LIBRO BIOQUIMICA COMPLETO, Guías, Proyectos, Investigaciones de Química

¡Descarga LIBRO BIOQUIMICA COMPLETO y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Química solo en Docsity! UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SINALOA DIRECCIÓN GENERAL DE ESCUELAS PREPARATORIAS ACADEMIA DE BIOLOGÍA BIOQUÍMICA // PLAN 2018 Ciclo escolar 2020-2021 TEXTO DE ACOMPAÑAMIENTO PARA ACTIVIDADES A DISTANCIA UNIDAD 1 y Il Elaborado por: Carolina Pérez Angulo Alejandra Utrilla Quiroz Mónica Rosario Álvarez Martínez Amada Aleyda Angulo Rodríguez Alma Rebeca Galindo Uriarte Pagina 1 de 17 8 EJ 5, c ADEMIA DE OLOGIA HILLERATO-UAS aplicaciones. Competencias genéricas utos Criterios de aprendizaje 5.1 Sigue 5. Desarrolla innovaciones y propone soluciones a problemas a partir de dquisició métodos establecidos. a 6. Sustenta una postura personal sobre temas de interés y relevancia general, considerando otros puntos de vista de manera crítica y reflexiva. 8.1 Plantea ofrece 8. Participa y colabora de manera efectiva en equipos proyectos instrucciones y procedimientos de manera reflexiva en la búsqueda y conocimientos. alternativas solución al en equipos Elige de manera crítica los procedimientos más favorables en la búsqueda y adquisición de nuevos conocimientos de huevos 6.1. Selecciona, interpreta y reflexiona críticamente sobre la información que obtiene de las diferentes fuentes y medios de comunicación. Valora de manera crítica la información que obtiene, interpreta y procesa. problemas y de desarrollar de Desarrolla proyectos en equipos de trabajo siguiendo una metodología pre- establecida, cumpliendo de diversos. trabajo, y define un curso de manera oportuna y acción con pasos adecuada las actividades específicos. asignadas. Competencia disciplinar extendida Criterio de aprendizaje CEF-01. Valora de forma crítica y responsable los beneficios y riesgos que trae consigo el desarrollo de la ciencia y la aplicación de la tecnología en un contexto histórico-social, para dar solución a problemas. CEF-03. Aplica la metodología apropiada en la realización de proyectos interdisciplinarios atendiendo problemas relacionados con las ciencias experimentales. * Se evalúan con la actividad experimental. Propósito de la unidad Valora las aportaciones de la bioquímica y su relación con otras ciencias para analizar su impacto en la sociedad y en su vida, mediante estudios del área o situaciones cotidianas. Página 2 de 17 Valora los beneficios y riesgos que trae consigo el desarrollo del conocimiento científico relacionado con la bioquímica y su aplicación tecnológica en un contexto histórico-social,. de forma crítica y responsable. Aplica la metodología apropiada en la realización de proyectos inter o multidisciplinarios atendiendo problemas contextualizados de bioquímica, comunicando los resultados en forma clara y coherente. ACADEMIA LY BACHILLERATO DE BIOLOGIA VAS 1.1 Bioquímica. Describe brevemente cuáles otras áreas del conocimiento se requieren para comprender la bioquímica, qué estudian y cómo contribuyen para un mejor entendimiento de esta ciencia. Adquiero mi conocimiento Concepto y propósito de la Bioquímica. La bioquímica es el estudio de los procesos químicos que ocurren en los tejidos vivos. Concretamente, la bioquímica estudia a los seres vivos y describe como ocurren los procesos biológicos a nivel molecular, al utilizar conjuntamente los principios de la química orgánica y de la fisiología en la búsqueda de la comprensión cada vez más precisa de los procesos biológicos. La bioquímica analiza los fenómenos biológicos a nivel más profundo que el de las modificaciones aparentes, y la información está más allá del campo de lo que se observa a simple vista o con cualquier microscopio. Las bases conceptuales de la bioquímica se encuentran en la química orgánica, la fisicoquímica y la fisiología. El propósito de la bioquímica, como nos dice Robert Murray, consiste en describir y explicar, en términos moleculares, todos los procesos químicos de las células vivas. ACADEMIA DE BIOLOGIA BACHILLERATO- UVAS Página 5 de 17 Desarrollo histórico de la Bioquímica: Aplicaciones de la Bioquímica La iniciación de la investigación dentro de los límites de la moderna bioquímica se produjo hace unos 200 años. En la segunda mitad del siglo XVIIl y durante todo el XIX se llevó a cabo un gran esfuerzo para entender tanto el aspecto estructural como el funcional de los procesos vitales. De particular interés son los estudios realizados por el químico francés Antoine Lavoisier (1743-1794), alrededor de 1780, sobre la respiración; con los resultados de las determinaciones calorimétricas acerca del calor desprendido en la combustión, por un lado, y la respiración en células vivas, por otro, Lavoisier concluyó que la respiración celular es similar a la combustión, sólo que más lenta. Las primeras investigaciones del gran químico sueco Karl Scheele [1742-1786) sobre la composición química de los tejidos vegetales y animales constituyeron, sin duda alguna, el impulso necesario para el de la bioquímica. Scheele aisló una gran variedad de sustancias naturales tales como ácidos úrico, láctico, oxálico, cítrico, málico, así como también glicerina, caseína y diversos ésteres. Al desarrollarse las técnicas de análisis cuantitativo elemental, el químico y médico sueco Jóhns Berzelius (1779-1848) y el químico alemán Justus Von Liebig (1803-1873) demostraron, a principios del siglo xix, que las sustancias aisladas por Scheele contenían como elemento común al carbono. Siguieron los intentos para sintetizar sustancias que contuviesen carbono, esto es, productos orgánicos. En esta época estaba muy extendida la teoría del vitalismo, la cual sostenía que los compuestos orgánicos solamente podían ser sintetizados mediante la acción de una fuerza vital, que se creía Únicamente existía en los tejidos vivos. El vitalismo se vino abajo cuando en 1828, el pedagogo y químico alemán Friedrich Wohler (1800-1882) sintetizó la urea a partir de cianatos metálicos y sales de amonio. A las investigaciones de Wohler siguió la síntesis de ácido acético por parte de otro químico alemán Adolf Kolbe (1818-1884), en 1844, y la de varios compuestos orgánicos sintetizados en 1850 por el químico e historiador francés Marcellin Berthelot (1827-1907). Entonces el vitalismo quedó en el olvido, mientras que la síntesis orgánica estaba en pleno florecimiento. La división de los alimentos en azúcares, grasas y proteínas, que dura hasta nuestros días, fue establecida por primera vez en 1827 por el médico inglés William Prout. La química estructural de los lípidos fue objeto de atención en el mismo siglo xix a través de los trabajos del francés Michel Chevreul (1786-1889) quién demostró, a través de estudios de saponificación, que las grasas se componían de ácidos grasos y glicerina. Uno de los trabajos significantes en la bioquímica estructural fueron los presentados por el eminente químico alemán Emil Fischer (1852-1919), revolucionando la investigación relativa a las estructuras de carbohidratos, grasas y proteínas. Fischer recibió el premio Nobel de Química en 1902. Página 6 de 17 Be BIOLOGIA BACHILLERATO- UVAS Químicos orgánicos de renombre como el holandés Gerardus J. Mulder (1802-1880), el alemán Justus Von Liebig, y el francés Paul Schutzenberger (1829-1897) y otros aislaron aminoácidos a partir de hidrolizados de proteínas, y de nuevo Emil Fischer vuelve a la escena de la historia cuando dedujo la forma en que se unen los aminoácidos en las proteínas. En 1868, el biólogo suizo Friedrich Miescher (1844-1895) descubrió la presencia de ácido nucleico en los núcleos de las células del pus obtenido de vendajes quirúrgicos desechados. Algunas facetas del metabolismo bioquímico aclaradas antes del siglo XX, usualmente centraban sus investigaciones en problemas agrícolas o médicos. Por esta misma época el zoólogo alemán Theodor Schwann (1810-1882) reconoció que el proceso de la fermentación era de origen biológico; describió a la levadura como una planta capaz de convertir el azúcar en alcohol y bióxido de carbono. Estos trabajos fueron continuados, entre otros, por el químico francés Louis Pasteur (1822-1895) que identificó microorganismos fermentadores que no necesitan oxígeno, introduciendo así el concepto de organismos aerobios y anaerobios. Otros avances importantes del siglo XIX fueron las investigaciones sobre la fotosíntesis y la fijación de CO» por los vegetales que corrieron a cargo del botánico suizo Horace de Saussure; se realizaron estudios sobre digestión, recuérdense los trabajos de Lázaro Spallanzani, René de Reamur, William Beaumont y Claude Barnard. Por esta época se desarrollan, además, técnicas quirúrgicas para estudiar la fisiología y la bioquímica animal. Una de las conclusiones más importantes fue acerca de la unidad básica de la bioquímica en la naturaleza. Se demostró que, aunque cada especie presenta individualidad bioquímica, existen grandes semejanzas en la manera en que formas vitales aun completamente distintas, llevan a cabo funciones íntimamente relacionadas entre sí. Esto simplifica el problema de la comprensión de los procesos vitales. A finales del siglo XIX y principios del XX, la bioquímica florece en todo su esplendor. En 1903, el bioquímico judío alemán Carl Neuberg (1877-1956) da el nombre de bioquímica a esta nueva rama de la biología, motivo por el cual se le considera el padre de la bioquímica. Desde el punto de vista químico es de gran importancia que factores alimentarios desconocidos fueran puestos claramente de manifiesto por el bioquímico británico Frederick Hopkins (1861-1947) y sus colaboradores que señalaron la existencia de enfermedades causadas por deficiencias nutritivas. La pelagra, el escorbuto, el raquitismo y el beriberi fueron gradualmente admitidas como enfermedades nutritivo-deficientes y sus agentes curativos, las vitaminas [término propuesto por el bioquímico polaco-americano Casimir Funk), fueron aisladas y caracterizadas. Son notables las investigaciones desarrolladas en este tema por los Página 7 de 17 Be BIOLOGIA BACHILLERATO- UVAS Pero estos editores básicos consisten en proteínas adaptadas del método de edición de genes CRISPR, que necesitan una molécula de ARN para guiarlos hacia su objetivo. En teoría, el editor base también podría corregir las mutaciones en los óvulos para evitar que los niños hereden trastornos mitocondriales, proporcionando una alternativa al uso de mitocondrias de donantes, los llamados bebés de tres padres. Fuente: hitos://ww newscientist. comv/article/22481 48-Ine-powernousesins lsngue-been-ge: ted-for-Ine-first-time/ Hiz6Rpxá9NGL e ¿Cuálestu opinión acerca de este tipo de tratamiento genético relacionado con las mitocondrias para la prevención de enfermedades humanas? e ¿Cuáles son las moléculas orgánicas implicadas en el desarrollo de estas investigaciones? + ¿Qué otras moléculas orgánicas conoces?, menciona sus funciones. e ¿Además de las mitocondrias, que otros organelos celulares conoces?, menciona sus funciones. + ¿Cuáles son los beneficios del desarrollo de este tipo de investigaciones para la humanidad? Composición química de los seres vivos. Adquiero mi conocimiento Una mirada a la naturaleza y composición química de la célula La célula es la unidad estructural y funcional básica de la cual están constituidos los organismos vivos. El organismo vivo más complejo, el ser humano, puede contener un billón de ellas, mientras que muchos microorganismos sólo se componen de una sola célula. Los organismos unicelulares de muy diferentes clases y las células del tejido del cerebro o del músculo son tan diferentes en su morfología como lo son en su función. Pero a pesar de toda su variedad son células y por ello todas tienen una membrana celular, un citoplasma que contiene diversos organelos y un núcleo central. Además de tener una estructura definida, las células tienen en común un cierto número de funciones características. En primer lugar, son capaces de proporcionarse y transformar la energía. Se inicia con la absorción y transtormación primaria de la energía de la luz solar en energía de enlace químico realizada por las plantas verdes, para la producción de carbohidratos. El interior de la célula se distingue del mundo exterior por la presencia de moléculas complejas; la capacidad de sintetizar grandes moléculas a partir de otras sustancias más sencillas sigue siendo una de las características que distinguen a las células. Entre estas moléculas hay proteínas que además de constituir la parte principal de la ACADEMIA BIOLOG BACHILLERATO Pagina 10 de 17 DE IA VAS sustancia “sólida” de las células, muchas otras proteínas son enzimas pues tienen propiedades catalíticas, es decir, que son capaces de acelerar grandemente la velocidad de las reacciones químicas que ocurren dentro de la célula, especialmente aquellas implicadas en las transformaciones energéticas. La síntesis de proteínas a partir de 20 aminoácidos diferentes, tiene lugar bajo la regulación del ácido desoxirrilbonucleico (ADN) y del ácido ribonucleico (ARN). De un momento a otro la célula se divide: una célula madre ha crecido y da origen a dos células hijas, proceso reconocido hace muchos años al observar que los cromosomas se distribuían en partes iguales. Se había supuesto y así se ha demostrado que los cromosomas, constituidos de ADN, contienen a los genes que son los agentes de la herencia. No existe una célula típica dada la gran diversidad de formas vivientes, así tenemos células diferentes en cada uno de los reinos de la naturaleza, sin embargo, para fines prácticos se pueden mostrar tres de ellas, de las cuales se hará una breve descripción de su organización subcelular, y posteriormente sus componentes moleculares. Las células procariotas son las que no tienen núcleo definido, ya que no poseen membrana nuclear, es decir, tiene su ADN libre en el citoplasma. Además, estas células no presentan organelos membranosos tales como mitocondrias, aparato de Golgi, retículo endoplásmico, lisosomas, etc. Los organelos que sí se encuentran en estas células son los ribosomas, puesto que no poseen membranas. Un primer ejemplo es el de la célula bacteriana representante de las células procariotas: " Y Cápsula Pared celular 7 Membrana celular Las células eucariotas suelen ser más complejas y grandes que las procariotas. Tienen núcleo verdadero definido por una doble membrana, donde se encuentran su ADN, organelos rodeados por membranas y en su citoplasma se encuentra el citoesqueleto. ACADEMIA BIOLOG BACHILLERATO Pagina 11 de 17 DE IA VAS Un segundo ejemplo sería una célula animal que representaría una célula eucariota, como la siguiente: Ausentes en la p mayoría de las É Flagelo-— células “7 Centríolo. Lisosoma N — Retículo 7 encioplasmatico rugoso Ribosomas Retículo. + | endoplasmatico liso Peroxisoma Aparato e S Mitecondria de Golgi A Membrana plasmática - Microtúbulo — Microfilamento Í citoesquelato Un tercer ejemplo de célula sería el de una célula vegetal, que también representaría a las células eucariotas: Pared celular - Bl Ausentes añ Vacuola | on células central e animales Retículo endoplasmatico_ rugoso Ribosomas. Cloroplasto | Retículo encoplasmarico- iso Peroxisoma Aparato__— de'soel Mitocondria - Membrana [Microtúbulo —— plasmática toesqueleto: e Microfilamento- Aunque no es el propósito principal de este texto el estudiar la estructura y la composición de la célula, se hace un pequeño resumen de la estructura celular eucariota, fundamentalmente con la idea de ubicar las moléculas que intervienen en la estructura y función celular. A continuación, se presenta una breve descripción sobre las estructuras y los principales organelos celulares, y las moléculas orgánicas que intervienen. Página 12 de 17 Be BIOLOGIA CA BACHILLERATO-UAS MITOCONDRIAS Al igual que en el núcleo, la mitocondria presenta una doble membrana separada por un espacio intermembranoso, con la diferencia de que no es porosa. La membrana externa es lisa y continua, la interna es plegada formándose algunas bolsas o sacos denominadas crestas, ambas membranas están constituidas por lípidos y proteínas. Realizan la respiración celular y actúan como centrales eléctricas, pues las mitocondrias son responsables de suministrar la mayor parte de la energía necesaria para la actividad celular y sintetizan "*mbrana externa membrana interna ATP a costa de los carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos que consumimos en la alimentación. espacio intermembranal matriz La matriz mitocondrial que es el líquido que llena el interior de la mitocondria también contiene Unas moléculas de ADN circular, pequeños ribosomas que sintetizan algunas proteínas mitocondriales y una gran variedad de enzimas. porinas MITOCONDRIA RETÍCULO ENDOPLÁSMICO Dos tipos son conocidos, el llamado rugoso, debido a la presencia de ribosomas unidos a la superficie de la vesícula membranosa. El segundo tipo es el liso donde están ausentes los ribosomas. La función del retículo endoplásmico rugoso está relacionada con la biosíntesis de proteínas y con el almacenamiento y transporte de proteínas destinadas a ser secretadas. Después de su síntesis entran en la cavidad interior del retículo, llamado espacio cisternal. Por la acción de las enzimas localizadas en compartimiento espacial algunas de las proteínas internas son convertidas en glicoproteínas. Retículo Endoplásmico Rugoso (RER) La función del retículo endoplásmico liso está relacionada con la síntesis de lípidos. Retículo Endoplásmico Liso (REL) Página 15 de 17 G BIOLOG BACHILLERATO Ribosomas DE IA VAS APARATO DE GOLGI Forma parte del sistema de membranas intracelulares. La unidad básica del organelo es el sáculo, que consiste en una vesícula individual aplanada o, cisterna. Cuando se apila una serie de sáculos se forma un dictiosoma. El dictiosoma se encuentra estrechamente relacionado con el retículo endoplásmico. El sistema de membranas, participan en la regulación APARATO del desplazamiento de macromoléculas DE GOLGI producidas en el retículo endoplásmico. región cis CS > clsternas vesícula a excrelar Os región trans Una de sus funciones es la de aceptar proteínas procedentes del retículo endoplásmico rugoso (RER) y lípidos del retículo endoplásmico liso (REL) para ser concentrado y empacado en gránulos densos, siendo entonces secretados de la célula. También participa en la incorporación de sustancias por endocitosis con ayuda de la membrana plasmática para después ser asimiladas. El aparato de Golgi participa en los procesos de secreción, almacenamiento, transporte y transferencia de glucoproteínas, participan, además, en la formación de membranas y la pared celular vegetal. LISOSOMAS Se forman a partir del retículo endoplásmico rugoso y después de que los cuerpos Golgi empaquetan tales enzimas. Cubiertos por sólo una membrana, contienen enzimas digestivas que desdoblan todas las moléculas inservibles para la célula. Consumen restos celulares viejos digiriéndolos. CLOROPLASTOS Aunque los diferentes tipos de células animales y vegetales comparten la mayoría de la organización estructural, las células de plantas verdes, en su gran mayoría, contienen un organelo único, el cloroplasto, que está rodeado de doble membrana y contiene su propio ADN, moléculas de clorofila y una gran variedad de enzimas. Son los organelos especializados en realizar la fotosíntesis, ya que capturan la energía solar y la convierten en energía metabólica. Pagina 16 de 17 G BIOLOG BACHILLERATO DE IA VAS Anillo de ADN > Envoltura del cloroplasto ini membrana externa Laminilla espacio intermembranal membrana interna 5 Tilacoide membrana CLOROPLASTO Organizo mi conocimiento Actividad de aprendizaje semana 2: Escrito reflexivo de Avances de la Bioquímica y sus aplicaciones. 1. De manera individual elabora la actividad en un archivo Word. 2. Elabora un escrito reflexivo de “Avances de la bioquímica y su aplicación”; tomando como base la Línea del tiempo que elaboraste, selecciona un dato importante sobre los avances de la Bioquímica, identifica una problemática de tu comunidad o país que se relacione con ese dato y plantea una propuesta de cómo aplicarías los conocimientos de la bioquímica para resolver la problemática que identificaste en tu contexto. 3. Para obtener más información consulta "Las 7 aplicaciones de la Bioquímica" en el link: https://www.lifeder.com/aplicaciones-bioquimica/ y observa el video "Importancia de la Bioquímica": https: //youtu.be/VOk00_AgX88 Página 17 de 17 G BIOLOGIA BACHILLERATO- UVAS Evaluación diagnóstica Contesta las preguntas usando sólo tus conocimientos previos, sin consultar ninguna fuente para responder siendo honesto con tus respuestas. 1. ¿Por qué el agua es importante para los seres vivos? 2. ¿Qué le pasaría a tu organismo si no tomas agua? 3. ¿Qué función cumple el sudor en los seres humanos? 4. ¿Bajo qué condiciones una persona debería tomar vida suero oral? LY ACADEMIA DE BIOLOGIA BACHILLERATO VAS El agua Exploro mis conocimientos. El agua ¿cuál es su importancia? En los juegos olímpicos de Los Ángeles 1984, Gabriela Andersen participó en el maratón femenil de los 42,195 metros. Esta mujer cambió la historia del atletismo. En la pista dejó un sobresaliente esfuerzo que no se desvaneció hasta haber cruzado la meta. ¿Quién es esta mujer y que fue lo que hizo? En la ciudad de Los Ángeles, la humedad era muy alta y la temperatura rondaba los 30”C, aproximadamente pasada la media maratón, Andersen no se hidrató en un puesto de abastecimiento y allí comenzaron los problemas. Su físico empezó a venirse abajo. Y en su ingreso al Estadio Olímpico se produjo una de las más famosas imágenes de la historia del Olimpismo. Todo el estadio emitió un largo suspiro cuando vieron entrar en el lugar 37 a Andersen tambaleándose, con los brazos colgando, como muertos, víctima de un esfuerzo sobrehumano. Los médicos se acercaron a ella, pero la atleta rechazó su ayuda. Si la tocaban, sería descalificada. Fueron los minutos más conmovedores de la competencia, mientras los paramédicos le seguían por la orilla, ella tenía clara su meta, ni los dolores, ni el cansancio la harían desistir. Cruzar la meta era su sueño, y se hizo realidad. Una vez cruzó la meta, colapsó y se desmayó; los jueces estaban esperándola en la meta para cargarla. Reflexiona acerca de lo leído, investiga y contesta las preguntas. 1. ¿Qué fue lo que causó el colapso de Andersen? 2. ¿Cómo podría haber evitado el colapso? 3. ¿Cómo ocurre la deshidratación? 4. ¿Cuáles son las consecuencias de la deshidratación? 5. Menciona algunas recomendaciones para mantenernos hidratados z BIOLOGIA Actividad de inicio Investiga lo que se solicita a continuación: 1. Da ejemplos de la cantidad de agua (%) que constituye a cinco organismos, incluyendo a los seres humanos 2. ¿Cómo pueden los seres vivos mantener las cantidades constantes de agua en su organismo? 3. A qué se debe que la molécula de agua sea polar y que características le confiere a un organismo. Adquiero mi conocimiento El término agua, generalmente, se refiere a la sustancia en su estado líquido, pero la misma puede hallarse en su forma sólida, llamada hielo, y en forma gaseosa, denominada vapor. Las características de la molécula de agua ejercen gran influencia en la estructura, organización y funcionamiento de los seres vivos, por lo que se considera que la combinación exclusiva de las propiedades físicas y químicas del agua es esencial para el origen de la vida, así como para la supervivencia y la evolución de los organismos en la Tierra. El agua es la molécula más abundante en la superficie de la Tierra, donde cubre alrededor del 70 % y tan sólo el 30 % es tierra firme. Sobre la superficie de la Tierra se localiza principalmente en los océanos, donde se concentra el 96.5% del agua total, los glaciares y casquetes polares poseen el 1.74%, los depósitos subterráneos (acuíferos), los permafrost y los glaciares continentales suponen el 1.72% y, el restante 0.04% se reparten en orden decreciente entre lagos, humedad del suelo, atmósfera, embalses, ríos y seres vivos. La molécula de agua es la más abundante de todas las que integran a los seres vivos. La inmensa mayoría de las células están constituidas de 80% de agua y el resto de las demás moléculas. En consecuencia, los seres vivos intercambian con su medio externo, mayor número GBJ Sxemiitenaro (5 BIOLOGIA DE VAS Figura 2.5 Enlaces de hidrógeno en el hielo. Cada molécula de agua forma AER en el hielo cuatro enlaces de hidrógeno, el máximo posible, creando una Y LON red cristalina regular. A LS S 3 Propiedades químicas y físicas del agua y su importancia biológica. Las propiedades del agua están estrechamente relacionadas y determinadas por sus enlaces de hidrógeno. Algunas propiedades fisicoquímicas del agua que tienen gran influencia en los seres vivos son: densidad, calor específico, calor de fusión, calor de evaporación, cohesión, adhesión, capilaridad, tensión superficial, constante dieléctrica, hidratación e hidrólisis. Estas propiedades son de obligado estudio para poder llegar a entender su importancia en los organismos. Los enlaces de hidrógeno explican la forma en que el agua responde a los cambios de temperatura. Como ya has visto, el agua existe en tres formas, que difieren en el grado de enlaces de hidrógeno: gas (vapor), líquido y hielo, un sólido cristalino. Cuando el agua pasa de un estado a otro, los enlaces de hidrógeno se forman o se rompen. Para aumentar la temperatura de una sustancia se necesita agregar energía calorífica para hacer que sus moléculas se muevan más rápido, es decir, para aumentar la energía de movimiento, energía cinética, de las moléculas. 1. Densidad, es la relación entre el peso y el volumen de una sustancia, que habitualmente se compara con el peso de un volumen igual de agua. Cuando el agua se congela a hielo, los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua pasan a ser más regulares y mejor definidos, creando una red molecular tetraédrica rígida en la que cada molécula está enlazada a otras cuatro mediante enlaces de Hidrógeno. La red cristalina del hielo ocupa más espacio que el ocupado en el agua líquida; el hielo es, así, menos denso que el agua líquida y por eso flota. La densidad del hielo es de 0.92 9/ml y la del agua líquida es de 1.00 g/ml. El hecho de que el agua sea menos densa en el estado sólido que en el estado líquido es una de las propiedades extraordinarias que permite el desarrollo de la vida tal y como la conocemos. Si el hielo se hundiera, raramente tendría la oportunidad de derretirse, y iz POLOS DE IA VAS eventualmente todas las lagunas, lagos y océanos estarían congelados, esto provocaría un desastre para los peces y las plantas que crecen en regiones de inviernos helados (Figura 2.6). de organismos acuáticos. Figura 2.6 El hecho de que el hielo flote en los océanos, lagos y ríos, es debido a su menor densidad, permitiendo el desarrollo 2. Calor específico, es la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de una sustancia en 1*C. Esto se puede explicar porque el agua absorbe gramo por gramo más energía calorífica para elevarla un grado de temperatura, que la mayoría de las sustancias. Se puede apreciar esta propiedad, midiendo la enorme cantidad de calor que se requiere para modificar la temperatura del agua. Esta energía es alta para el agua (1cal/g), comparándola con otros líquidos. Se aprovecha esta propiedad del agua usándola como enfriador en los motores de automóviles y en los sistemas de calefacción de los edificios. La humedad de los bosques es importantísima para mantener con menores cambios de temperatura a dicho ecosistema, en comparación con lo que se observa en los desiertos. El alto contenido de agua en los organismos les ayuda a mantener la temperatura interna relativamente constante. Esta disminución de las fluctuaciones de temperatura es importante porque las reacciones biológicas sólo pueden tener lugar dentro de un rango de temperatura relativamente estrecho (Figura 2.7). Figura 2.7 El alto contenido de agua ayuda a mantener la temperatura homogénea en el cuerpo, debido a que el plasma (componente líquido de la sangre) contiene alrededor de 91% de agua, es decir, el componente más abundante de la sangre es el agua. Sangre pura Plasma Porcentaje Porcentaje por peso por volumen Plasma 55% Plaquetas <1% Capa leucocitaria Leucocitos <1% Elementos formados 45% TES o Elementos formados Porcentaje por número de células Muestra de sangre centrifugada 3. Calor de fusión, es la energía que se gasta en la fusión de un mol de un sólido. Recuerda que un mol es el peso molecular de una sustancia expresado en gramos. Un mol de agua es equivalente a 18 gramos, entonces, para poder fundir (pasar de hielo a líquido) 18 gramos de agua se necesitan 80 cal/g. Este es un valor elevado comparado con otra sustancia. Este calor de fusión es el necesario para que las moléculas del sólido (hielo) ACADEMIA DE BIOLOGIA BACHILLERATO- UVAS LY que presentan un orden continuo debido a las fuerzas de atracción, adquieran energía cinética para que pasen a un orden discontinuo característico del líquido. En los seres vivos, el alto calor de fusión del agua proporciona un sistema eficiente de protección contra el congelamiento. Para congelar un mol de agua (189) se necesita remover la misma cantidad de energía que se absorbe al descongelarlo; por esta razón, y aunque parezca contradictorio, cuando en los invernaderos ha bajado la temperatura de una manera considerable y los vegetales pueden dañarse por el frío extremoso, si no se dispone de otra fuente de calor, se introduce hielo en ellos para que al ocurrir el descongelamiento se libere calor y, de esta manera, subir la temperatura (Figura 2.8). Figura 2.8 La introducción de hielo al invernadero eleva la temperatura, porque al fundirse el hielo se libera calor. 4. Calor de evaporación, es la energía empleada en la evaporación de un mol de un líquido en su punto de evaporación. También es conocido como calor molar de evaporación. Representa la cantidad de energía cinética que requieren las moléculas en el estado líquido y poder vencer su mutua atracción para alejarse unas de otras, como se presentan en los gases. El calor de evaporación del agua es también alto, al igual que el calor de fusión y calor específico. Cuando el agua hierve, se rompen muchos enlaces de hidrógeno, por lo que se forma una nube de vapor compuesta de pequeñísimas gotas de agua. Si se rompen la mayor parte de los enlaces hidrógenos restantes, las moléculas comienzan a moverse libremente como vapor de agua (un gas). Este alto calor de evaporación del agua es benéfico para los seres vivos, debido a que se minimizan las pérdidas de agua que pudieran ocurrir en la evaporación, de manera que protege contra la deshidratación. Además, si ocurre evaporación, provee de un eficiente sistema de enfriamiento, debido a que la energía indispensable para la evaporación “la toma” el agua de la superficie del ser vivo, con lo que se siente una sensación de frescura z POLOS DE IA VAS A continuación, se citan algunos líquidos con su constante dieléctrica correspondiente a 20*C, para que los compares con la del agua: [ATTE MA SE Metanol 33 Etanol 24 Benceno 2.3 Hexano 1.9 Dentro de los sistemas vivos, muchas sustancias se encuentran en solución acuosa. Una solución es una mezcla uniforme de moléculas de dos o más sustancias. La sustancia presente en mayor cantidad, que es habitualmente líquida, se llama solvente, y la sustancia presente en cantidades menores se conoce como soluto. La polaridad de las moléculas de agua es la responsable de la capacidad solvente del agua. Las moléculas polares de agua tienden a separar sustancias iónicas, como cloruro de sodio (NaCl), en sus ¡ones constituyentes. Muchas moléculas unidas covalentemente son importantes en los sistemas vivos, como los azúcares, tienen regiones de carga parcial positiva o negativa. Las moléculas polares que se disuelven rápidamente ES hidrofílicas — (“afines al agua”). Las moléculas no SS en agua y tienden a agruparse son llamadas hidrofóbicas (“repelen el ES) Estas moléculas, por lo tanto, atraen moléculas de agua y también se disuelven en agua. 10. Hidratación, es la capacidad que tienen las moléculas de agua para rodear a los iones. Las moléculas de agua se orientan de acuerdo con la carga de los ¡ones y se acomodan en las capas concéntricas alrededor del ¡on (Figura 2.13). Cabe aclarar que cuando el solvente no es agua, recibe el nombre de solvatación. (7 BIOLOGIA BACHILLERATO DE VAS Las células y los líquidos extracelulares (como la sangre) y de animales y plantas contienen diversas sales disueltas que son la fuente de muchos iones minerales importantes esenciales para el equilibrio de líquidos y el equilibrio ácido-base. En los animales el funcionamiento de los nervios y de los músculos, la coagulación sanguínea, la formación de huesos, y de muchos otros aspectos del funcionamiento del cuerpo dependen de los ¡ones. Sodio, potasio, calcio, magnesio son los cationes principales presentes; cloruro, bicarbonato, fosfatos y sulfatos son los aniones importantes. Las concentraciones y cantidades relativas de los diversos cationes y aniones se mantienen constantes. Cualquier cambio importante afecta las funciones celulares y puede conducir a la muerte. 0 * A DO a 3D" e pm st y Figura 2.13 a) El ion positivo sodio e S (Na+) atrae las cargas negativas de + al ae las moléculas de agua, y b) el ¡ion De A negativo cloro (Cl-) atrae las cargas as de las moléculas de agua. se se (a) Hidratación cel en sedio (b) Hidratación del or loro 11. Hidrólisis. Es la reacción química en la que interviene una molécula de agua que reacciona con otra molécula diferente. En esta reacción se fragmentan ambas moléculas, la molécula de agua se fragmenta en un protón, ion hidrógeno (H*) y un ¡on hidroxilo (OH”), cada uno de los cuales se une a uno de los fragmentos de la otra molécula. Por ejemplo, el disacárido sacarosa (azúcar de caña) reacciona con el agua y por hidrólisis se fragmenta en dos moléculas más pequeñas que son la glucosa y la fructosa, en donde el H* y el OH: provenientes del agua quedan incorporados a las moléculas resultantes (Figura 2.14). En las células, una gran variedad de moléculas de alimentos se fragmenta por hidrólisis en moléculas más pequeñas, generando así tanto una forma de energía utilizable por la célula, como alguna de las pequeñas moléculas que la célula necesita como elementos de construcción. Ho H OH H huctosa SACAROSA Figura 2.14 Hidrólisis de la sacarosa. Observa cómo la molécula de agua se rompe y cada parte completa a las moléculas de fructosa y glucosa, respectivamente. (5 BIOLOGIA BY BACHILLERATO DE VAS Actividad de aprendizaje 1. Cuestionario autoevaluable de Propiedades fisicoquímicas del agua. Haz la lectura del texto electrónico de la unidad ll: Agua, pH y electrolitos de la página 7 a 15 y posteriormente relaciona las propiedades fisicoquímicas del agua, definición y su importancia biológica. En plataforma encontrarás el cuestionario autoevaluable. Actividad de aprendizaje 2. Mapa mental de Importancia biológica del agua. 1. Consulta el texto electrónico de la unidad ll: Agua, pH y electrolitos de la página 4 a 15. 2. De manera individual elabora un mapa mental en un archivo Word, tomando como base la información de las propiedades químicas y físicas del agua y su importancia biológica. Consulta los recursos de cómo elaborar este tipo de organizador gráfico, y los editores donde los podrás elaborar de manera más sencilla. 3. Al final de tu archivo incluye una reflexión personal para explicar de manera breve tus nuevos conocimientos de la importancia del agua en tu vida cotidiana. Soluciones ácidas y básicas y escala de pH Exploro mis conocimientos. Acidificación de los océanos La conexión de los elementos que conforman la vida de este planeta está en constante evidencia. Esta vez, son los océanos los que muestran que su habilidad de adaptación está dejando de sertan capaz, el equilibrio químico que tienen se desequilibra. ¿Qué está pasando?, se están acidificando. El dióxido de carbono que esta sobre el mar interactúa con las moléculas de agua de las capas superficiales produciendo ácido carbónico, se puede decir que el ácido es un compuesto intermedio porque está a su vez reaccionando con los iones de hidrógeno e ¡ones bicarbonato presentes en el agua de manera natural, como los demás. CO, + HO. *—> H,CO3 — H* + HCOy (dióxido de carbono) + (agua) (ácido carbónico) (iones hidrógeno) + (iones bicarbonato) z BIOLOGIA Figura 2.15 Al reaccionar dos moléculas de agua, se presenta la ionización, lo que produce la formación del ion hidronio y el ion hidroxilo. 2H,0 > HO - << Los protones existen en solución no sólo como H30*, sino también como multímeros del tipo HsO?»* (el ion hidronio unido a una molécula de agua), H70%* (ion hidronio unido a dos moléculas de agua), pero lo que se acostumbra es representar el protón H*, aun cuando de hecho esté altamente hidratado. Puesto que los iones hidronio e hidroxilo se recombinan de manera continua para formar moléculas de agua, no se puede decir que un hidrógeno u oxígeno individual esté presente como ion o como parte de una molécula de agua. En un instante es un ¡on. Un instante después es parte de una molécula. Así no se consideran iones o moléculas individuales. Por cada ion de hidrógeno e hidroxilo en el agua pura hay 1.8 miles de millones de moléculas de agua. El agua es una solución neutra Como ya has visto la molécula de agua se disocia en un ion hidrógeno y otro hidroxilo, por lo que las concentraciones en el agua pura son exactamente iguales (0.0000001 que también se expresa 1 x 107 moles por litro de cada ¡on). Para comprenderlo mejor tenemos: El producto iónico del agua Kw, a 25 *C, es 1.0x 10 ** M2, Kw = [H*][OH7] = 1.0 x 10 14 M2 Así, el producto [H*][OH] en disoluciones acuosas a 25”C es siempre igual a 1.0 x 10 4 M2, Cuando las concentraciones de H+ y OH- son exactamente iguales, tal como sucede en el agua pura, se dice que es una solución neutra. En esta solución neutra se pude calcular la concentración e H* y OH a partir del producto iónico del agua de la manera siguiente: Kw = [H*][OH7] = [H*]? = [OH7? Despejando [H*] da [H+] = YKw = y/1 x 1071 M2 [H*] = [OH] = 107 M Dado que el producto iónico del agua es constante, siempre que [H*] sea superior a 1 x 107 M, [OHT será inferior a 1 x 107 M, y viceversa. Cuando la [H*] es muy alta, tal como sucede en una solución de ácido clorhídrico, [OH] será muy pequeña. A partir del producto iónico del agua podemos calcular [H*] si conocemos [OH?, y viceversa (Figura 2.16) z BIOLOGIA A pesar de que el agua es fundamentalmente una molécula neutra, como ya vimos anteriormente tiene una ligera tendencia a ¡onizarse; en realidad, puede actuar como ácido débil y como base muy débil. Un ácido es una sustancia que al estar en solución se disocia para producir iones hidrógeno y actúa como donador de protones (H*). Al disociarse una molécula de agua produce un ion hidrógeno. Una base se define como un aceptor de protones. El ion hidroxilo puede actuar como base al aceptar un protón (H*) para formar agua. También son consideradas bases aquellas sustancias que liberan grupos OH-. Por cada molécula de agua, se libera un grupo OH-. La escala de pH representa las concentraciones de H+ y OH- El producto iónico del agua Kw, constituye la base de la escala de pH. Supone una manera conveniente de designar la concentración de H* (y por consiguiente de OH”) en cualquier disolución acuosa entre 1.0 M de H* y 1.0 M de OH. Figura 2.16 Observa, siempre que [H+] sea superior a 1 x 10-7 M, [OH-] será inferior a 1 x 10- 7 M, y viceversa. El término pH se define mediante la expresión 1 + pH — log q 7 1o8lH 1 El símbolo p denota “logaritmo negativo de”. Para una solución exactamente neutra a 25*C, en la que la concentración de los iones hidrógeno es 1.0 x 107 M, se puede calcular el pH de la manera siguiente: 1 PH los 077 Obsérvese que la concentración de H*se debe expresar como molaridad (M). Podemos concluir que la escala de pH permite medir la concentración de ¡ones hidrógeno de 1 x 10" M (molar) hasta 1.0 M (molar) y se basa en la disociación del agua. DY BACHILLERATO- UAS Las soluciones neutras (pH = 7) son las que tienen la misma concentración de H* y OH-. Las soluciones ácidas (tienen valores de pH inferiores a 7) son las que tienen mayor concentración de H* que de OH, en cambio, las soluciones básicas (tienen valores de pH superiores a 7) son las que tienen mayor concentración de ¡ones OH que de H*. Dicho de otra manera, los valores menores de pH (menores de 7 hasta 0) corresponden a concentraciones altas de H* y el pH es ácido. Los valores altos de pH, mayores de 7 hasta 14 corresponden a concentraciones bajas de H* y es un pH alcalino o básico (Figura 2.17). Escala de pH Ácido estomacal Vinagre Café Agua Bicarbonato Amonio Blanqueador de sodio Ácido de Limón h C Jitomate Leche Agua Antiácidos Jabón Destapa batería demar [estomacales drenaje (NaOH) J | l | Ácido Neutro Base Figura 2.17 Escala de pH que muestra los valores de pH de algunas sustancias comunes. Medición de pH La valoración o medición del pH se efectúa mediante indicadores que son ácidos o bases débiles, los cuales cambian de color o dan un cierto color cuando cambia el pH de las soluciones en que se encuentran. Algunos ejemplos de indicadores son el rojo fenol, el tornasol y la fenolftaleína. El pH se mide mediante tiras reactivas que están impregnadas de sustancias indicadoras que al reaccionar con la sustancia a la que se le quiere medir, cambian de color. Este color se compara con los colores que vienen por fuera de la cajita que contienen las tiras para medir el pH, el color más semejante indica el pH (Figura 2.18). iz POLOS DE IA VAS Exploro mis conocimientos. Las enfermedades diarreicas son la segunda mayor causa de muerte de niños menores de cinco años, y ocasionan la muerte de 525 000 niños cada año. En el pasado, la deshidratación grave y la pérdida de líquidos eran las principales causas de muerte por diarrea. En la actualidad es probable que otras causas, como las infecciones bacterianas y virales, sean responsables de una proporción cada vez mayor de muertes relacionadas con la diarrea. El tratamiento de la deshidratación se basa en principalmente en ofrecer al niño una solución oral de rehidratación para reemplazar el agua y los electrolitos que ha perdido. Contesta individualmente las siguientes preguntas: 1. ¿Qué son los electrolitos? 2. ¿Por qué en casos de deshidratación deben reemplazarse urgentemente tanto el agua como los electrolitos? Actividad de inicio Reúnanse en equipo, investiguen y contesten. 1. ¿Cuáles son los principales electrolitos presentes en los líquidos del ser humano? 2. ¿Cuáles son las funciones de los electrolitos en el cuerpo humano? Distribución del agua en el organismo En el ser humano, el agua es el compuesto más abundante y está distribuida en dos grandes compartimentos: el intracelular (dentro de las células) y el extracelular (fuera de las células). Este z BIOLOGIA último se localiza rodeando a las células (intersticial o tisular) y dentro de los vasos sanguíneos y linfáticos (intravascular). El porcentaje de agua en el ser humano depende de la edad, el sexo, 10% mayor en los hombres que en las mujeres y el contenido de tejido adiposo. En un adulto de 70 kg de peso corporal y 1.70 m de altura, un 70% corresponde a agua (49 kg). De esta cantidad, 35 kg de agua está distribuida intracelularmente y 14 kg extracelularmente. El compartimiento extracelular comprende el líquido contenido en el tejido conectivo duro y cartílago, tejido óseo y el agua transcelular que la encontramos en las secreciones glandulares. en los tejidos peda gastrointestinales, cefalorraquídeo, — sinovial, humor vítreo y acuoso (Figura 2.20). Figura 2.20 Distribución del agua en el ser humano. Las dos terceras partes del agua están en células (30 a 40% del peso corporal) y la otra tercera parte fuera de ellas (16 a 20% del peso corporal total). Imagen tomada de Pictoline Composición de los compartimientos líquidos Como has visto anteriormente, los líquidos del organismo comprenden el líquido intracelular y el extracelular, estas son soluciones con presencia de electrolitos. Los electrolitos son sustancias que cuando se disuelven en agua, se separan en ¡ones con carga positiva (cationes) y en iones con carga negativa (aniones). Las contracciones musculares y transmisión de impulsos nerviosos del cuerpo dependen del intercambio correcto de electrolitos entre el líquido intracelular y extracelular. El líquido extracelular es el mejor estudiado por la facilidad para obtener muestras de él a partir del suero de la sangre; en general es mucho más difícil analizar la composición celular. En la composición de electrolitos del suero sanguíneo se encuentran los cationes Na* (sodio), K* (potasio), Ca** (calcio), Mg** (magnesio) y los aniones Ct (cloruro), HCOy (bicarbonato), PO4> (fosfato), SO4? (sulfato), aniones orgánicos y proteínas. Principales electrolitos del líquido extracelular: Tienen concentraciones idénticas de aniones y de cationes. El catión más abundante es el Na*. Los aniones más importantes son el z BIOLOGIA Ct (cloruro) y HCOs (bicarbonato), siendo el Cl el más abundante y que está prácticamente ausente en el interior de las células. Principales electrolitos del líquido intracelular: Los cationes más importantes son el K* y Mg'**, siendo el K*el más abundante. La concentración de Ca* es muy pequeña, pero posee importante significado funcional; las cantidades de Na* son mucho menores en relación con el líquido extracelular. Los aniones más importantes son los PO4* (fosfatos). También está presente el anión HCOs (bicarbonato), aunque es más abundante en el líquido extracelular. El ser humano capta los electrolitos esencialmente a partir de la ingestión de los alimentos y los líquidos de la dieta, y se eliminan, principalmente, a través de las vías urinaria, fecal y cutánea. El agua y los electrolitos se intercambian entre los compartimientos a ambos lados de las membranas celulares; ciertos electrolitos, como Na”, K* y Cl, también están involucrados en el mantenimiento de un equilibrio de líquidos saludable. Alteraciones de las concentraciones de líquidos y de electrolitos Las alteraciones más frecuentes de la concentración de los líquidos y de los electrolitos son la deshidratación, o sea la deficiencia de agua, y su retención excesiva. El conocimiento del metabolismo del agua y los electrolitos es de gran interés médico como, por ejemplo, los casos de pérdida de líquidos y electrolitos por vómitos y diarreas, traumatismos y quemaduras o los de retención de agua y sales en la insuficiencia renal. Los líquidos corporales muestran una gran constancia en la concentración de sus componentes iónicos (electrolitos), su pH y su temperatura; además de que tienen mecanismos muy efectivos para su regulación cuentan con sistemas protectores contra la pérdida de agua, como la piel y el riñón, cuyo fin es el de conservar, al grado máximo posible, la concentración de los distintos componentes del medio interno. Balance de agua El balance de agua es condicionado en gran parte por la sed. En condiciones normales, debemos ingerir de 2 a 2.5 litros diarios provenientes de tres fuentes principales: Ingerirla como agua pura o en bebidas (1200 ml), como parte de los alimentos (1000 ml) y proveniente del metabolismo oxidativo de los alimentos (300 ml). En relación con el adulto, el requerimiento de agua y su intercambio es mayor en los niños, estos retienen con menor facilidad el agua y si no ingieren o pierden líquidos, están en peligro de deshidratarse rápidamente. El organismo retiene el agua en una cantidad constante, pero hay un intercambio dinámico de un compartimiento a otro. En un niño se recambia todos los días el equivalente en agua de hasta la décima parte del peso corporal y en el adulto este recambio es de alrededor 7 BIOLOGIA PY BACHILLERATO VAS