Introducción para una asignatura de Bioquímica. Estructura y propiedades de la molécula de agua.

1. La Molécula de Agua en
Relación con las Biomoléculas

2. Una vez estudiado el tema relativo al
agua deberías
• Conocer:
– Las propiedades básicas de la molécula de agua.
– En qué condiciones se forman enlaces de hidrógeno.
• Entender:
– Por qué se produce el efecto hidrofóbico y qué son las interacciones de van
der Waals.
– La influencia que ejerce el agua, debido a sus propiedades, sobre las
biomoléculas.
– Por qué se forman espontáneamente las bicapas en un entorno acuoso.
• Ser capaz de:
– Predecir el pH de una disolución que contenga un ácido débil.
– Preparar (teóricamente) una disolución que mantenga un valor de pH
constante y conocido.

3. BIBLIOGRAFIA DEL TEMA:
• Capítulo 2 de "Bioquímica" por Mathews y
van Holde (Ahern)
• Capítulo 2 de "Bioquímica" por Voet y Voet
• Captítulo 2 de “Principios de Bioquímica
Lehninger" por Nelson y Cox

4. AGUA
DISOLUCIONES REGULADORAS DE pH
1. IMPORTANCIA DEL AGUA EN LOS SERES VIVOS.
2. PROPIEDADES DEL AGUA.
3. ESTRUCTURA DE LA MOLÉCULA DE AGUA.
• ENLACES DE HIDRÓGENO. ESTRUCTURA DEL
HIELO.
• INTERACCIONES SOLUTO‑AGUA.
• H2O COMO NUCLEÓFILO. REACCIONES DE
HIDRÓLISIS.
• DISOCIACIÓN DEL AGUA. SALTOS PROTÓNICOS.

5. El H2O cubre cerca del 71% de la superficie terrestre

6. 1. IMPORTANCIA DEL AGUA EN
LOS SERES VIVOS
Constituye 60-90 % en peso de los seres vivos
Disolvente de la mayoría de sustancias en los
organismos
Sus propiedades condicionan el
comportamiento de las biomoléculas
Participa en reacciones químicas (p.ej.
hidrólisis, reacciones ácido-base...)

7. Las propiedades físicas del agua también
son importantes para los seres vivos
• El agua puede actuar como:
– Lubricante, facilitando movimientos
– Agente protector frente a daños mecánicos
– Regulador de la temperatura

8. El agua puede actuar como lubricante
• Es el componente mayoritario del mucus, del líquido
sinovial y otros fluidos con acción lubricante.

9. El agua puede actuar como
agente protector
• El agua puede ser utilizada como protector de
estructuras delicadas e importantes. Por ejemplo, el
líquido cerebroespinal (o cefalorraquídeo),que es
mayoritariamente agua, envuelve y amortigua los
movimientos corporales bruscos, protegiendo al
cerebro y a la médula espinal.
• El líquido amniótico envuelve y amortigua los
movimientos bruscos del feto en el seno materno.

10. El agua como regulador de la
temperatura
• El agua absorbe gran cantidad de energía sin que
aumente su temperatura (elevado calor
específico). Esto significa que se puede disipar
calor (por ejemplo, el generado en el ejercicio
muscular), manteniendo la temperatura constante.
• Si el calor generado es excesivo, se recurre a la
evaporación del agua.

11. Algunas propiedades sorprendentes
del agua

12. ¿Cómo explicas que …
…El zapatero (Hydrometra stagnorum) pueda desplazarse sobre el agua?

13. ¿Y que …
…El agua sobre determinadas superficies mantenga una disposición esférica?

14. Por otra parte, el agua tiene
un elevado punto de ebullición (100oC a nivel del mar)
Punto de ebullición de algunos hidruros del grupo XVI
150
H2O
100
50 H2Te
0 H2Se
H2S
o
C -50
-100
0 40 80 120 160
Peso molecular
¡H2O debería estar aquí!

15. La densidad del H2O disminuye cuando se congela
Fotografía del iceberg que supuestamente hundió al Titanic
The only known photograph of the iceberg
believed to have sunk the Titanic

16. ¿Cómo explicas que la densidad del agua cambie de una
forma extraña con la temperatura?

17. Por otra parte, el agua pura no conduce la electricidad, pero
Fíjate en la elevada movilidad de los protones y de OH- en agua
Movilidad iónicaa en H2O a 25°C.

18. En otras palabras,
2. EL AGUA PRESENTA VALORES ELEVADOS DE:
 2.1 TENSIÓN SUPERFICIAL
 2.2 CALOR DE VAPORIZACIÓN, (también de fusión y
punto de ebullición)
 2.3 CONSTANTE DIELÉCTRICA
 2.4 MOVILIDAD DE H+

19. H 2O Molécula de referencia
Calor de fusión
80 16.7 para H2S
(cal/g)
32.6 metanol (H3COH)
Cte. Dieléctrica 80 ó
1.9 hexano
22.3 etanol
Tensión superficial
72
(dinas/cm)
465 mercurio
Movilidad de protones 51.9x10-5 para Na+
(cm2 V-1 s-1) 362.4x10 -5
ó
40.1x10-5 Li+

20. …Para explicar estas propiedades del
agua es necesario conocer su estructura
3. ESTRUCTURA DE LA MOLÉCULA DE AGUA

21. La molécula de Agua posee enlaces Covalentes Polares
1S1
1S2 2S2 2P4

22. En la molécula de agua, dos orbitales contienen electrones sin compartir
El oxígeno forma orbitales híbridos SP3

23. La distribución de cargas es asimétrica en la molécula de agua
el enlace O-H tiene
un 33% de
carácter iónico
Voet Biochemistry 3e Page 39
© 2004 John Wiley & Sons, Inc.
Estructura de la molécula de agua.
El O es mucho más electronegativo que el H

24. Al ser asimétrica la molécula de agua, se comporta como un dipolo
Tomada de
Lehninger Principles of Biochemistry
Nelson D.L. And Cox M.M..
Estructura de la molécula de agua 3rd Ed. Worth Publishers

25. La molécula de agua es un dipolo
en el que el átomo de oxígeno
posee densidad de carga negativa
El agua es el disolvente mayoritario
en los seres vivos: interacciona
favorablemente con la mayoría de
las biomoléculas.

26. 4. ENLACES DE HIDRÓGENO:
una consecuencia de la estructura de
algunas moléculas polares.

27. Dos moléculas
polares pueden
formar enlaces
de este tipo
entre sí,
al menos una,
contiene
hidrógeno, y la
otra posee pares
electrónicos sin
compartir

28. Los enlaces de hidrógeno:
• Son mucho más débiles que los enlaces covalentes
(aprox. 4 Kcal/mol frente a aprox. 110 Kcal/mol)
• Suponen cierta compartición de electrones (10% de
carácter covalente)
• Son direccionales (la geometría es importante)

29. •Los enlaces de hidrógeno explican la alta cohesión de las
moléculas de agua.
•En el agua líquida, cada molécula forma un promedio de
3.4 enlaces de hidrógeno

30. En la superficie del agua la resultante de las fuerzas atractivas
es distinta que en el interior del líquido
Las moléculas de agua interaccionan de manera débil con las del aire

32. El agua posee elevado calor específico
• Esta propiedad se debe a la gran cantidad de
enlaces de hidrógeno que forma.
• Esta propiedad nos ayuda a mantener la
temperatura corporal constante. También
disminuye las fluctuaciones de temperatura en
nuestro planeta.
Calor específico es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado
la temperatura de un gramo de una sustancia determinada

33. La estructura del agua cambia
cuando se forma hielo
Mientras en el agua líquida la estructura fluctúa rápidamente
(vida media corta de cada enlace de H),
en el hielo la estructura es más estable y abierta: menos densa
http://web.educastur.princast.es/ies/salinas/recursos/Equimico.htm
http://sebbm.bq.ub.es/BioROM/contenido/biomodel/biomodel-misc/anim/agua/agua.html

34. Cada molécula de agua puede formar enlaces de hidrógeno con otras cuatro.
Esto ocurre en el hielo
Sin embargo, en el agua líquida
cada molécula se une por
término medio a otras 3.4
Estructura básica del hielo: cada molécula de agua está enlazada
de manera estable con otras cuatro, formando un tetraedro

35. Los enlaces de hidrógeno se forman
entre distintas biomoléculas polares y
entre éstas y el agua.
Todos estos enlaces son de gran
importancia tanto en la estructura como
en la función de la materia viva.

36. Salto protónico
La proximidad de
Los saltos protónicos explican
moléculas de agua
la elevada movilidad
Propicia los
de los protones en agua
Saltos protónicos
Cada enlace tiene un momento dipolar μ que es una magnitud vectorial
Tomada de
Lehninger Principles of Biochemistry
Nelson D.L. And Cox M.M..
3rd Ed. Worth Publishers

37. “La electronegatividad es una medida de fuerza de atracción que ejerce un átomo sobre los electrones de otro, en un enlace químico”

38. Cada enlace tiene un momento dipolar μ que es una magnitud vectorial que depende de la diferencia
de electronegatividad entre los átomos. La intensidad del momento dipolar es μ = carga · distancia, la
dirección es la línea que une ambos átomos y el sentido va del menos electronegativo al más
electronegativo. Las unidades del momento dipolar en el S.I. son el coulombio por metro. Se suele
utilizar el debye (1 Debye = 3,34 .10-30 C·m)
En las moléculas que tienen más de un enlace, el momento dipolar total ∑μ depende del momento
dipolar de cada enlace μ y de la geometría de la molécula.
En el agua, el momento dipolar es de 1.85 debye

39. TIPO DE ENLACE ENERGÍA DE ENLACE (kcal/mol)
ENLACES DE VALENCIA PRIMARIOS
Iónico, electrovalente, electropolar 100 - 200
Covalente, homopolar 50 - 150
FUERZAS INTERMOLECULARES
Fuerzas ion-dipolo y de ion-dipolo inducido 1 - 10
Fuerzas de van der Waals
• Dipolo - dipolo (fuerza de Keesom)
•
1 - 10
Dipolo- dipolo inducido (fuerza de Debye)
• Dipolo inducido - dipolo inducido (fuerza de London)
Enlaces de hidrógeno
Puentes de hidrógeno 6
• O – H ·····O 2a3
• C – H ·····O
•
4a7
O – H ·····N
• N – H ·····O 2a3
• F – H ·····F 7
según la diferencia entre las electronegatividades se puede
determinar (convencionalmente) si el enlace será, según la escala de Linus Pauling:
Iónico (diferencia superior o igual a 1.8)
Covalente polar (diferencia entre 1.8 y 0.4)
Covalente no polar (diferencia inferior a 0.4)