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BIOQUÍMICA

MC1: El agua y sus Propiedades En este caso se abordará el tema del agua como disolvente universal, su relación con las sales y otros solutos que se encuentran sumergidos en ella, así como aquellas propiedades bioquímicas que la hacen esencial para la vida. Robert M, un paciente extranjero, acude a tu consulta para hacerse un chequeo general. Mientras elaboras su historia clínica, Robert te explica que hace años formó parte del equipo Mars Odissey. Después de explicarte su pasado laboral, le recomiendas realizar una densitometría para evaluar la pérdida ósea relacionada a este tipo de actividad y Robert te comenta varias cuestiones que lleva planteándose hace ya tiempo: si el agua es considerada el disolvente universal...

1) ¿Qué buscaba, principalmente, la Mars Odissey en su misión a Marte? ¿Por qué? ¿Qué características físico-químicas tiene aquello que busca, que lo hacen diferente al resto de moléculas? Su objetivo fue el estudio del clima y la realización de un mapa de la superficie de Marte. Su búsqueda principal se basaba en encontrar agua. El agua es el disolvente universal por excelencia. Gracias a su polaridad, el agua es capaz de disolver sustancias polares. Porqué el agua es la fuente de vida y el primer requisito para que haya vida tal y como la conocemos. Por lo tanto encontrar agua en Marte podría significar la presencia de vida en dicho planeta. 1. LA IMPORTANCIA DEL AGUA • El 71% de la superficie del planeta está cubierta de agua. • Sin embargo... - Sólo el 3,5% de esta agua es agua dulce, y por lo tanto potable. Se distribuye en ríos, arroyos, acuíferos y hielo en los polos y cimas de las montañas.

- El resto, el 96,5% se trata de agua salada, distribuida en los océanos. • El agua es la ÚNICA sustancia en la tierra que se encuentra, de manera natural, en los tres estamos de la materia. • Forma parte:

- Del 65% de tu cuerpo

- Del 75% de tu cerebro

- Del 83% de tu sangre…

2. ESTRUCTURA DE LA MOLÉCULA DE AGUA • El agua es una molécula formada por Hidrogeno y Oxigeno. La unión entre el átomo de oxígeno y los dos átomos de hidrógeno es posible gracias a electrones compartidos, estableciéndose así un enlace covalente entre ellos. • Es una molécula polar. Esto se debe a que el Oxígeno es muy electronegativo y tiene mucha capacidad para atraer/ captar electrones. De los dos elementos, el O tiene mayor electronegatividad que el H. Es por ello que hay una carga

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parcial negativa en el O, y carga parcial positiva en los H, dandole esta propiedad de molécula polar. • Gracias a esta polaridad de las moléculas de agua, se pueden establecer puentes de hidrógeno entre átomos de diferente carga de diferentes moléculas de agua. Además, gracias a estas uniones de puentes de hidrogeno, el agua se puede encontrar en 3 estados: sólido, líquido y gas. • En estado solido el agua tiene las moléculas muy bien ordenadas. En estado liquido las moléculas están juntas, pero no tan juntas como en el estado sólido. Por ultimo, en el estado gas, las moléculas están separadas entre sí y muy desordenadas y esparcidas.

3. PROPIEDADES FISICO-QUÍMICAS • Elevada temperatura de ebullición: Hace que el agua se mantenga en estado líquido entre un amplio espectro de temperaturas (de 0 a 100) y esto posibilita que haya vida en temperaturas extremas. • Densidad máxima a 4ºC: Esta propiedad permite que el agua en estado sólido flote sobre el agua líquida actuando el primero como aislante térmico impidiendo que el agua líquida se congele completamente. (Casquetes polares) • Elevado calor específico: Gracias a esta propiedad el agua actúa como regulador térmico ya que el calor específico es la temperatura necesaria para que un gramo de agua aumente un grado centígrado. • Elevado calor de vaporización: Con ésta propiedad el agua permite eliminar el exceso de calor del cuerpo evaporando cantidades relativamente pequeñas de agua. • Elevada conductividad calorífica: Debido a la fácil transmisión de calor a través del organismo el agua tiene la capacidad de regular la temperatura corporal. • Elevada tensión superficial: Determina una elevada cohesión entre las moléculas de su superficie. • Sustancia anfótera: se comportan como ácidos y otras que se comportan como bases dependiendo del medio. • Es un disolvente muy potente: “dipolo”. El agua es el disolvente universal, por lo que es el principal medio de transporte en nuestro organismo. La disolución consiste en que s mezclan las partículas del disolvente con las partículas del soluto.

- Elevada constante dieléctrica: Gracias a ella es buen disolvente de compuestos iónicos y sales cristalizadas ya que las moléculas de agua se oponen a la atracción electrostática entre los iones positivos y negativos, debilitando dichas atracciones.

‣ Capacidad de solvatación: El agua es capaz de disolver sustancias iónicas, son aquellas que han ganado o perdido electrones. Capacidad de las moléculas de agua para rodear los iones.

- Disolvente de moléculas anfipáticas: Otorga la capacidad de formar micelas (los lípidos).

- Disolvente de moléculas polares de naturaleza no iónicas. Dato: El agua puede disolver tanto la sal (por disociación) como el azúcar (formando puentes de hidrogeno). Sin embargo, el único que conduce la electricidad es la sal, ya que actúa como un electrolito, que es una sustancia que contiene en su composición iones libres, que hacen que se comporte como un conductor de electricidad.

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2) ¿Por qué los huesos no se disuelven? ¿Qué propiedades explican esto? El hueso y los dientes, a nivel nanoestructural contiene un mineral llamado hidroxiapatita. La hidroxiapatita, contiene principalmente, fosfato de calcio un compuesto insoluble en agua (apolar). Este mineral tiene una constante de solubilidad (Kps), es decir, la concentración de iones que tiene el mineral cuando se encuentra en equilibrio. La Kps de la hidroxiapatita es extremadamente baja (Kps=10117), y cuanto más pequeña es la Kps significa que el mineral se encuentra mayoritariamente en su forma precipitada (en estado sólido). Por ejemplo, la sal (NaCl) tiene una Kps de 36, mucho mayor, por lo que si se puede disolver en agua. 3) Teniendo en cuenta que aproximadamente un 70% del peso es agua ¿Cómo se transportan en el organismo las moléculas hidrofóbicas? Las moléculas hidrofobias repelen el agua (aceite). Son moléculas apolares, que no tienen carga. Estas moléculas son transportadas por una molécula anfipática, que contiene un extremo hidrofílico (polar) uno hidrofóbico (apolar). Estas moléculas (ejemplo: fosfolípidos) pueden formar las bicapas de las membranas celulares, también micelas y liposomas. Además de las moléculas anfipaticas, el cuerpo tiene una serie de proteínas que pueden transportar moléculas hidrofóbicas. Estas son:

- La albúmina: es capaz de transportar ácidos grasos, aminoácidos, esteroides, metales y fármacos. Se sintetiza en el hígado. Esta proteína tiene receptores en tejidos diana, por lo que solo se unirá a tejidos que tengan receptores específicos para ella. Esta proteína ademas tiene una carga negativa, por lo que no se podrá filtrar en el glomérulo renal.

- Los clatratos: también transportan sustancias apolares, pero de mayor tamaño. Las moléculas de agua se orientan y se asocian formando una estructura parecida al hielo, creando una especie de jaula de moléculas de agua alrededor de la molécula hidrofóbica.

4) El agua funciona como lubricante en las articulaciones, ¿debido a que propiedad? Una propiedad físico-química del agua es su elevada tensión superficial, que es la “energía que se necesita para que un liquido aumente su superficie de área” o la “energía que tengo que hacer para que un liquido aumente su superficie”. Por ello, algunos insectos que pesan muy poco pueden caminar sobre el agua, porque su peso no es superior a la tensión superficial, por ello no se hunden. Gracias a la elevada tensión superficial, el hueso se desliza por encima del agua que se encuentra en la articulación. La fuerza entre las moléculas del interior del líquido es distinta de las de la superficie. El agua, reduce la fricción de aquellas partes que rozan como por ejemplo los ojos, el cartílago, las glándulas lacrimales, articulaciones... 5) ¿Cuál es la función de los compuestos tensoactivos?, ¿sobre qué propiedad del agua actúan? Un tensioactivo es un surfactante, amplia la distancia entre moléculas. Su función es facilitar la emulsión y la mezcla de grasas en el medio acuoso. Actúan sobre la de tensión superficial elevada. 3

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6) ¿Qué importante secreción corporal tiene propiedades tensioactivas? ¿Cuál es su función? Las sales biliares ejercen esta función tensioactiva en el intestino delgado facilitando la digestión. La lecitina es una sustancia fosfolipídica secretada por los alveolos pulmonares lo cual permite la expansión pulmonar sino se colapsarían. Esta secreción (proteínas SP) es producida por células alveolares tipo II del parénquima pulmonar. También se encuentran en otras zonas del cuerpo. 7) ¿Por qué el sudor actúa como refrigerante? El agua también tiene una función refrigeradora, por ello cuando la temperatura corporal se eleva mucho (como hacer ejercicio) se suda, para enfriar el cuerpo. Primero hay un incremento de la circulación periférica, se sobrecarga el sistema circulatorio y se suda. La evaporación a causa de las condiciones ambientales refrigera la sangre que es transportada a través del sistema circulatorio. Porqué el agua tiene un elevado calor de vaporización y esto implica que el sudor se mantenga en estado líquido sobre la piel y vaya absorbiendo el calor ambiental manteniendo el calor corporal constante. 

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MC2: Hormigas en las manos Paula está confusa. Se levantó nerviosa por la mañana, se preparó para ir al examen de conducir y ahora está en urgencias, esperando a que un médico le aclare qué es lo que ha ocurrido. A parte del estado de confusión, se encuentra mareada y con taquicardia. Solo recuerda que estaba muy nerviosa y sentía hormigueos en las manos. Durante la anamnesis la paciente indica que no padece ninguna enfermedad crónica y que no ha ingerido alcohol o cualquier otro tipo de drogas o medicamentos. Al efectuar el examen físico, el médico de guardia aprecia que la paciente presenta respiración profunda y rápida. Se solicita un análisis bioquímico de inmediato. A la recepción del estudio de laboratorio, el médico puede destacar los siguientes datos:

- pH: 7.55 (7.35 - 7.45) - pCO2: 23 mmHg (35 - 45 mmHg) - Bicarbonato: 19 mmol/L (22-26 mmol/L)

1) ¿Qué trastorno presenta la paciente? La paciente presenta una alcalosis respiratoria. Este trastorno consiste en una alteración en el equilibrio ácido-base; este desequilibrio viene dado por una mayor frecuencia de respiración, llamada hiperventilación. Esta hiperventilación eleva el pH del plasma sanguíneo. Generalmente, la alcalosis respiratoria se produce bajo algún estímulo que le provoca a una persona la hiperventilación. Ésta consiste en el aumento de la respiración alveolar y por tanto, en la eliminación de más CO2 del sistema circulatorio. Al haber menos CO2, se altera la dinámica del equilibrio químico del sistema circulatorio y esto provoca que el HCO3— coja más protones H+ para equilibrar el pH de la sangre. Cuando esto sigue durante un tiempo, al quitar tantos H+ y sin llegar a recuperar la concentración del dióxido de carbono, el pH de la sangre acabará teniendo más OH— que H+ y quedará un poco básico.  2) ¿Por qué tiene disminuida la presión de CO2 y aumentado el pH? ¿Cuál es el mecanismo compensatorio? Como hemos dicho, la paciente presenta una alcalosis respiratoria como consecuencia de la hiperventilación. Al hiperventilar la paciente aumenta sus emisiones de CO2, lo que conlleva a una alteración en la dinámica del equilibrio químico de CO2 en el Sistema Circulatorio. Por este hecho la presión de dióxido de carbono está reducida. El aumento de pH se debe a que cuando la presión de CO2 baja en la paciente, el cuerpo trata de recuperar la presión normal mediante el aumento de la producción de CO2. El proceso de producción de CO2 es el siguiente:

Así pues, lo que producirá el aumento de la alcalinidad será la necesidad de la utilización de protones (H+) para reaccionar con el ion bicarbonato y que de esta manera a partir del H2CO3 se produzca CO2. Esto implicará una disminución en la concentración de H+ en sangre i por esta razón el pH aumentará (pH=log[H+]).

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El mecanismo compensatorio puede ser un aumento en la presión de CO2 para que la reacción se produzca inversamente hasta que la concentración de pH llegue a la normalidad (por ejemplo poniendo una bolsa en la boca para que no se escape el CO2). Otro mecanismo, que a diferencia del anterior es propio del organismo, sería la compensación renal llevada a cabo por el riñón. En el momento en que el pH sube, el riñón disminuye la secreción de H+ i reabsorbe menos bicarbonato (HCO3—), es decir que aumenta la eliminación , con lo cual el pH se normaliza al cabo de 24 a 72 horas.

- Disminución de la eliminación renal de NH4+: se disocia en NH3 y H+. El amoniaco (NH3) se elimina por sí solo y solo quedan H+ que disminuyen el pH. (NH4+ ↔ NH3 + H+).

3) ¿Por qué es importante corregir el estado de la paciente? Porque un aumento prolongado o bastante elevado del pH en sangre puede llegar a modificar o alterar las biomoléculas del cuerpo (por ejemplo desnaturalizar proteínas). Esto podría provocar graves consecuencias en el organismo ya que estas biomoléculas alterables por la variación del pH son esenciales para el buen funcionamiento del organismo. También podría llegar a producirse asfixia celular debido al mal abastecimiento de oxígeno a las células del cuerpo. Por lo tanto una alcalosis prolongada podría llegar a producir arritmias, fallos multiorgánicos, coma o un desequilibro de electrolitos (p. ej. hipocalcemia)

4) ¿Cómo la tratarías? En primer lugar, aumentaría la concentración de CO2 mediante su inhalación por medio de una bolsa o una máscara que provocara la respiración del CO2 otra vez. Luego, corregiría las pérdidas químicas que pudiera haber con medicamentos. Por último, controlaría los signos vitales (temperatura, pulso, frecuencia respiratoria y presión sanguínea) para asegurarme que todo vuelve a la normalidad.

5) ¿Qué característica tiene que tener una solución tamponante? Se dice que una solución es amortiguadora, reguladora o tampón si la concentración de protones H+, es decir el pH de una solución no se ve afectada significativamente por la adición de pequeñas cantidades o volúmenes de ácidos y bases. Un sistema amortiguador es una solución que puede absorber grandes cantidades moderadas de ácidos o bases, sin un cambio significativo en su pH, es decir, es una disolución que contiene unas sustancias que inhiben los cambios de pH, o concentración de ion hidrógeno de la disolución. Dichas sustancias pueden contener un ácido débil y su sal, por ejemplo, ácido acético y acetato de sodio, o una base débil y una sal de esa base, por ejemplo, hidróxido de amonio y cloruro de amonio. Los fluidos de los organismos vivos están fuertemente tamponados, y el agua del mar y ciertas sustancias del suelo son otros ejemplos de disoluciones tampones existentes en la naturaleza. Las disoluciones tampones se utilizan en química y sirven como referencia en la medida del pH. 6

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Los amortiguadores tienen máxima eficiencia para neutralizar los ácidos y las bases que se añaden, cuando las concentraciones del ácido débil (o de la base) y de la sal son iguales. Podremos preparar una solución amortiguadora de casi cualquier pH, si escogemos el ácido (o base) débil correcto. Existe un ion común entre el electrolito débil y su sal. El comportamiento de una solución amortiguadora puede ser explicado siempre tomando como base nuestro conocimiento acerca del efecto del ion común y el Principio de Le Chatelier, el cual dice que si un producto o subproducto es eliminado del sistema, el equilibrio se verá perturbado y la reacción producirá más producto con el objeto de compensar la pérdida. La sangre está amortiguada, principalmente, por el ion bicarbonato (HCO3–), pero cuando ocurre una hiperventilación causado por el miedo, la excitación o la ansiedad, esta persona expire más dióxido de carbono de lo necesario, alterando el equilibrio del ácido carbónico. 6) ¿Cuáles son los principales tampones en el cuerpo humano? Las soluciones tampón admiten la adición de un ácido o una base sin apenas modificar el pH. Son soluciones reversibles (equilibrio químico) y se desplazan en función de las necesidades. Debe ayudar a mantener el pH sanguíneo entre 7,35 y 7,45. Se crean a partir de un ácido muy débil (HA) y su base conjugada (A—). La capacidad de tamponamiento (amortiguación máxima) viene dada por: pH = pKa* → [base] = [ácido]. (*pKa: el nivel de pH cuando el tampón está disociado al 50%) Tampones del cuerpo humano:

- Sistema fosfato → predomina en el medio intracelular, pKa = 6,8 - Amoníaco → NH4+ ↔ NH3 + H+, los protones libres ayudan a disminuir el pH - Bicarbonato → predomina en el medio extracelular, pKa = 6,1. Permite controlar la presión parcial de CO2 en los pulmones y el [HCO3—] en el plasma. 7) Explica el funcionamiento del tampón carbonato/bicarbonato El tampón carbonato/bicarbonato es un tipo de solución amortiguadora que está compuesto por ácido carbónico (H2CO3) y carbonato (HCO3–). Es el tampón más importante que se encuentra en la sangre ya que ayuda a regular el pH de esta que, de manera aproximada, se mantiene a 7’4. Podemos considerar que es un tampón muy eficaz ya que la relación entre el bicarbonato y el carbónico es muy alta, lo que supone una alta capacidad para amortiguar los ácidos. En la sangre, dependiendo el número de H+, habrá un aumento o disminución de pH. El carbonato se encuentra en la sangre y, si el número de H+ es muy elevado, los capta y pasa a bicarbonato. Este bicarbonato hará el mismo proceso y pasará a tener dos H, transformándose en ácido carbónico. Gracias a la función enzimática de la amilasa carbónica, este ácido se catalizará de manera rápida a agua y dióxido de carbono que será expulsado con gran facilidad por la respiración. Se debe tener en cuenta que este proceso es reversible y que el pH de la sangre puede ser superior a 7’4. En este caso se desprenderán hidrogeniones para volver más ácida la sangre y mantenerla estable.

RESUMEN PH Y REGULACIÓN

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MC3: Colacao Turbo El proceso de selección para acceder a un puesto de analista en unos laboratorios dedicados al análisis y control alimentarios, consta de dos pruebas: una práctica y una teórica. En la prueba práctica, que es eliminatoria, se entrega a los candidatos dos muestras para analizar: una muestra de mantequilla y una de margarina, y se les da la posibilidad de realizar todos los análisis que consideren necesarios para poder descubrir cuál es cuál. Ambas muestras se entregan a los candidatos termostatizadas en estado líquido y envasadas al vacío de manera que las propiedades organolépticas no les pueden ayudar a diferenciarlas. La parte teórica, a la que acceden 5 de los 10 candidatos que han diferenciado ambas muestras, consta de preguntas cortas que los candidatos han de contestar de la forma más concisa posible(Cuestiones 24). Después de realizar esta prueba teórica, se eliminan 3 de los 5 candidatos. Los dos candidatos finalistas, deben contestar un par más de preguntas (cuestiones 5-6).

DIFERENCIAR MANTEQUILLA DE MARGARINA Mantequilla: grasa de origen animal. Es una fuente de lípidos, vitaminas liposolubles (A y D). Contiene colesterol. Es insoluble en agua...