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PRIMER PARCIAL DE BIOCA
Agua y pH
El agua tiene una propension leve a disociarse hacia iones hidroxido y protones.
La concentracion de protones, o acidez , de soluciones acuosas por lo general se reporta usando la escala de pH logaritmica.
El bicarbonato y otros amortiguadores en circunstancias normales mantienen el pH del liquido extracelular entre 7.35 y 7.45.
El agua es un solvente
biológico ideal
Las moléculas de agua forman dipolos
Una molecula de agua es un tetraedro irregular, un tanto asimetrico, con oxigeno en su centro
Los dos hidrogenos y los electrones no compartidos de los dos orbitales sp 3 -hibridados restantes ocupan los angulos del tetraedro. El angulo de 105 grados entre los hidrogenos difiere un poco del angulo tetraedrico ideal, de 109.5 grados.
Una molecula con carga electrica distribuida de manera asimetrica alrededor de su estructura se denomina un dipolo.
Constante dieléctrica del agua = 78.
Por ende, el agua disminuye mucho la fuerza de atraccion entre especies
cargadas y polares en comparacion con ambientes libres de agua que tienen constantes dielectricas mas bajas. Su fuerte dipolo y constante dielectrica alta permiten al agua disolver grandes cantidades de compuestos cargados, como las sales.
Las moléculas de agua forman enlaces
de hidrógeno
Un nucleo de hidrogeno parcialmente desprotegido, unido de manera covalente a un atomo de oxigeno o de nitrogeno que extrae electron, puede interactuar con un par de electrones no compartidos sobre otro atomo de oxigeno o nitrogeno para formar un enlace de hidrogeno.
Dado que las moleculas de agua tienen estas dos caracteristicas, la formacion de enlaces de hidrogeno favorece la autoasociacion de moleculas de agua hacia disposiciones ordenadas
La formacion de enlaces de hidrogeno ejerce una profunda influencia sobre las propiedades fisicas del agua, lo que explica su viscosidad, tension superficial y punto de ebullicion relativamente altos. La rotura de un enlace de hidrogeno en agua liquida solo requiere alrededor de 4.5 kcal/mol, menos de 5% de la energia necesaria para romper un enlace O}H covalente.
En promedio, cada molecula en agua liquida se asocia por medio de enlaces de hidrogeno con otras 3.5.
La formacion de enlaces de hidrogeno permite al agua disolver muchas biomoleculas organicas que contienen grupos funcionales que pueden participar en la formacion de enlaces de hidrogeno.
Interacción con agua
a fin de minimizar el area de superficie expuesta y reducir el numero de moleculas de agua cuya libertad de movimiento se restringe.
De modo similar, en el ambiente acuoso de la celula viva las porciones hidrofobicas de biopolimeros tienden a estar sepultadas dentro de la estructura de la molecula o dentro de una bicapa lipida, lo que minimiza el contacto con agua.
Interacciones electrostáticas Las interacciones entre grupos cargados ayudan a dar forma a la estructura biomolecular. Las interacciones electrostaticas entre grupos que tienen carga opuesta dentro de biomoleculas o entre las mismas se denominan puentes de sal , los cuales tienen fuerza comparable a la de los enlaces de hidrogeno, pero actuan en distancias mayores; por ende, a menudo facilitan el enlace de moleculas y iones cargados a proteinas y acidos nucleicos.
Fuerzas de Van der Waals Surgen por atracciones entre dipolos transitorios generados por el movimiento rapido de electrones de todos los atomos neutros. Las fuerzas de Van der Waals —mucho mas debiles que los enlaces de hidrogeno, pero abundantes— disminuyen en terminos de la sexta potencia de la distancia que separa a los atomos ( figura 2-4 ). De este modo, actuan en distancias muy cortas, por lo general de 2 a 4 A.
Fuerzas múltiples estabilizan
biomoléculas La doble helice de DNA ilustra la contribucion de multiples fuerzas a la estructura de biomoleculas. Si bien cada cadena de DNA individual se mantiene junta por medio de enlaces covalentes, las dos hebras de la helice se mantienen unidas de manera exclusiva mediante interacciones no covalentes. Estas ultimas comprenden enlaces de hidrogeno entre bases de nucleotido (formacion de pares de bases de Watson-Crick) e interacciones de Van der Waals entre las bases de purina y pirimidina apiladas. La doble helice presenta los grupos fosfato cargados y grupos hidroxilo polares de los azucares ribosa del esqueleto del DNA a agua mientras que sepulta dentro las bases nucleotido relativamente hidrofobicas. El esqueleto extendido maximiza la distancia entre fosfatos que tienen carga negativa, lo que minimiza interacciones electrostaticas desfavorables
El agua es un excelente nucleófilo
El ataque nucleofilico por agua en forma tipica origina la division de los enlaces amida, glucosido o ester que mantienen juntos a los biopolimeros. Este proceso recibe el nombre de hidrolisis.
Si bien la hidrolisis es una reaccion favorecida desde el punto de vista termodinamico, los enlaces amida y fosfoester de polipeptidos y oligonucleotidos son estables en el ambiente acuoso de
la celula. Esta conducta al parecer paradojica refleja el hecho de que la termodinamica que rige el equilibrio de una reaccion no determina el índice al cual procedera hacia su punto de equilibrio. En las celulas, cataliticos proteina llamados enzimas aceleran el indice de reacciones hidroliticas cuando es necesario. Las proteasas catalizan la hidrolisis de proteinas hacia los aminoacidos que las componen, mientras que las nucleasas catalizan la hidrolisis de los enlaces fosfoester en el DNA y el RNA.
Muchas reacciones metabólicas
comprenden transferencia de grupo
Muchas de las reacciones enzimaticas de las cuales depende la sintesis y desintegracion de biomoleculas comprenden la transferencia de un grupo quimico G desde un donador D hacia un aceptor A para formar un complejo de grupo aceptor, A-G: D-G+A --- A-G+D
Las moléculas de agua muestran una tendencia
leve pero importante a disociarse
Dado que el agua tiene la capacidad de actuar como un acido y como una base, su ionizacion puede representarse como una transferencia de proton intermolecular que forma un ion hidronio (H 3 O 1 ) y un ion hidroxido (OH 2 ):
H 2 O F 0 2 BH 2 O-H 3 O F 0 2 BOH F 0 2 D
Declarar que la probabilidad de que un hidrogeno exista como un ion es de 0.01 significa que, en cualquier momento dado en el tiempo, un atomo de hidrogeno tiene 1 probabilidad en 100 de ser un ion pero 99 probabilidades en 100 de formar parte de una molecula de agua. La probabilidad real de que un atomo de hidrogeno en agua pura exista como un ion hidrogeno es de alrededor de 1.8 3 10 29. De este modo, la probabilidad de que forme parte de una molecula de agua es de casi la unidad. Dicho de otra manera, por cada ion hidrogeno y cada ion hidroxido en agua pura, hay 1.8 mil millones o 1.8 3 10 9 moleculas de agua. Sin embargo, los iones hidrogeno y los iones hidroxido contribuyen de manera importante a las propiedades del agua. Para la disociacion del agua, F 0 3 D [H F 0 2 B][OH− ] [H 2 O] K
El pH es el logaritmo negativo
de la concentración de ion
hidrógeno
Los acidos son donadores de protones y las bases son aceptores de protones. Los acidos fuertes (p. ej., HCl, H 2 SO 4 ) se disocian por completo hacia aniones y protones, incluso en soluciones fuertemente acidicas (pH bajo); por su parte, los acidos debiles se disocian solo en parte en soluciones acidicas. De
