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EL AGUALa bioquímica se ocupa en su mayor parte de las propiedades y reacciones de los compuestos orgánicos que constituyen la estructura de los seres vivos. No obstante, debemos ocuparnos del estudio del agua, por que esta sustancia inorgánica no solamente constituye del 60 al 90 % del peso de la m...

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Bioquímica Clínica

Agua y pH

EL AGUA torno al átomo de oxígeno y, por tanto un déficit electrónico en torno a los átomos de hidrógeno. Todo ello hace que la molécula de agua sea un dipolo eléctrico, si bien no presenta carga neta.

La bioquímica se ocupa en su mayor parte de las propiedades y reacciones de los compuestos orgánicos que constituyen la estructura de los seres vivos. No obstante, debemos ocuparnos del estudio del agua, por que esta sustancia inorgánica no solamente constituye del 60 al 90 % del peso de la mayor parte de los seres vivos, sino que representa la fase continua de los organismos.

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2e

El agua, una molécula inorgánica notable, cuyas propiedades son fundamentales para la vida, solubiliza y modifica las características de biomoléculas como carbohidratos y proteínas al formar puentes de hidrógeno con ellas. La comprensión de los mecanismos homeostáticos utilizados por los organismos para conservar un entorno intracelular relativamente constante, debe incluir la consideración del pH y el amortiguamiento en los líquidos corporales.

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O H 105º

H

Estructura tetraédrica del agua

El conocimiento adecuado del metabolismo del agua y electrolitos es de gran interés médico, es así que los estados de depleción y retención del agua corporal son muy comunes y en muchos casos se acompañan de + deficiencia o exceso del ión sodio (Na ). Las causas más frecuentes de depleción hídrica son: disminución de la ingestión (por ejemplo el estado de coma) y el incremento de la pérdida (como en la diabetes mellitus e insípida, sudoración intensa y diarreas). Las causas de exceso de agua corporal son el incremento en la ingestión (administración excesiva de líquidos) y excreción escasa (insuficiencia cardiaca congestiva e insuficiencia renal).

Esta estructura tetraédrica condicionará muchas de las propiedades físicas y químicas del agua, principalmente debido a la posibilidad de establecimiento de puentes de hidrógeno entre moléculas de agua y éstas con otras moléculas. Un enlace por puente de hidrógeno se establece entre un átomo electronegativo y el átomo de hidrógeno unido covalentemente a otro átomo electronegativo. Este tipo de enlace es mucho más débil que los enlaces covalentes, formándose y rompiéndose con mayor rapidez que estos últimos. LAS MOLECULAS DE AGUA FORMAN PUENTES DE HIDROGENO Tal vez la propiedad física más importante del agua es la formación de enlaces o puentes de hidrógeno (interacción electrostática entre el núcleo de hidrógeno de una molécula de agua y el par de electrones no compartidos de otra ), lo que le confiere una estructura macromolecular. El carácter bipolar de las moléculas del agua favorece los enlaces mutuos en conformaciones ordenadas, con una geometría precisa, como se muestra en el siguiente gráfico.

Los líquidos corporales muestran una gran constancia en la concentración de sus componentes iónicos, pH, temperatura y, además, tienen mecanismos muy efectivos para su regulación, y sistemas protectores contra la pérdida de agua como la piel y el riñón. Un principio biológico fundamental indica que la constancia del medio interno debe preservarse dentro de límites relativamente estrechos si se quiere conservar la salud. Este principio se aplica a la distribución de varios electrolitos como el Na+, K+ , Ca++, Mg++, etc.

H

La regulación del equilibrio hídrico es sumamente compleja, y depende en gran parte, de mecanismos hipotalámicos que controlan la sed, de la actividad de la hormona antidiurética (ADH) y de la actividad renal.

H O

Molécula de agua Puente de hidrógeno

H

ESTRUCTURA MOLECULAR DEL AGUA La estructura de la molécula de agua (H2O) tiene carácter tetraédrico con el átomo de oxígeno en el centro y los átomos de hidrógeno dispuestos en dos de los vértices del tetraedro, quedando los otros dos vértices son ocupados por electrones no compartidos. El ángulo formado entre los 2 átomos de H es de 105º. La mayor electronegatividad del oxígeno con respecto al hidrógeno determina una distribución asimétrica de la carga electrónica entre los átomos de oxígeno e hidrógeno, existiendo mayor densidad electrónica en

H

O

Molécula de agua

Debido a su carácter bipolar, las moléculas de agua, pueden asumir conformaciones ordenadas, como ocurre con un copo de nieve. Al igual que el hielo, el agua líquida, muestra una estructura macromolecular análoga a la disposición geométrica de las moléculas de agua en el hielo. La propiedad de las moléculas de agua de

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El carácter bipolar del agua y su capacidad para formar puentes de hidrógeno, también explican su capacidad para disolver muchas moléculas orgánicas, de ahí que es considerada como el solvente o disolvente biológico ideal. Los compuestos que forman puentes de hidrógeno con el agua como las aminas, ésteres, aldehídos, cetonas, etc. rápidamente forman solvatos; por tanto, se incrementa su solubilidad en el agua. Las proteínas solubles están recubiertas por una capa de agua. El carácter bipolar del agua también influye mucho sobre sus interacciones con las biomoléculas. En el ambiente acuoso de las células vivas, ocurren muchas interacciones de carga entre el agua y los grupos polares de las biomoléculas. El DNA se pliega de modo que se exponen el azúcar polar y los grupos fosfato a las moléculas de agua. De igual manera, los residuos polares de las proteínas se localizan principalmente en la superficie del biopolímero, donde participan en numerosas interacciones con las moléculas de agua.

unirse unas con otras, tanto en el estado líquido como sólido surge del carácter bipolar del agua. Se conserva más como líquido que como sólido por la naturaleza transitoria de estos complejos macromolecular es (la vida media de asociación-disociación de las moléculas de agua es de alrededor de un microsegundo). En estado sólido cada molécula de agua se une con otras cuatro, mientras que en estado líquido, el número es algo menor (más o menos 3.5); con excepción de la naturaleza transitoria de las interacciones intermoleculares en el agua líquida, ésta se parece mucho más al hielo.

EL AGUA ES UN NUCLEÓFILO EXCELENTE Muchas reacciones metabólicas involucran el ataque, por moléculas o iones abundantes en electrones conocidos como nucleófilos (“buscanúcleos”) a los centros positivos denominados electrófilos (“busca electrones”). Por ejemplo, la ruptura y formación de enlaces covalentes involucra a nucleófilos abundantes en electrones. Los nucleófilos pueden presentar carga eléctrica neutra o negativa formal. Los nucleófilos intracelulares incluyen: oxígenos del agua, oxígenos de los fosfatos orgánicos e inorgánicos, azufre de los tioles (tioalcoholes) y nitrógenos de las aminas.

Se observa la unión de una molécula central de agua con otras moléculas mediante puentes de H. Esta estructura es típica del hielo, y en menor grado del agua líquida.

Todas las reacciones que biosintetizan o degradan proteínas, ácidos nucleicos y lípidos involucran el ataque por nucleófilos. La liberación de unidades glucosilo a partir de las reservas del polisacárido glucógeno, sirve como reserva de energía en el tejido muscular y hepático para conservar las concentraciones de la glucosa sanguínea (glucemia). La liberación de las unidades glucosilo a partir del glucógeno, involucra el ataque nucleófilo, que es catalizado por enzimas. El ataque nucleófilo, sobre los enlaces glucosídicos 1 4 del glucógeno, libera la glucosa 1 fosfato. De manera similar, la ruptura de los enlaces glucosídicos 1 6 involucra el ataque nucleófilo realizado por los átomos de oxígeno del agua para formar glucosa.

Los enlaces o puentes de hidrógeno son bastantes débiles, en comparación con los enlaces covalentes. Romper un enlace de hidrógeno en agua líquida requiere el gasto de alrededor de 4.5 Kcal. de energía por mol, más o menos el 4 % de la energía que se requiere para romper un enlace covalente (O - H) que necesita el gasto de 110 Kcal. de energía por mol. En lo que respecta al agua líquida, se han propuesto muchos modelos para intentar explicar todas sus propiedades, pero ninguno de ellos satisface la totalidad de las mismas. Existen autores que proponen una estructura parecida a la del hielo; otros abogan por el denominado modelo de los racimos parpadeantes (racimos abiertos de moléculas de agua que cambian continuamente de forma, y que están unidos por enlaces de hidrógeno, junto con muchas moléculas de agua más o menos libres). Entre ambos existe una variada gama de modelos intermedios.

PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS Como ya indicamos anteriormente, la estructura molecular del agua, con la consiguiente e importante capacidad de formar puentes de hidrógeno, va a ser el fundamento básico de todas las propiedades físicas y químicas que tiene sustancia. Estas propiedades son:

LOS PUENTES DE HIDRÓGENO ESTABILIZAN PROTEÍNAS Y ÁCIDOS NUCLEICOS A la temperatura ambiente el metano con peso molecular de 16 y el amoniaco con peso molecular de 17 son gases, el agua con peso molecular de 18 es un líquido; esto se debe a la capacidad del agua para formar puentes de hidrógeno, lo cual también explica su viscosidad y tensión superficial relativamente altas.

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Elevada temperatura de ebullición, en comparación con otros hidruros, la temperatura de ebullición del agua es considerablemente más elevada (100º C a 1 atmósfera). Esta propiedad hace que el agua se mantenga líquida en un amplio espectro de temperaturas (0 a 100º C), lo que

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posibilita que pueda existir vida en diferentes climas, incluso a temperaturas extremas. 

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aislándolos del resto. A este fenómeno se llama hidratación o solvatación de iones, y a su vez facilita la separación de iones de diferente carga, lo que permite solubilizar compuestos iónicos; Ej. la disociación del agua.

Densidad máxima a 4º C, se basa en la presencia de puentes de hidrógeno, permite que el hielo flote en el agua. El aumento del volumen del agua sólida, con su ordenada estructura, con respecto al agua líquida (1.000 L de agua líquida se convierte aproximadamente en 1.098 L de hielo a 1 atmósfera) es el responsable de hechos tan desagradables como la rotura de cañerías, radiadores, etc. Sin embargo, al mismo tiempo, esta densidad anómala hace que pueda existir vida marina en los casquetes polares, ya que el hielo flotante actúa como aislante térmico impidiendo que la masa oceánica se congele y posibilitando la vida de seres acuáticos. Elevado calor específico*, (1 cal/g x grado C). Este alto valor permite al organismo importantes cambios de calor con escasa modificación de la temperatura corporal. Así, el agua se convierte en un mecanismo adecuado para estabilizar la temperatura del organismo, evitando una excesiva elevación o disminución de la misma, ya que para subir la temperatura absorbe mucho calor y para bajarla pierde mucho calor. Esta propiedad la hace adecuada para llevar el calor de una parte a otra del organismo, así del lugar donde se produce calor (las células), el agua rápidamente absorbe calor sin grandes cambios de temperatura y lo transporta a otras partes del organismo.

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Disolvente de moléculas anfipáticas, el agua solubiliza compuestos anfipáticos (sustancias con doble solubilidad, como los ácidos grasos). Esta solubilización lleva consigo a la formación de micelas en las que se encuentran asociados los compuestos apolares o hidrófobos, mientras que los grupos polares o hidrófilos se orientan hacia el exterior para contactar con el agua.

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Disolvente de sustancias polares de naturaleza no iónica. La capacidad del agua de establecer puentes de hidrógeno con grupos polares de otras moléculas no iónicas, puede disolver compuestos como alcoholes, glúcidos, aminas, etc.

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Disolvente universal. Las últimas propiedades hacen que el agua sea considerada como el disolvente o solvente universal, y sobre todo en lo que respecta al organismo, donde sus propiedades como disolvente hacen posible la realización de procesos de transporte, nutrición, ósmosis, etc., que de no producirse imposibilitarían el desarrollo de la vida.

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Elevada tensión superficial, determina una elevada cohesión entre las moléculas de su superficie, tendiendo a que la superficie libre del agua sea mínima. Esta elevada tensión superficial disminuye con la presencia en el líquido de determinadas sustancias, en especial las que reciben el nombre genérico de tensoactivas (jabones, detergentes). La presencia de estas sustancias facilita la mezcla y emulsión de grasas en el medio acuoso; así, las sales biliares ejercen esta acción tensoactiva en el intestino delgado, facilitando la emulsión de las grasas y con ello, la digestión. El epitelio alveolar secreta una sustancia fosfolipídica (derivada de la lecitina), que disminuye la tensión superficial del agua que reviste los alvéolos pulmonares. Si no existiera esta macromolécula, no se produciría la expansión pulmonar, colapsando las estructuras alveolares. Transparencia, esta propiedad no afecta directamente al ser humano, sin embargo es importante para que se pueda producir el proceso de fotosíntesis en la masa oceánica y fondos marinos.

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Elevado calor de evaporación** (536 cal/g). Siempre que se evapora un líquido debe absorber calor para pasar al estado gaseoso, este fenómeno en el hombre, es una forma importante de pérdida de calor. Fisiológicamente esta es la propiedad más importante del agua, y alcanza un valor de 0.536 Kilocalorías*** (Kcal.) de energía por gramo de agua evaporada. Este elevado valor permite eliminar el exceso de calor, evaporando cantidades pequeñas de agua, lo que posibilita mantener la temperatura del organismo más baja que la del medio ambiente Se trata, por tanto, de otro importante mecanismo regulador de la temperatura del organismo.

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Elevada conductividad calorífica, permite una adecuada conducción del calor en el interior del organismo, contribuyendo también a la termorregulación, ayudando a mantener e igualar la temperatura en las diferentes zonas del cuerpo.

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Capacidad de hidratación o solvatación de iones, el carácter bipolar del agua determina que sus moléculas rodeen a los distintos iones,

Este es el inicio de una cadena trófica que finaliza en la nutrición humana, la transparencia del agua contribuye al adecuado desarrollo de la vida. *** Kilocaloría o caloría grande (Kcal.) es la cantidad de calor

* Calor específico es la cantidad de calorías que se necesitan para elevar 1º C de temperatura de 1 g de líquido. ** Es el calor que se pierde o se gana al cambiar de estado un líquido..

que permite elevar la temperatura de 1 Kg. de agua en 1º centígrado, de 15 a 16º C.

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un hombre normal de 65 kilogramos de peso. A medida que el peso corporal aumenta debido a la mayor cantidad de grasa, el contenido de agua disminuye proporcionalmente desde el 60 % del peso corporal hasta el 35 % o menos, por lo tanto, el contenido de agua se refiere a la masa tisular magra, es decir, al tejido sin grasa movilizable. El agua existe en todos los tejidos del organismo, en algunos es el componente más abundante, como en los líquidos extracelulares y el plasma, mientras que en otros, como el tejido óseo y el dentario es muy escasa.

El agua es un electrolito débil, debido a la naturaleza de la estructura molecular, libera el mismo catión que los ácidos el ión hidrógeno o 3 + protón (H+) o el ión hidronio ( H O ) y el mismo anión que las bases el ión oxidrilo (OH ). Por ello, el agua se comporta como un anfolito o sustancia anfótera, que quiere decir que puede actuar como ácido o como base: 2 H2 O

+

H3 O

+ OH

-

Aunque se puede simplificar expresándolo como: H2 O

H

+

Líquidos extracelulares Plasma Intestinos Riñón Músculos Hígado Eritrocitos Piel Esqueleto Dientes

-

+ OH

El hecho de que el agua se comporte como un electrolito débil viene determinado porque el equilibrio se encuentra muy desplazado hacia la izquierda, tanto que a 25º C, la concentración de protones y de iones oxidrilo es aproximadamente 10 -7. Sobre este aspecto incidiremos en el capítulo siguiente. 

Tiene un peso molecular pequeño, lo que le permite gran libertad para penetrar a las células, atravesar las membranas y llegar a todas partes del organismo.

93 a 99 % 92 a 93 % 82 % 80 % 78 % 75 % 69 % 65 % 20 a 40 % 5%

COMPARTIMENTACIÓN ACUOSA CORPORAL En función de su compartimentación, el agua corporal puede clasificarse en agua intracelular y extracelular.

FUNCIONES BIOQUÍMICAS Y FISIOLÓGICAS Las funciones bioquímicas y fisiológicas que el agua desempeña en el organismo se basan en las propiedades que hemos estudiado. Como ejemplo de las múltiples funciones que desempeña podemos mencionar que el agua actúa como componente estructural de macromoléculas como las proteínas y polisacáridos, en tanto en cuanto pueda estabilizar su estructura, fundamentalmente a través de la formación de puentes de hidrógeno. Por otra parte, el hecho de que sea considerada como solvente universal de sustancias, tanto iónicas como anfipáticas y polares no iónicas, implica que en su seno se realiza la totalidad de las reacciones bioquímicas, así como es el medio de transporte para estas sustancias en el organismo.

Agua intracelular es la que se encuentra en el interior de la célula, tanto en el citosol como en el resto de las estructuras celulares, y constituye cerca del 70 % del agua total existente en el organismo. Suele dividirse en: 

Agua libre, es la que puede ser utilizada por la célula de inmediato y con facilidad.

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Agua ligada o asociada, se encuentra unida a estructuras y entidades macromoleculares.

Agua extracelular, es la que se ubica fuera de las células y constituye aproximadamente el 30 % del agua total del organismo, puede ser dividida en:

El agua puede actuar como sustrato o producto en determinadas reacciones enzimáticas. Así, por ejemplo, puede actuar como cosustrato en reacciones catalizadas por hidrolasas e hidratasas, o puede ser el producto de reacciones en las que intervienen las oxidasas. Este hecho se hace extensivo a su participación tanto como reactante o como producto en infinidad de vías metabólicas que tienen lugar en el ser vivo.

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Agua plasmática o intravascular, que engloba el agua del plasma y la linfa y constituye aproximadamente el 7 % del total.

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Agua intersticial, en la que se agrupan el agua del líquido intersticial, del líquido cefalorraquídeo, del humor ocular, etc. Supone aproximadamente el 23 % del total del agua del organismo.

El cálculo de los volúmenes de los compartimentos acuosos corporales tiene gran interés en el conocimiento de diversas situaciones patológicas, y se realiza inyectando en el plasma sustancias que se distribuyen selectivamente en los diferentes compartimentos. Por ejemplo, el agua deuterada se distribuye uniformemente en todos los compartimentos acuosos, mientras que la inulina queda limitada a los espacios extracelulares y la albúmina solamente en el líquido plasmático.

Por último, mencionaremos el carácter termorregulador del agua, que permite conseguir un equilibrio de temperaturas en todo el cuerpo, así como la disipación de cantidades elevadas de calor metabólico. DISTRIBUCIÓN DEL AGUA EN EL ORGANISMO La cantidad de agua que se encuentra en el organismo es muy constante, aproximadamente unos 40 litros para