 o 0,15 0,066 N 0,15 0,070 e 0,17 0,077 S 0,18 0,104 p 0,19 0,110

0,21 0,133

Fuentes: llldios de van derWaals: Chauvin, R. (1992) Explicit penodic uend of van def Waals radii.J.Phys. Chem. 96, 9194-9197.Radloscovalentes: Paullng, L (1960) Narvreof lile Chemicat Bond, 3. ed. Comell Unlversity Press, lthaca, NY. Nota: los radios de van der Waals describen las dimenslones espaciales de los tomos. cuando dos tomos se unen COYalentemente. los radiOs atmicos en eJ punto de enlace son menores que los radios de van der .,.,.aals porque el par de elettrones compart.do aceroa los dos tomos. La distancia entre ndeos en una interaccin de van der Waals o en un enlace covalente es aproximadamente igual a la suma de los radios de van der Waals o de los radios covalentes de los dos tomos. respectiVamente. De este modo, la longitud de un en lace simple carbono-carbono es de aproximadamente 0,077 nm + 0,077 nm = 0.154 nm.

TABLA 2-5 Cuatro tipos de interacciones no covalentes ("dbiles") entre biomolculas en disolucin acuosa

Enlaces de hidrgeno Entre grupos neutros

Entre enlaces peptdicos

Interacciones inicas

Atraccin

Repulsin

Interacciones hidrofbicas

Interacciones de van der Waals

"c=O H-Q/

o u

-+NHs -o-c-

agua

Dos tomos cualesquiera muy prxi mos

dbiles que los enlaces covalentes. En un disolvente acuoso a 25 C, la energa trmica disponible puede ser del mismo orden de magnitud que la fuerza de estas interacciones dbiles y la interaccin entre las molculas de solulo y de disolvente (agua) es casi tan favorable como las interacciones soluto-soluto. En consecuencia, los puentes de hidrgeno y las interacciones inicas, hidrofbicas y de van der Waals se forman y rompen continuamente.

Aunque cada uno de estos cuatro tipos de interacciones es dbil en comparacin con un enlace covalente, el efecto acumulativo de muchas interacciones de este tipo puede ser muy significativo. Por ejemplo, la unin no covalente de un enzima a su sustrato puede implicar varios puentes de hidrgeno y una o ms interacciones inicas asf como interacciones hidrofbicas y de van der Waals. La formacin de cada w10 de estos enlaces dbiles contribuye a tm descenso neto de la energa libre del sistema. Podemos calcular la estabilidad de una interaccin no covalente, tal como la de una molcula pequea unida por puentes de hidrgeno a su pareja macromolecular, a partir de la energa de unin. La estabilidad, medida por la constante de equilibrio (vase ms adelante) de la reaccin de unin, varia de forma exponencial con la energa de u1n. La disociacin de dos biomolculas (tales como un enzima y su sustrato unido) asociadas de forma no covalente mediante mltiples interacciones dbiles requiere que todas estas


interacciones se destruyan al mismo tiempo. Dado que las interacciones fluctan al azar, tal destruccin sin1ultnea es muy poco probable. La estabilidad molecular conferida por dos, cinco o 20 interacciones dbiles es, por tanto, mucho mayor de lo que podra esperarse de una simple adicin de las pequeas energfas de utn.

Las macromolculas tales como las protenas, el DNA y el RNA contienen tantos sitios potenciales para la formadn de puentes de hidrgeno o interacciones inicas, de van der Waals o hiclrofbicas que el efecto acumulativo del gran nmero de pequeas fuerzas de unin es enorme. La estructura ms estable (nativa) de la mayora de macromolculas es aquella en la que se maximizan las posibilidades de uniones dbiles. El plegamiento de una cadena polipeptfdica o polinucleotfdica en su forma tridimensional viene determinado por este principio. La wn de un antgeno a un anticuerpo especfico depende de los efectos acwnulativos de muchas interacciones dbiles. Como se ha resaltado anteriormente, la energa liberada cuando w1 enzima se une de manera no covalente a su sustrato es la fuente principal del poder cataltico del enzima. La unin de una hormona o un neurotransmisor a su receptor celular proteico es el resultado de interacciones dbiles. Una consecuencia del gran tamaflo de los enzimas y de los receptores es que sus grandes superficies proporcionan muchas oportunidades para el establecimiento de interacciones dbiles. A nivel molecular, la complementariedad entre biomolculas que interaccionan entre s refleja la complementariedad y las interacciones dbiles entre grupos polares, cargados e hidrofbicos en la superficie de las molculas.

Al determinar la estructura de una protena tal como la hemoglobina (Fig. 2-9) por cristalografa de rayos X (vase Recuadro 4-4, p. 1 36), es frecuente encontrar molculas de agua wdas tan fuertemente que forman parte de la estructura cris-

(a) {b)

FIGURA 2-9 Unin del agua a la hemoglobina. La esll'uctura cristalina de la hemoglobina se muestra en (a) con sus molculas de agua unidas (esferas rojas) y en (b) sin las molculas de agua. Estas molculas de agua se hallan tan firmemente unidas a la protena que afectan al patrn de difraccin de rayos X como si formaran parte del cristal. Las dos subunidades a de la hemoglobian se muestran en color gris y las dos subunidades (3 en azul. Cada subunidad tiene unido un grupo hemo (estructura de varillas roja), que slo es visible en las subunidades f3 en esta figura. La estructura y funcin de la hemoglobina se tratan en detalle en el Captulo 5.


talina; lo mismo ocurre en cristales de RNA o DNA. Estas molculas de agua, detectables tambin en disolucin mediante resonancia magntica nuclear, poseen propiedades que las distinguen del resto de agua del disolvente. Son, por ejemplo, osmticamenle inactivas (vase ms adelante). El agua fuertemente unida es esencial para la funcin de muchas protenas. Por ejemplo, en una de las reacciones clave del proceso de la fotosntesis, la energa de la luz se usa para bombear protones a travs de una membrana biolgi

O= H20

= Soluto

Cristal de hjelo en formacin

OOQQQOOOQC

(a) En el agua pma, cada molcula de la superficie es H20 y todas contribuyen a la presin de vapor. Cada molcula en el seno del lquido es H20 y puede contribuir a la formacin de cristales de hielo.

(b) En esta solucin, la concentracin efectiva de H20 se encuentra disminuida; solamente 3 de cada 4 molculas de agua en. la superficie y en el seno del lquido son de H20. La presin de vapor del agua y la tendencia del agua lquida a incorporarse en un crista l estn proporcio n.almente reducidas.

FIGURA 2-11 Los solutos alteran las propiedades coligativas de las disoluciones acuosas. (a) A una presin de 1 01 kPa (1 atm), el agua pura hierve a 1 00 ( y se congela a O "C. (b) la presencia de molculas de soluto reduce la probabilidad de que las molculas de agua abandonen la disolucin y entren en la fase gas, reduciendo de esta forma la presin de vapor de la disolucin e incrementando el punto de ebullicin. De modo similar, la probabilidad de que una molcula de agua choque con un cristal de hielo en formacin y se una al mismo es menor cuando algunas de las molculas que chocan con el cristal son de soluto en vez de agua. El efecto es la dismi nucin del punto de congelacin .

soluciones de vmios (n) solutos, TI es la suma de las contribuciones de cada especie:

La smosis, el movimiento de agua a travs de una membrana senperrneable impulsado por diferencias en la presin osmtica, es un factor importante en la vida de la mayora de las clulas. Las membranas plasnuiticas son ms permeables al agua que a la mayor parte del resto de molculas pequea.


Sol u tos extracelulares

/.

1

(b) Clula en solucin hipertnica; sale agua y la clula se encoge.

So lutos intracelulares

(a) Clula en solucin isotnica; no hay movimiento neto de agua.

(e) Clula en solucin hipotnica; entra agua, creando presin hacia afuera; la clula se hincha y puede llegar a reventar.

FIGURA 2-13 Efecto de la osmolaridad extracelular en el movimiento del agua a travs de una membrana plasmtica. Cuando una clula en equilibrio osmtico con el enlomo que la rodea (esto es, en un medio isotnico) (a) se transfiere a una solucin hipertnica (b) o a una solucin hipotnica (e), el agua fluye a travs de la membrana plasmtica en la direccin que tiende a igualar la osmolaridad dentro y fuera de la clula.

macromolculas (protenas, cidos nucleicos, polisacridos) tienen un efecto mucho menor en la osmolaridad de una disolucin que la que tend.la una misma masa de sus componentes monomricos. Por ejemplo, un gramo de un polisacrido compuesto por 1000 unidades de glucosa tiene el mismo efecto en la osmolaridad que un 'miligramo de glucosa. Un efecto del almacenamiento de combustible en forma de polisacridos (almidn o glucgeno) en vez de como glucosa u otros azcares simples es el de evitar un aumento enorme de la presin osmlica en la clula de depsito

Las plantas utilizan la presin osmtica para conseguir rigidez mecnica. La concentracin muy elevada de so luto en las vacuolas impulsa agua hacia el interior de la clula (Fig. 2-13). La presin osmtica resultante contra la pared celular (presin de turgencia) proporciona rigidez a la clula, al tejido y al organismo vegetal. Cuando la lechuga de su ensalada se marctta es debido a que la prdida de agua ha reducido la presin de \.urgencia. AlLeraciones repentinas en la presin de \.urgencia producen el movimiento de partes de la planta que se obsetva en plantas sensibles al tacto como la Venus atrapamoscas y la mimosa (Recuadro 2-1).

La smosis tambin tiene consecuencias en los protocolos de laboratorio. Las mitocondrias, cloroplastos y lisosomas, por ejemplo, estn rodeados de membranas semipermeables. Para aislar estos orgnulos a partir de clulas rotas, los bioqumicos deben llevar a cabo los fraccionamientos en disoluciones isotnicas (vase Fig. 1-8). Los tampones ulili.zados en los fraccionamient,os celulares contienen normalmente concentraciones suficientes (alrededor de 0,2 M) de sacarosa o algn otro soluto inerte para proteger los orgnulos de la lisis osmtica .

RESUMEN 2.1 Interacciones dbiles en los sistemas acuosos

Las muy diferentes electronegatividades del H y del O hacen del agua una molcula muy polar, capaz de formar enlaces de hidrgeno consigo misma y con sus solut.os. Los enlaces de hid16geno son de vida efmera, principalmente electrostticos y ms dbiles que los enlaces covalentes. El agua es un buen disolvente de solutos polares (hidrofilicos), con los que forma enlaces de hidrgeno, y de solutos cargados, con los que interacciona electrostticamente.

Los compuestos no polares (hidrofbicos) no se disuelven bien en el agua; no pueden formar enlaces de hidrgeno con el disolvente y su presencia induce un ordenamiento energticamente desfavorable de molculas de agua alrededor de sus superficies hidrofbicas. Para minimizar la superficie expuesta al agua, los compuest.os no polares como por ejemplo los lpidos forman agregados (micelas) en los que sus partes hidrofbicas se hallan secuestradas en el interior, asocindose a travs de interacciones hidrofbicas, y slo las partes ms polares interaccionan con el agua.

Numerosas interacciones dbiles no covalentes influyen decisivamente sobre el plegamiento de macromolculas tales como las protenas o los cidos nucleicos. Las conformaciones macromoleculares ms estables son aquellas en las que se maximiza el nmero de enlaces de hidrgeno en el interior de la molcula y entre la molcula y el disolvente, y en las que las zonas hidrofbicas se agrupan en el interior de la molcula, lejos del disolvente acuoso.

La concentracin de los solutos tiene una gran influencia sobre las propiedades sicas de las disoluciones acuosas. Cuando se separan dos comparti.mientos acuosos mediante una membrana semipermeable (tal como la membrana plasmtica que separa la clula de su entorno), el agua fluye a travs de esta membrana hasta igualar la osmolaridad de los dos comparUmientos. Esta tendencia del agua a fluir a travs de la membrana semipermeable recibe el nombre de presin osmtica.


RECUADRO 2-1 EL MUNDO DE LA BIOQUMICA

Respuesta tctil en plantas: un fenmeno osmtico Las hojas altamente especializadas de la Venus atrapamoscas (Dionaea ?tmscipu/a) se cierran rpidrunente en respuest.a a nn ligero toque ele' un insecto desprevenido, atrapando al iltsPeto para su posterior eliges\ i6n. At'rafdo por el nctar s de la hoja), probablememe producirlas por la liberacin de iones K+ ele las clulas .v el cons iguienLe flujo resuJL agua.

(b)

(b)

RGURA 1 Respuesta tdi 1 en la Venus atrapamoscas. Una mosca que se acerca a una hoja abierta (a) es atrapada para su cligesltn por la planta (b).

A GURA 2 Las hojas en forma de pluma de la planta sensible (a) e cierran y caen {b) para proteger a la planta de daos estruttur,11ts por E'l viento.


2.2 Ionizacin del agua, cidos dbiles y bases dbiles Aunque gran parLe de las propiedades del agua como disolvente se pueden explicar en funcin de la molcula H20 sin carga, debe tenerse tambin en cuenta el pequeo grado de ionizacin del agua en iones hldrgeno (J-i+) y en iones hidroxilo (OH-). Al igual que todas las reacciones reversibles, se puede describir la ionizacin del agua mediante una const.ante de equilibrio. Cuando se disuelven cidos dbiles en agua, su ionizacin aporLa H ; las bases consumen H-r al protonarse. Estos procesos estn tambin gobernados por constantes de equilibrio. La concentracin total de ion hidrgeno se puede medir experimentalmente y se eJo..'J)resa como el pH de la solucin. Para predecir el estado de ionizacin de los solutos en agua, hemos de tener en cuenta las constantes de equilibrio pertinentes para cada reaccin de ionizacin. Haremos por Lanto ahora una breve discusin sobre la ionizacin del agua y de los cidos y bases dbiles disueltos en la misma.

El agua pura est ligeramente Ionizada

Las molculas de agua tienen una Ugera tendencia a ionizarse reversiblemente para proporcionar un ion hidrgeno (protn) y un ion hidroxilo, dando el equilibrio

(2-1)

Aunque normalmente se muestra el producto de disociacin del agua como H , los protones Ubres no existen en disolucin los iones l:drgeno formados en el agua son inmediatamente hidratados a iones hidronio CH:10+). La formacin de puentes de ldrgeno entre las molculas de agua hace que la hidratacin de los protones disociados sea virtualmente insLantnea:

H-0 H-O, H-? -H + O H-H H H La ionizacin del agua puede medirse a travs de su conductividad elctrica; el agua pura conduce la corriente elctrica al migrar H+ hacia el ctodo y OH hacia el nodo. El movimiento de los iones hidronio e hidroxilo en el campo elctrico se produce con una rapidez anmala en comparacin con el de otros iones tales como el Na+, K+ y Cl-. Esta elevada movilidad inica es el resultado del "salto de protones" que se muestra en la Fi&tt.tra 2-14. Ning(m protn individual se mueve muy lejos a t.ravs del volumen de la disolucin, pero una serie de saltos de protones entre molculas de agua unidas por puentes de hidrgeno produce el movimiento neto de un protn a una gran distancia en un tiempo notablemente corto. Como resultado de la elevada movilidad del H+ (y del OH-, que Lambin se mueve rpidamente mediante salto de protones, pero en la direccin opuesta), las reacciones cido-base en disolucin acuosa son en general excepcionalmente rpidas. Como ya se ha visto anteriormente, el salto de protones tambin desempea probablemente un papel en las reacciones biolgicas de transferencia de protones (Fig. 2-1 O; vase tambin Fig. 19-59).

Un ion hidronio cede un protn

H H '0/ _ Salto de u n protn /0.._@ H H /0-@ \

H VO .._ ;-) H-0 " Co-H 1

, /O..._)

r o-H

1

) H-o,

:) /0-H H El agua acepta un protn y se transforma en un ion hidronio

FIGURA 2-14 Salto de protones. "Saltos" de protones a corta distancia a travs de una serie de molculas de agua unidas por puentes de hidrgeno tienen como resultado el movimiento neto extremadamente rpido de un protn a una gran distancia. Cuando un ion hidronio (arriba a la izquierda) cede un protn, una molcula de agua a una cierta distancia (abajo a la derecha) adquiere uno, convirtindose en un ion hidronio. El salto de protones es mucho ms rpido que la autntica difusin y explica la extraordinariamente elevada movilidad inica de los iones H+ comparada con otros cationes monovalentes como el Na+ o K+.

Puesto Que la ionizacin reversible es crucial para el papel del agua en la funcin celular, hemos de tener w1a manera de expresar el grado de ionizacin del agua en lrnnos cuanLitativos. Un breve repaso de algunas propiedades de las reacciones qufmicas reversibles nos mostrar cmo podemos hacerlo.

La posicin del eqtlibrio de cualquier reaccin qunica viene dada por su constante de equilibrio, Keq (a veces expresada simplemente como K). Para la reaccin general

A+B:::o:==C+D (2-2)

se puede definir una constante de equilibrio en funcin de la concentracin de los reactivos (A y B) y de los productos (C y D) presentes en el equilibrio:

(CJ[DJ Koq = LAJ(B)

En rigor, los trminos de concentracin deberfan ser las actividades, o concentraciones efectivas en soluciones no ideales, de cada especie. Excepto en los trabajos muy precisos, se

puede llegar a una aproximacin de la constante de equiliblio midiendo las concentraciones en el equilibrio. Por razones que escapan a esta discusin, las constantes de equilibrio son aclimensionales. Sin embargo, en las expresiones de equilib1io utilizadas en este libro hemos mantenido en general las unidades de concentracin (M) para recordar que la molaridad es la unidad ele concentracin que se utiliza en el clculo de Keq.

La constante de equilibrio es fJ.ja y caracterstica para cada reaccin qumica a tma temperatma dada. Define la composi.cin de la mezcla final en el equilibrio, independientemente de las cantidades iniciales de reactivos y productos. De modo inverso, podemos calcular la constante ele equilibrio de una reaccin dada a una temperatura determinada si se conocen las concentraciones en el equilibrio de todos los reactivos y productos. Como hemos visto en el Captulo 1 (p. 26), la variacin estndar de energfa libre (t1G") est relacionada directamente con la Keq

La ionizacin del agua se expresa mediante una constante de equilibrio

El grado de ionizacin del agua en el equilibrio (E c. 2-1) es pequei'io; a 25 oc aproximadamente tan slo dos de cada 109 molculas en el agua pura estn ionizadas en lm momento dado. La constante de equilibrio para la ioruzacin reversible del agua (Ec. 2-1) es

(2-3)

En agua pura a 25 C, la concent.racin del agua es de 55,5 M (gramos de H20 en 1 L divididos por el peso molecular en gramos, o sea [1000 g/L)/(18,015 g/mol)l y es esencialmente constante en relacin a las baj:simas concentraciones de H+ y OH-, es decir, 1 X 10-7M. De acuerdo con ello podemos sustituir por 55,5 M el denominador de la e>."Presin de la constante de equilibrio (Ec. 2-3) para dar

K = [H+J[OJ--j

eq 55,5 M 1

la cual, reordenando, se convierte en

(55,5 M)(Keq) = [H+]{oH-J = Kw (2-4)

donde Kw designa el producto (55,5 M)(K"q), denominado producto inico del agua a 25 C.

El valor de Kcq, determinado mediante medidas de conductividad elctrica del agua pura, es 1,8 X 10-16 M a 25 C. La sustitucin de este valor de K.,q en la Ecuacin 2-4 da el producto inico del agua:

Kv = [H 1 HOH- ] = (55,5 M)(1,8 X 10-16 M) = 1,0 X 10-14 M2

As, el producto IR+][ OH-] en disoluciones acuosas a 25 oc es siempre igual a 1 x 10-1.1 M2 Cuando existen concentraciones exactamente iguales de H + y me, tal como sucede en el agua pura, se dice que la solucin est a pB neutro. A este pH, se puede calcular la concentracin de H y OH- a partir del producto inico del agua de la manera siguiente:

2.2 Ionizacin del agua, cidos dbiles y bases dbiles 61

Kw = [H+)[oH-1 = [H+]2 Despejando [H+l da

(H+) = y = YlX l0-14M2

[H+] = [OH-) = 10-7 M

Dado que el producto inico del agua es constante, siempre que [H+] sea superior a 1 x 10-7M, [OH-] ser infelior a 1 x 10-7M, y viceversa. Cuando la [H+] es muy alta, tal como sucede en una solucin de cido clorlclrico, [OH-] ser muy pequei'ia. A partir del producto inico del agua podemos calcular [I-r1-] si conocemos [OFr-] y Viceversa (Recuadro 2-2).

La escala de pH representa las concentraciones de H+ y OH-

El producto inco del agua, Kw, constituye la base de la escala de pH (Tabla 2-6). El pH constituye una forma conveniente de designar la concentracin de H+ (y por consiguiente de OH-) en cualquier solucin acuosa entre 1,0 M de H+ y 1,0 M ele OH-. El trmino pB se define mediante la expresin

1 PH = log -- = - log [H+J [H+]

El smbolo p denota el "logaritmo negativo de". Para una solucin eactamente neutra a 25 C, en la que la concentracin de los iones hidrgeno es 1,0 x 10-7M, se puede calcular el pH ele la manera siguiente:

1 pH = log 7 = log (1,0 X 107) 1,0 X 10-

= log 1,0 + log 107 = O + 7 = 7

TABLA 2-6 la escala de pH

{H+) (M) pH [OH-] (M)

10 (1) o 10-14 10-1 1 10-13 10-2 2 10-12 10-3 3 10-11 10-4 4 10-10 10-5 5 10-9 10-6 6 10-8 10-7 7 10-7 10-8 8 10-6 10-9 9 10-5 10-10 10 10-4 10-11 11 10-3 10-12 12 10-2 10-13 13 10-1 10-14 14 10 (1)

pOH"'

14 13 12 11 10

9 8 7 6 5 4 3 2 1 o

A veces se utiliza la expresin pOH para describir la baslcidad, o concentracin de OH , de una solucin; el pOH se define por la expresin pOH = -log [OH"], que es anloga a la expresin para el pH. Obsrvese que en todos los casos. pH + pOH = 14.

1


RECUADRO 2-2 BIOQUMICA PRCTICA

El producto inico del agua: dos problemas ilustrativos El producto inico del agua pernte calcular la concentracin de H' dada la concentracin de OH- y viceversa; los siguientes problemas lo demuestran.

1. Cul es la concentracin de H+ en tma disolucin de NaOH 0,1 M?

Kw = (H+][oH-l

Despejando [H+l da

K 1 X 1 -l4 M2 [H+J = roti'-J - o,1 M

= 10-13 M (respuesta)

El valor de 7 para el pH de una solucin exactamente neutra no es una cifra escogida de manera arbitraria; proviene del valor absoluto del producto inico del agua a 25 C, que por una feliz coincidencia es un nmero entero. Las soluciones que tienen un pH supNior a 7 son alcalinas o bsicas; la concentracin de OH- es mayor que la de H+. Inversamente, las soluciones con un pH inferior a 7 son cidas.

Obsrvese que la escala de pH es logaritmica, no aritmtica. Decir que el pH de dos soluciones difiere en 1 unidad de pH sigJfica que una solucin tiene una concentracin de H+ diez veces superior al de la otra, pero no nos dice cul es el valor absoluto de la diferencia. La Figwa 2-15 indica el pH de algunos fluidos acuosos comunes. Una bebida de cola (pH 3,0) o un vino tinto (pH 3,7) tiPne una concentracin de H+ aproximadamente 10.000 veces supe1ior a la de la sangre (pH 7,4).

Se puede medir aproximadamente el pH de una solucin acuosa utilizando diversos colorantes indicadores, entre ellos el tornasol, la fenolftalena y el rojo fenol, que experimentan cambios de color cuando se disocia un protn de la molcula de colorante. Las determinaciones precisas del pH en el laboratorio qumico o clnico se hacen con un electrodo ele vidrio que es selectivamente sensible a la concentracin ele Hi pero que es insensible al Na+, K+ y otros cationes. En un pHmetro se amplifica la seal de un electrodo de este tipo y se compara con la sel'\al generada por una disolucin cuyo pH se conoce con exactitud.

La medlcin del pH es una de las operaciones ms imporLantPs y frecuentemente utilizadas en bioqumica. El pH afecta a la estructura y actividad de macromolculas biolgicas; por ejemplo la actividad cataltica de los enzimas tiene una gran dependencia del pH (vase Fig. 2-21). La medida del pH de la sangre y de la orina se utiliza normalmente para diagnosticar enfermedades. 81 pH del plasma sanguneo de las personas

2. Cul es la concentracin de OH- en una disolucin en la que la concentracin de H+ es 1,3 x lO 4 M?

Kw = [H+)[oH-1

Despejando [OH-1 da

. Kw 1.0 X 10-14 M2 [OH )

= [H] = 1,3 X 10 4 M = 7,7 X 10-11 M (respuesta)

Al realizar esLos u otros clculos, hay que asegurarse de utilizar el nmero correcto de cras significativas en las respuestas.

14

13

12

11

10

9

:F 6

5

Bascidad creciente

Neutro

Leja domstica

Amonaco domstico

Solucin de levadura al'tificial (NaHC03)

Agua de mar, clara de huevo Sangre humana, lgrimas

r Leche, saliva

------- Caf solo

Cerveza Zumo de tomate Vino tinto

Cola, vinagre

Zumo de limn Jugo gstrico

HCl 1M

FIGURA 2-15 pH de algunos Huidos acuosos.

2.2 Ionizacin del agua, cidos dbiles y bases dbiles 63

con diabetes grave no controlada, por ejemplo, es con frecuencia inferior al valor normal de 7,4; este estado se conoce como acidosis. En otros estados patolgicos el pH de la sangre es superior al normal, estado que se denomina alcalosis.

Los cidos y bases dbiles tienen constantes de disociacin caractersticas

Los cidos clorhdrico, sulfrico y ntrico, denominados comnmente cidos fuertes, estn completamente ionizados en soluciones acuosas diluidas; las bases fuertes NaOH y KOH tambin estn ionizadas completamente. De mayor inters para los bioqumicos es el comportamiento de los cidos y bases dbiles -Jos que no estn completamente ionizados al disolverse en el agua-. stos son frecuentes en los sistemas biolgicos y juegan papeles importantes en el metabolismo y su regulacin. Se comprender mejor el comportamiento de las soluciones acuosas de los cidos y bases dbiles si definimos primero algunos trminos.

Se pueden definir los cidos como dadores de protones y las bases como aceptores de protones. Un dador de protones y su correspondiente aceptor forman un par cido-base conjngados (Fig. 2-16). El cido actico (CH3COOH), un dador de protones, y el anin acelato (CH3COO-), el correspon-

diente aceptm de protones, constituyen un par cido-base conjugados, relacionado por la reaccin reversible

Cada cido tiene una tendencia caracterstica a perder su protn en disolucin acuosa. Cuanto ms fuerte sea el cido mayor ser la tendencia a perder su protn. La tendencia de cualquier cido (HA) a perder un protn y formar su base conjugada (A-) se defme mediante la constante de equilibrio (Keq_) para la reaccin reversible

HAH++A-,

que es

Las constantes de equilibrio de las reacciones de ionizacin se suelen denominar constantes de disociacin o de ionizacin, a menudo designadas como Ka. En la Figura 2-16 se dan las constantes de disociacin de algunos cidos. Los cidos ms fuertes, tales como el fosfrico y el carbnico, tienen constantes de disociacin ms altas; los cidos ms dbiles, tales como el monorudrgeno fosfato (HPo-), tienen constantes de disociacin ms bajas.

cidos monoprticos cido actico

j b (Ka: 1,74 X 10-5M)

CH3C'- l CH3C + H+ H o-

Ion amonio (K,= 5,62 X 10-10 M)

cidos d.iprticos cido carbnico (K3 = 1,70 X 10-4M); Bicarbonato (Ka= 6,31 X 10-11 M)

Glicina, grupo carbox:i.lo (K3 = 4,57 X IQ-3 M); Glicina, grupo amino (Ka= 2,51 X 10-10 M)

cidos triprticos cido fosfricn \Ka = 7,25 X 10-3M); Dihidrgeno fosfato (Ka = 1,38 X 10-7M); Monohidrgeno fosfato (K3 = 3,98 X 10-13 M)

1

pKa =4,76

H2C03 1HCO;j + H+

pK8 = 3,77

4 5

FIGURA 2-16 Un par cido-base conjugado consiste en un dador de protones y un aceptor de protones. Algunos compuestos, tales como el cido actico y el ion amonio, son monoprticos; pueden ceder solamente un protn. Otros son diprticos [H2C03 (cido carbnico) y

6

HPopK8 = 6,86

7 8

NH+ 4

9 pH

10

COi-+ H+i = 10,2

HPo- ..-- PO!-+ H+ pKa = 12,4

11 12 13

glicina) o triprticos IH3P04 {cido fosfrico)]. Se muestran las reacciones de disociacin para cada par en donde tienen lugar a lo largo de un gradiente de pH. Para cada reaccin se muestra la constante de equilibrio o disociacin (Ka) y su logaritmo negativo, el pK3


En la Figura 2-16 tambin se incluyen los valores de pKa, una expresin anloga a la deJ pH y que se define mediante la ecuacin

1 pK3 = log

Ka= -log Ka

Cuanto ms fuerle sea la tendencia a disociar un protn, ms fuerte es el cido y menor es su pK0 Como veremos a continuacin, se puede determinar fcilmente el pKa de cualqujer cido dbll.

Las curvas de titulacin proporcionan el pKa de los cidos dbiles

La titulacin se utili.7..a para determinar la cantidad de un cido en una solucin dada. En este procedimiento, se titula un voltunen determinado de cido con una solucin de una base fuerte, normalmente hidrxido sdico (NaOH), de concentracin conocida. El NaOH se aade en pequeas porciones hasta que se ha consumido (neutralizado) el cido segn se determina mediante un colorante indicador o con un pHmetro. Se puede calcular la concentracin de cido en la solucin original a partir del volumen y la concentracin de NaOH aadido.

Una grfica del pH frente a la cantidad de NaOH aadido (curva de titulacin) muestra el pKa del cido dbil. Consideremos la titulacin de una disolucin 0,1 M de cido actico (que denominaremos HAc para simplificar) con NaOH 0,1 M a 25 oc (Fig. 2-17). En el proceso estn implicados dos equilibrios reversibles:

H20 :;::::: H+ + OH

RAe :;::::: H+ + Ac

(2-5)

(2-6)

Los equilibrios deben cumplir simultneamente sus constantes de equilibrio caractersticas que son, respectivamente,

Kw = [H+][oH-] = 1 X 10-14 M2 (2-7)

_

[H+}[Ac-1 _ 5 Ka - (HAc] -1,74 X 10 M (2-S)

Al principio de la titulacin, antes de aadir nada de NaOH, el cido actico ya est ligeramente ionizado, en un grado que se puede calcular a partir ele su constante de disociacin (E c. 2-8)

A medida que se va incorporando gradualmente el NaOH, el OH adicionado se combina con el H+ libre en la disolucin para formar H20, en un grado que satisfaga la reJacin de equilibrio de la Ecuacin 2-7. A medida que se elimina H+ libre, el HAc se disocia ms para satisfacer su propia constante de equilibrio (Ec. 2-8). El resultado neto a medida que progresa la titulacin es que se ioniza ms y ms HAc, formando Ac , segn se va aadiendo NaOH. En el punto medio de la titulacin, en el que se han aadido exactamente 0,5 equivalen Les de NaOH, se ha disociado la mitad del cido actico original, de modo que la concentracin del dador de protones, [1:-lAc], es igual a la del aceptar de protones, [Ac-]. En este punto medio tiene validez una relacin muy importante: el pH de la solucin equimolar de cido actico y acetato es exactamente igual al

9

8 1 CH3COO-l 7 [CH3COOHJ

= [CH3COO-)

6

5 T

pH5,76 Regin

pH tamponante 4

_j_ pH3,76 3

2 --j CH3COOH 1 1

o o 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

OH- aadido (equivalentes)

o 50 100% Porcentaje titulado

FIGURA 2-17 Curva de titulacin del cido actico. El pH de la mezcla se mide despus de cada adicin consecutiva de NaOH a la solucin de cido actico. Este valor se representa frente a la fraccin de la cantidad total de NaOH requerida para convertir todo el cido actico en su forma desprotonada, el acetato. Los puntos obtenidos de esta manera dan la curva de titulacin. En los recuadros se muestran las formas inicas predominantes en los puntos indicados. En el punto medio de la titulacin las concentraciones del dador de protones y del aceptor de protones son iguales y el pH es numricamente igual al pK. del cido actico. La zona sombreada es la regin til de capacidad tamponante, generalmente entre ellO% y el90% de la titulacin del cido dbil.

pKa del cido actico (pl( = 4,76; Figs. 2-16 y 2-17). Pronto quedar clara la base de esta relacin, que es vlida para todos los cidos dbiles.

A medida que la tilulacin contina mediante la adicin de mayores cantidades de NaOH, el cido actico Lodava sin disociar se convierte gradualmente en acetato. El punto final de la titulacin tiene lugar a aproximadamente pH 7,0: todo el cido actico ha perdido sus protones, dndolos al OH-, para formar H20 y acetato. A todo lo largo de la titulacin coexisten los dos equWbrios (Ecs. 2-5 y 2-6), cumpliendo cada uno de ellos eon su constante de equWbrio.

En la F'igura 2-18 se comparan las curvas de titulacin de tres cidos dbiles con constantes de disociacin muy diferentes: el cido actico (pKa = 4,76); el dildrgeno fosfato, H2P04 (pK11 = 6,86), y el ion amonio, NI-Li (PKa = 9,25). Aunque las curvas de titulacin de estos cidos tienen la misma forma, esLn desplazadas a lo largo del eje de pH debido a que estos cidos tienen diferente fuerza. El cido actico, que tiene la mayor Kn (el menor pKn) de los lres es el ms fuerte (pierde su protn con ms facilidad); a pH 4,76 se encuentra

2.3 Tamponamiento contra cambios de pH en los sistemas biolgicos 65

14 r-----------------------------.

13

12

11

10

9

5

Punto medio de

la titulacin J.

pK = 9,25 1 [NH!J = [NH:J 1

r

o 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

OH- aadido (equivalentes)

o 50 Porcentaje titulado

100%

AGURA 2-18 Comparacin de las curvas de titulacin de tres cidos dbiles. Se muestran las curvas de titulacin de CH3COOH, H2PO..;- y NH;-. En los recuadros se muestran las formas inicas predominantes en los puntos sealados de la titulacin. Las regio nes con capacidad tamponante estn indicadas a la derecha. Los pares cidobase conjugados son tampones efectivos entre aproximadamente el 1 O y el 90% de la neutralizacin de la especie dadora de protones.

ya sendisociado. El dildrgeno fosfato pierde un protn con menor facilidad y est semidisociado a pH 6,86. El ion amonio es el cido ms dbil de los tres y no est serrdisociado hasta pH 9,25.

El rasgo ms importanc de la curva de titulacin de un cido dbil es que muestra grficamente que un cido dbil y su anin, un par cido-base conjugado, pueden actuar como tampones.

RESUMEN 2.2 Ionizacin del agua, cidos dbiles y bases dbiles

El agua pura est ligeramente ionizada y contiene la misma cantidad de iones hidrgeno (iones hidroro, H30+) que de iones hidroxilo. El grado de ionizacin se describe mediante una constante de equilibrio,

[H+][oH-] Keq = [H:tOl , de la que se deduce el producto inico del agua, Kw. A 25 "C, Kw = [H+](oH-] = (55,5 M)(Keq) = 10-14 l'l.

El pH de una solucin acuosa reileja, en escala logalitmica, la concentracin de iones hidrgeno:

pH = log +] = -log [H+].

A mayor acidez de una disolucin, menor ser su pH. Los cidos dbiles se ionizan parcialmente y liberan un ion hidrgeno, lo que hace disminuir el pH de La solucin acuosa. Las bases dbiles aceptan un ion hidrgeno y aumentan el pH. El grado en que se producen estos procesos es caracterstico de cada cido o base dbil concreto y se expresa como la constante de disociacin, Ka:

I H+ ][A-] Kcq = [HA] =

Ka.

El pKa expresa la fuerza relativa de un cido o base dbiles en escala logartmica:

1 PKa = log Ka= -logKa.

Cuanto ms fuerte sea un cido, menor ser su pK8; cuanto ms fuerte sea una base, mayor ser su pK-El pK,1 se puede determinar expetirnentalmente; es el pH del punto medio de la curva de titulacin del cido o de la base.

2.3 Tamponamiento contra cambios de pH en los sistemas biolgicos

Casi todos los procesos biolgicos son dependientes del pH; un pequeo cambio en el pH produce un gran cambio en la velocidad del proceso. Esto no slo es cierto para las muchas reacciones en las que el ion H+ es un participante directo, sino tan1bin para aquellas en las que no existe un papel aparente para los iones H+. Los enzimas que catali7..an las reacciones celulares, y muchas de las molculas sobre las que actan, contienen grupos ionizables con valores de pKa caractersticos. Los grupos amino y carboxilo protonados de los annocidos y el grupo fosfato de los nucletidos, por ejemplo, funcionan como cidos dbiles; su estado inico depende del pH del medio que los rodea. Tal como hemos se:i\alado anteriormente, las interacciones inicas se cuentan entre las fuerzas que estabilizan una molcula proteica y pem1lten que un enzima reconozca y se fije a su sustrato.

Las clulas y los organismos mantienen un pH citoslico especfico y constante, que mantiene las biomolculas en su estado inico ptimo, normahnente cerca de pH 7. En los organismos multicelulares, el pH de los fluidos extracelulares tambin se mantiene estrechamente regulado. El pH se mantiene constante principalmente gracias a los tampones biolgicos, que son mezclas de cidos dbiles y de sus bases conjugadas.

Describiremos aqu los equiljbrios de ionizacin implicados en el tamponamiento y mostraremos la relacin cuantitativa entre el pH de w1a solucin J:?.mponada y el pKn del tampn. El tamponamiento biolgico se ilustra mediante los sistemas tampn del fosfato y el carbonato en el hombre.


Los tampones son mezclas de cidos dbiles y sus bases conjugadas

Los tampones son sistemas acuosos que tienden a resistir cambios en su pH cuando se aaden pequeas cantidades de cido (H+) o base (OH-). Un sistema tampn consiste en w1 cido dbil (dador de protones) y su base conjugada (aceptar de protones). Por ejemplo, una mezcla de igual concentracin de cido actico y de ion acetato, tal como la que se encuentra en el punto medio de la curva de titulacin de la Figura 2-17, es un sistema tampn. La curva de titulacin del cido actico tiene una zona relativamente plana que se extiende alrededor de 1 W1idad de pH a cada lado de su pH de punto medio 4, 76. En esta zona una cantidad de H+ o OH- aadida al sistema tiene un efecto mucho menor sobre el pH que la misma cantidad aadida fuera del margen de tamponamiento. Esta zona relativamente plana es la regin tamponante del par del tampn cido actico-acetato. En el punto medio de la regin tamponante, en donde la concentracin de dador de protones (cido actico) es exactamente igual a la del aceptor de protones (acetato), el poder tamponante del sistema es mximo; esto es, se produce el cambio rni.rllmo de pH cuando se adiciona OH+ o K". El pH en este punto de la cwva de titulacin del cido actico es igual a su pKa El pH del sistema tampn del acetato cambia ligeramente cuando se adiciona una pequea cantidad de OH- o de H+, pero este cambio es muy pequeo si lo comparamos con el cambio de pH que se producira si se aadiese la misma cantidad de OH- o H+ al agua pura o a una disolucin de la sal de un cido fuerte y una base fuerte, tal como el NaCl, que no tiene capacidad tamponante.

El tamponamiento es el resultado de dos equilibrios de reacciones reversibles que tienen lugar en una disolucin de concentraciones casi iguales de dador de protones y de su aceptor de protones conjugado. La Figura 2-19 explica de qu modo funciona el sistema tampn. Siempre que se aade H+ u OHa un tampn, el resultado es un pequeo cambio en el cociente de las concentraciones relativas del cido d bU y de su anin y, por tanto, un pequeo cambio de pH. El descenso en la concentracin de un componente del sistema se equilibra exactamente por un incremento del otro. La suma de los componentes del sistema no vara, slo varfa su proporcin.

Cada par conjugado cido-base tiene tma zona caracterstica de pH en la que es un tampn eficaz (Fig. 2-18). El par H2PO IHPOJ- tiene un pKa de 6,86 y por tanto puede servir como sistema tampn eficiente entre aproximadamente pH 5,9 y pH 7,9; el par NH4 +/NH3, con un pi(., de 9,25, puede actuar como tampn entre aproximadamente pH 8,3 y pH 10,3.

Una expresin sencilla relaciona pH, pK y concentracin de tampn

Las curvas de titulacin del cido actico, H2Po,;'-- y NHt (Fig. 2-18) tienen formas casi idnticas, lo que sugiere que son reflejo de una ley o relacin fundamental. ste es, efectivamente, el caso. La forma de la cw-va de tit,ulacin de cualquier cido dbil est expresada por la ecuacin de Henderson-Hassel-

cido actico (CH3COOH)

Acetato (CH3Coo-)

RGURA 2-19 El par cido actico-acetato como sistema tampn. El sistema es capaz de absorbr H+ u OH- a travs de la reversibilidad de la disociacin del cido actico. El dador de protones, el cido actico (HAc), contiene una reserva de H+ ligado, que puede lib erarse para neutralizar una adicin de OH- al sistema formando H20. Esto sucede porque el producto [H+]loH-1 excede transitoriamente Kw (1 x 10-14 M2). El equilibr io se ajusta rpidamente de modo que este producto sea igual a 1 X 10-14 M2 (a 25 C), reduciendo as transitoriamente la concentracin de H+. No obstante, ahora el cociente IH+l IAcl/(HAc] es menor que Ka, por lo que se disocia ms HAc para restaurar el equilibrio. De modo semejante, la base conjugada, Ac-, puede reaccionar con iones H+ adicionados al sistema; de nuevo las dos reacciones de ionizacin vuelven simultneamente al equilibrio. As, un par cido-base conjugado, tal como el cido actico y el ion acetato, tienden a resistir un cambio en el pH cuando se aaden pequeas cantidades de cido o base. La accin tamponante es simplemente la consecuencia de dos reacciones reversibles que tienen lugar sim ultneamente y que alcanzan sus puntos de equilibrio segn sus constantes de equilibrio, Kw y Ka.

balch, que es importante para comprender la accin de los tampones y el equilibrio cido-base en la sangre y tejidos de los vertebrados. Esta ecuacin es simplemente una forma til de reenunciar la expresin de la constante de disociacin de un cido. En el caso de la disociacin de un cido db HA en H+ y A-, la ecuacin de Henderson-Hasselbalch puede deducirse de la forma sigtente:

Despejando primero [H+]:

+ [HA] [H l =Ka (A-]

Tomando el logarit.mo negativo en ambos miembros:

-log IR+] = -l og K - log [HA] a [A-]

Sustituyendo -log(H+] por pH y -logKa por pKa:

[HA] pH = pKa - log [A-l

2.3 Tamponamiento contra cambios de pH en los sistemas biolgicos 67

Invirtiendo ahora -logiHA]/IA -l. lo que implica cambiar su signo, se obtiene la ecuacin de Henderson-Hasselbalch:

que se enuncia de forma ms general:

(aceptor de protones] pH = pK .. + log [dador de protones]

EJ (Z-9)

Esta ecuacin se ajust.a a la curva de titulacin de todos los cidos dbiles y nos permite deducir una serie de relaciones cuantitativas importantes. Por ejemplo, muestra por qu el pK,, de un cido dbil es igual al pH de la solucin en el punto medio de su tiulacin. En est.e punto [HA] =[A-) y de ahf

pH = pK11 + log 1 = p[(a + O = pK,

Como se muestra en el Recuadro 2-3 la ecuacin de Hendcrson-Hasselbalch Lambin permite (1) calcular el pK .. a partir del pH y la relacin molar entre dador y aceptar de protones; (2) calcular el pH a partir del pK3 y la relacin molar entre dador y aceptar de protones; y (3) calcular la relacin molar enlre dador y acept.or de protones, conocidos el pH y el pK3.

Los cidos o bases dbiles tamponan clulas y tejidos contra cambios de pH Los fluidos intracelular y extracelula.r de los organismos multicelulares poseen un pH caracterstico y prcticamente constante. Los sistemas l


Dos tampones biolgicos especialmente importantes son los sistemas del fosfato y del bicarbonato. El sistema tampn del fosfato, que acta en el citoplasma de todas las clulas, consiste en el H2P04 como dador de protones y el HPOtcomo aceptor de protones:

HzP04 H+ + HPO-

El sistema tampn del fosfato presenta su efectividad mxima a un pH prximo a su pKa de 6,86 (Figs. 2-16, 2-18) y tiende pues a resistir los cambios de pH en el intervalo entre 5,9 y 7,9. Es, por tanto, un tampn efectivo en los fluidos biolgicos; en los mrutferos, por ejemplo, los fluidos extracelulares y la mayoria de compartimientos citoplasmticos tienen un pH en el intervalo de 6,9 a 7,4.

El plasma sanguneo est tamponado en parte por el sistema del bicarbonato, que consiste en cido carbnico (H2C03) como dador de protones y bicarbonato (HCO:)) como aceptor de protones:

HzC03 H+ + HC03

[H+][HC03] K1 = [HzCO:J

Este sistema tampn es ms complejo que otros pares cidobase conjugados, ya que uno de sus componentes, el cido caxbnico (H2C03), se forma a partir de dixido de carbono disuelto (d) y agua, segn la reaccin reversible:

COz(d) + HzO HzCOs

Kz = [H2CO:J

[COz( d.)] [HzO]

El dixido de carbono es un gas en condiciones normales y la concentracin de C02 disuelto es el resultado de su equilibrio con el C02 de la fase gaseosa (g):

C02(g) C02(d)

K _ [C02(d)]

3- [COz(g)]

El pH de un sistema tampn de bicarbonato depende de la concentracin de HaC03 y de HCOi, dador y aceptor de protones, respectivamente. A su vez, la concentracin de H2C03 depende de la concentracin de C02 disuelto, que a su vez depende de la concentracin del co2 en la fase gaseosa, denominada presin parcial de C02. Por consiguiente, el pH de un tampn bicarbonato expuesto a una fase gaseosa viene determinado en ltimo trmino por la concentracin de HCOi en la fase acuosa y la presin parcial de C02 en la fase gaseosa (Recuadro 2-4).

El plasma sanguineo humano tiene nmmalmente un pH cercano a 7,4. Si fallasen los mecanismos de regulacin del pH o estuvieran desbordados, tal como puede suceder en la diabetes grave no controlada, en la que una sobreproduccin de cidos metablicos produce acidosis, el pH de 1a sangre puede descender a 6,8 o menos, lo que conduce a lesiones celulares

o:S

:

S 'O 'O

2.4 El agua como reactivo 69

T RECUADRO 2-4 BIOQUMICA EN MEDICINA Sangre, pulmones y tampn: el sistema tampn del bicarbonato En los animales puJmonados el sistema tampn del bicarbonato es un tampn fisiolgico eficiente cerca de pH 7,4 ya que el H2CO:) del plasma sanguneo est en equilibrio con una gran capacidad de reserva de C02(g) en el espacio areo de los pulmones. Este sistema tampn implica tres equilibrios reversibles entre co2 gaseoso en los pulmones y bicarbonato (HC03) en el plasma sanguneo (Fig. 1).

Cuando se aade rr+ (por ejemplo, a partir de cido lctico producido en el tejido muscular durante el ejercicio vigoroso) a la sangre, a medida que sta pasa por los tejidos, la reaccin 1 transcurre hacia un nuevo equilibrio en el que se incrementa la concentracin de H2C0:3. Esto incrementa la concentracin de C02(d) en el plasma sanguneo (reaccin 2) y asf aumenta la presin de C02(g) en el espacio areo de los pulmones (reaccin 3); el COz sobrante se exhala.

De manera inversa, cuando se aumenta el pH del plasma sanguneo (por ejemplo, por la produccin de NH durante el catabolismo de las protenas), se producen los hechos opuestos: disminuye la concentracin de H+ en el plasma sanguneo, lo que hace que se disocie ms H2C03 en H+ y HCO;. A su vez esto hace que se disuelva ms C02(g)

2.4 El agua como reactivo El agua no es tan slo el disolvente en el que tienen lugar las reacciones qumicas de las clulas vivas; a menudo, participa directamente en estas reacciones. La formacin de ATP a partir de ADP y Josfato inorgnico constituye un ejemplo de una reaccin de condensacin en la que se eliminan los elementos del agua (vase Fig. 2-22a). La reaccin inversa a sta -rotura acampanada de la aclicin de los elementos del agua- es una reaccin de hidrlisis. Las reacciones de hidrlisis son tambin responsables de la despolllnerizacin enzimtica de protenas, glcidos y cidos nucleicos. Las reacciones de hidrlisis. catalizadas por enzimas denominados hldrolasas, son casi siempre exergnicas. La formacin de polfmeros celulares a

FlGURA 2-22 Participacin del agua en reacciones biolgicas. (a) El ATP es un anhdrido fosfato formado mediante una reaccin de condensacin (prdida de los elementos del agua) entre ADP y fosfato. R representa la adenosina monofosfato (AMP). Esta reaccin de condensacin requiere energa. La hidrlisis (adicin de los elementos del agua) del ATP libera una cantidad equivalente de energa. (b), (e), y (d) representan rt!acciones similares de condensacin y de hidrlisis comunes en los sistemas biolgicos.

de los pulmones en el plasma sanguneo. La velocidad de la respiracin, esto es, la velocidad de inhalacin y exhalacin de COz, puede ajustar rpidamente estos equilibrios y mantener casi constante el pH de la sangre.

Fase acuosa lizCOs (sangre en los capilares) 1 1 reaccin 2

H20 1 H20 C0 2( d) 1l reaccin 3

Fase gaseosa 1 (espacio areo pulmonar) C02(g)

--- ______________________

________

____

_J

FIGURA 1 El C02 del espacio areo de los pulmones est en equilibrio con el tampn bicarbonato en el plasma sanguneo que pasa a travs de los capilares pulmonares. Puesto que se puede ajustar rpidamente la concentracin de co2 disuelto mediante cambios en la velocidad de respiracin, el sistema tampn del bicarbonato de la sangre est en un cuasi-equilibrio con una gran reserva potencial de co2.

o o R-o--o-;-o 11 11 + 11.,0 R-0-P-OR + HO-P-0-- 1 6- o


partir de sus subllldades por simple inversin de la hidrlisis (es decir, mediante reacciones de condensacin) sera endergnica, por lo que no tiene lugar. Como veremos, las clulas salvan este obstculo termodinmico mediante el acoplamiento de reacciones de condensacin endergnicas con procesos exergnicos, tales como la rotura del enlace anhdrido del ATP.

Al leer esto, el lector est (esperemos!) consumiendo oxgeno. El agua y el dixido de carbono son los productos finales de la oxidacin ele combustibles tales como la glucosa. La reaccin global de este proceso se puede resumir como

C6H120s + 602- 6C02 + 6H20 Glucosa

El "agua metablica" as f01mada a partir de alimento y grasas almacenadas es de hecho su11ciente para pe1mitir que algunos animales que viven en hbiLat:s muy secos Uerbos, ratas canguro, camellos) sobrevivan sin beber agua durante largos perodos de tiempo.

El C02 producido por la oxidacin de glucosa se conviert.e en los eritrocitos en la forma ms soluble HCO;, mediante w1a reaccin calalizada por el enzima carbnico anhidrasa:

En esta reaccin, el agua no es tan slo un sustrato sino que acta en un proceso de transferencia de protones formando w1a red de molculas de agua unidas por enlaces de hidrgeno a travs de las que se produce un salto de protones (F:ig. 2-14).

Las plantas y algas verdes utilizan la energa de la luz soLar para romper el agua en el proceso de la fotosntesis:

2H20 + 2A 02 + 2AH2 En esta reaccin, A es una especie aceptora de electrones que varfa segn el tipo de organismo rotosinttico y el agua acta como dador de electrones en una secuencia de oxidacin-reduccin (vase Fig. 10-49) que es fundamental para el desarrollo de toda forma de vida.

RESUMEN 2.4 El agua como reactivo

El agua es a la vez el oisolvcntc en el que tienen lugar las reacciones mct.al>licas y un reactivo que interviene en muchos procesos bioqumicos, entre los que se incluyen reacciones de hidrlisis, de condensacin y ele oxidacin-reduccin.

2.5 La adecuacin del ambiente acuoso a los organismos vivos Los organismos se han adaptado de manera efectiva a su anlbiente acuoso e incluso ha11 desarrollado medios para aprovechar las propiedades nicas del agua. El alto calor especfico del agua (la energa calrica necesaria para elevar en 1 oc la temperatura de 1 g de agua)

Palabras clave

Captulo 2 Bibliografa 71

Todos los trminos en negrita estn definidos en el glosario. enlace de hidrgeno 48 smosis 57 energa de enlace 48 isotnico 57 hidroflico 50 hipertruco 57

hipotnico 57

PKa 64 curva de titulacin 64 tampn 66

hidrofbico 50 anfiptico 52 micela 53 interacciones hidrofbicas 53 interacciones de van der Waals 54 osmolaridad 56

constante de equilibrio (Keq) 60 producto inico del agua (Kw) 61 pH 61

ecuacin de BendersonHasselbalch 67

condensacin 69 hidrlisis 69

par cido-base conjugados 63 constante de disociacin (K,.) 63

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Revisin sobre el papel del agua en la catlisis enzimtica a partir de estudios sobre disolventes pobres en agua.

Record, M. T., Jr., Courtenay, E.S., Cayley, D.S. & Guttman, B.J. (1998) Responses of FJ. coli to osmotic stress: large changes in amounts of cytoplasmic solutes and water. Trends Biochem Sci. 23, 143-148.

Revisin acerca del modo en que la clula bacteriana conLrarresLa los cambios en la osmolaridad de su entorno.

Stillinger, F.H. (1980) Water revisited. Science 209,451-457. Breve revisin sobre la es01Jctura fsica del agua, incluyendo la importancia de los puentes de hidrgeno y la naturaleza de las interacciones hidrofbicas.

Symons, M.C. (2000) Spectroscopy of aqueous solutions: protein anc.J DNA interactions with water. CelL MoL Life Sci. 57, 999-1007.

Westbof, E. (ed.) (1993) Water and BiologicalMa.cromotecuJ.es, CRC Prcss, Jnc., Boca Ra.ton, FL.

Catorce captulos, cada uno de ellos de un autor diferente, que cubren (a un nivel avanzado) la estructura del agua y sus int.erat:ciones con las prote1as, cidos nucleicos, polisacridos y Upidos.

72 Capftulo 2 El agua

Wiggins, P.M. (1990) Role ofwater in sorne biological processes. MicrobioL Rev. 54, 432-449.

Una revisin sobre el agua en biologa, incluyendo una cliscusin sobre la estructura fsica del agua lquida, sus inLeracciones con las biomolculas y el estado del agua en las clulas vivas.

Interacciones dbiles en los sistemas acuosos Fersht, A.R. (1987) The hyd:rogen bond in molecular recognition. Trends Biochern. Sci. 12, 301-304

Una discusin cuantitativa, clara y concisa sobre la contribucin de los puentes de hidrgeno al reconocimiento molecular y la catlisis enzimtica.

Frieden, E. (1975) Non-covalent interactions: key to biological 1Jexibility and specificity. J Chem. Educ. 52, 754-761.

Revisin de las cuatro clases de ineracciones dbiles que estabilizan las rnacromolculas y les confieren especificidad biolgica. Contiene ejemplos claros.

Jeffrey, G.A. (1997) An IntTOduction to Hydrogen Bonding, Oxford University Press, New York.

Problemas

l. Vmagre artificial Una forma. de preparar vinagre (rw la ms recomendable) consiste en hacer una disolucin de cido actico, nico componente cido del vinagre, al pH adecuado (vase Fig. 2-15), y aadir agentes saborizantes adecuados. El cido actico (Mr 60) es lquido a 25 oc con una densidad de 1,049 g/mL. Calcular el volumen que se debe aadir a agua destilada para. hacer 1 L de vinagre artificial (vase Fig. 2-16).

2. Acidez del HCl gstrico En un laboratoxio hosll.a p1talano se t1tul hasta neutralidad con NaOH 0,1 M una muestra de 10,0 mL de jugo gstrico obtenido varias horas despus de una comida; se necesitaron 7,2 mL de NaOH. El estmago del paciente no contena comida ni bebida ingerida por lo que se puede suponer que no haba tampones presentes. Cul era el pH del jugo gstrico?

3. Medida de los niveles de acetilcolina por cambios del pH La concentracin de la acetilcolina (un neurotransmisor) en una muestra se puede dete

elagua

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