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TRABAJO PRÁCTICO Nº 2
COMPONENTES QUÍMICOS DE LAS CÉLULAS PARTE I:
AGUA Y PEQUEÑAS MOLÉCULAS
OBJETIVOS
- Analizar las propiedades fisicoquímicas del agua del agua, su capacidad como disolvente y su relación con los sistemas biológicos.
- Aplicar los conceptos teóricos a la resolución de problemas
- Conocer la estructura y función de las pequeñas moléculas y cómo interactúan entre sí para formar moléculas más complejas.
- Comprender cómo participan las distintas moléculas orgánicas dentro del esquema general del metabolismo.
UNIDAD DE CONOCIMIENTO
CONOCIMIENTOS PREVIOS REQUERIDOS :
Átomo: Definición. Constitución: partículas subatómicas. Número atómico y número másico. Isótopos. Unidad de masa atómica (uma) y peso atómico relativo. Cantidad de materia: mol. Electrones de valencia. Tabla periódica. Concepto de electronegatividad. Moléculas: Definición. Moléculas simples y compuestas. Enlaces químicos entre átomos: Regla del octeto. Enlaces iónicos y covalentes. Estados de oxidación. Peso molecular. Mol de moléculas. Soluciones: Concepto de soluto y solvente. Unidades de concentración. Características salientes del átomo de carbono. Grupos funcionales principales y familias de compuestos orgánicos resultantes.
TEMARIO Componentes químicos de la célula. Elementos característicos en los organismos vivos. El agua: estructura y función en los seres vivos. Contenido y distribución del agua corporal. Enlaces por puente de hidrógeno en el agua y su importancia en las propiedades físicas de la misma. El agua como disolvente: sustancias hidrofílicas. Interacciones intermoleculares: fuerzas de van der Waals y puentes de hidrógeno. Compuestos hidrofóbicos y anfipáticos. Interacciones hidrofóbicas: un tipo especial de interacciones intermoleculares entre moléculas hidrofóbicas determinadas por el entorno acuoso. Propiedades constitutivas y coligativas de las soluciones. Ósmosis y presión osmótica. Osmolaridad: soluciones hipo-, hiper- e iso-osmóticas. Membrana permeable, impermeable, semipermeable y selectivamente permeable: coeficiente de reflexión y concepto de osmolaridad efectiva. Tonicidad. Equilibrio osmótico entre compartimientos acuosos corporales. Disociación del agua. Concepto de pH como una medida de la concentración de H+. Ácidos y bases. Escala de pH. Sistemas buffer. Moléculas de la célula (biomoléculas): características generales. Moléculas orgánicas pequeñas: azúcares simples, aminoácidos, ácidos grasos y nucleótidos. Estructura, nomenclatura y función. Propiedades físicas y químicas de las distintas familias.
Azúcares simples : Importancia biológica de los monosacáridos. Rol en la energética de la célula y en la biosíntesis de macromoléculas. Unión de monosacáridos para generar disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos. Disacáridos de interés biológico: estructura y función. Importancia de los oligosacáridos en la señalización y reconocimiento celular. Ácidos grasos : su rol energético y su participación en la formación de fosfolípidos y triglicéridos. Ácidos grasos esenciales y semiesenciales. Aminoácidos : grupos funcionales que los caracterizan. Unión peptídica. Clasificación general de los aminoácidos de acuerdo a su cadena lateral (R). Aminoácidos esenciales. Aminoácidos no proteicos. Nucleótidos : estructura general. Funciones: formación de macromoléculas (ADN y ARN), relación con procesos energéticos y de transferencia de energía, coenzimas nucleotídicas y nucleótidos cíclicos como moléculas señalizadoras. Importancia biológica y ejemplos de cada tipo.
VOCABULARIO ESPECIFICO DEL TEMA Enlaces de hidrógeno – ósmosis – tonicidad – anfipático – hidrofóbico – hidrofílica – polar – pH – solución – suspensión – micelas – monocapa – bicapa – sillar estructural – monómero – polímero – polimerización – biosíntesis – biodegradación – reducción – oxidación – aldosa – cetosa – carbono asimétrico – isomería óptica - oxhidrilo hemiacetálico y hemicetálico.
BIBLIOGRAFIA Becker W.M y col. “ El mundo de la célula ” Ed. Pearson – 2007 - Rawn, J. David. Bioquímica. Interamericana****. McGraw-Hill. Karp, G. “Biología Celular y Molecular”. 6ª Edición. Ed. McGraw-Hill Interamericana.
Herrera, E. Elementos de Bioquímica. Interamericana.McGraw-Hill. 1993. Blanco, A. “ Química Biológica ”. 8a^ Edición. Editorial El Ateneo. 2015 Cingolani H., Houssay A. y col. “ Fisiologia Humana de Houssay”. Editorial El Ateneo. 7° Edición 2000.
UNIDAD DE ACCION
En su casa : el estudiante deberá investigar usando como base el temario propuesto y contestar el cuestionario guía de estudio a los efectos de autoevaluar si ha adquirido los conceptos fundamentales requeridos para el abordaje del trabajo práctico. Utilizando los conocimientos teóricos adquiridos intentará plantear una solución de los ejercicios de aplicación. Podrá además ejercitarse luego de la clase resolviendo los problemas adicionales.
En clase: el estudiante deberá participar en la discusión del temario y resolver con la ayuda del docente los problemas de aplicación, con el fin de reafirmar los conceptos teóricos estudiados en su casa y evacuar las posibles dudas.
PRESIÓN OSMÓTICA ()
Es la presión que debe aplicarse a una solución para evitar el flujo neto de agua desde el agua pura a la solución a través de una membrana semipermeable. (O sea para evitar ósmosis frente al agua pura). La presión osmótica () de una solución se puede calcular mediante la siguiente ecuación:
Donde: [M] es la concentración del soluto en moles/litro; i es el factor de van’t Hoff; R es la constante general de los gases ideales, y T es la temperatura absoluta.
Una expresión equivalente es:
Esta ecuación evidencia que a una determinada temperatura la presión osmótica teórica de una solución depende exclusivamente de su osmolaridad. Dadas dos soluciones A y B:
- si A = B se dice que las soluciones son isoosmóticas
- si A > B se dice que la solución A es hiperosmótica respecto a la B
- si A < B se dice que la solución A es hipoosmótica respecto a B
Para membranas semipermeables la presión osmótica depende exclusivamente de la [Osm] de la solución. Si dos soluciones acuosas (A y B) se ponen en contacto mediante una membrana semipermeable:
- si [Osm]A = [Osm]B (isoosmolares) ➔ A = B (isoosmóticas) no habrá flujo neto de agua a través de la membrana ➔ no habrá ósmosis.
- si [Osm]A > [Osm]B (A hiperosmolar) ➔ A > B (A hiperosmótica) habrá flujo neto de agua a través de la membrana desde B hacia A➔ habrá ósmosis desde B hacia A.
- si [Osm]A < [Osm]B (A hipoosmolar) ➔ A > B (A hipoosmótica) habrá flujo neto de agua a través de la membrana desde A hacia B➔ habrá ósmosis desde A hacia B.
PRESIÓN OSMÓTICA EXPERIMENTAL ( E )
El valor de presión osmótica calculado a partir de las osmolaridades ( T ) coincidirá con el valor experimental ( E ) sólo si la membrana que separa las dos soluciones es impermeable a todos los solutos presentes. Si hay alguna permeabilidad al soluto, por mínima que sea, se encontrará experimentalmente un valor de presión osmótica MENOR a la teórica. DATO: a la presión osmótica experimental sólo contribuyen las partículas que NO atraviesan la membrana y se las denomina partículas osmóticamente activas.
Podemos intentar corregir esta desviación con respecto a lo esperado, introduciendo un coeficiente () denominado coeficiente de reflexión:
E = x [Osm] x R x T
¿Por qué de "reflexión"? Porque este coeficiente representa la fracción de moléculas del soluto que chocan contra la membrana y no la atraviesan (se reflejan hacia el
= i x [M] x R x T
= [Osm] RT
mismo compartimiento). Si la reflexión es total, la membrana es impermeable a ese soluto, vale 1 y ese soluto contribuye en su totalidad al cálculo de la osmolaridad efectiva. Si la reflexión es nula, la membrana es totalmente permeable a ese soluto, vale 0 y dicho soluto no contribuye al cálculo de la osmolaridad efectiva. Si la reflexión es parcial, el valor de será un número >0 y <1, y ese soluto sólo contribuye parcialmente al cálculo de la osmolaridad efectiva.
Es difícil encontrar una membrana que sea permeable al agua e impermeable a TODOS los solutos. Puede ser que una membrana sea impermeable al cloruro y al sodio, pero no a la urea y por ello se dice que son membranas de permeabilidad selectiva. ¿Qué pasaría si la diferencia de osmolaridad la creásemos con urea, por ejemplo? Si la membrana es TAN permeable al agua como a la urea, simplemente no tendríamos oportunidad o tiempo de ver el flujo osmótico, ya que rápidamente se disiparía el gradiente de concentración de urea. Se diría que la membrana es permeable.
Podríamos seguir analizando indefinidamente los posibles solutos que se nos ocurran hasta el infinito y confeccionar toda una gradación de membranas en función de su permeabilidad diferencial para cada soluto.
Por lo tanto, la E de una solución depende de la concentración de partículas
osmóticamente activas la cual está determinada por dos factores:
- la concentración de partículas en solución dada por [Osm]
- la permeabilidad de la membrana a las distintas partículas que se cuantifica por el coeficiente de reflexión (). La concentración de partículas osmóticamente activas viene dada por el producto: x [Osm]) y se lo denomina OSMOLARIDAD EFECTIVA.
Se define el término tonicidad para describir el comportamiento osmótico de una solución separada de otra solución por una membrana bien definida (p. ej., una membrana plasmática). La solución de referencia será: isotónica : si no existe flujo neto de solvente a través de la membrana plasmática (para lo cual deberá tener la misma osmolaridad efectiva que el interior celular). hipertónica : si existe flujo neto de solvente a través de la membrana plasmática desde el medio intracelular hacia la solución (para lo cual deberá tener una osmolaridad efectiva mayor que el interior celular). hipotónica : si existe flujo neto de solvente a través de la membrana plasmática desde la solución extracelular hacia el interior celular (para lo cual deberá tener una osmolaridad efectiva menor que el interior celular).
La osmolaridad de una solución es una propiedad intrínseca de la misma que describe la concentración de partículas presente en ella. Si consideramos que 290 mOsm es la osmolaridad plasmática normal, las soluciones con una osmolaridad de 290 mOsm son isoosmolares, las soluciones con osmolaridades >290 mOsm son hiperosmolares y las que tienen osmolaridades <290 mOsm son hipoosmolares. En cambio la tonicidad de una solución (relacionada a la osmolaridad efectiva) es una propiedad que depende tanto de la permeabilidad de la membrana celular para las distintas partículas presentes en la solución como de la osmolaridad de la misma. Para solutos cuyo coeficiente de reflexión () es menor que uno (solutos penetrantes), es importante distinguir entre osmolaridad y tonicidad.
“Para solutos no penetrantes ( =1) la distinción entre osmolaridad y tonicidad es
meramente teórica”.
CUESTIONARIO GUIA DE ESTUDIO
1 - ¿Cuál es la composición química del agua? ¿A través de qué tipos de enlaces se unen sus átomos constituyentes? ¿Qué estructura tridimensional adoptan estos átomos en la molécula de agua? ¿Por qué el agua es una molécula polar?
2 - a) Teniendo en cuenta la composición química y la estructura tridimensional de la molécula de agua, ¿qué tipos de enlace pueden formarse entre sus moléculas? b) Enuncie las características del enlace de hidrógeno y explíquelas.
3 - a) ¿Cuántos enlaces de hidrógeno puede formar una molécula de agua con sus vecinas si se encuentra en el seno del agua líquida? ¿Y si se encuentra en la superficie? b) Defina tensión superficial c) ¿De qué forma una molécula de agua que se encuentra en el seno del líquido logra pasar al estado de vapor? ¿Cuál es la relación con el elevado calor de vaporización del agua? ¿Por qué sudamos?
4 - ¿Cómo varía la densidad del agua con la temperatura? Explique por qué es posible la vida en ríos y lagos que se congelan durante el invierno.
5 - ¿Cuál es la condición necesaria para que una sustancia sea soluble en un disolvente? Tenga en cuenta las interacciones SOLUTO-SOLUTO, SOLVENTE- SOLVENTE y SOLUTO-SOLVENTE, y las fuerzas involucradas. En función de su respuesta, ¿para qué tipo de sustancias el agua será un buen disolvente?
6 - Teniendo en cuenta la alta energía de los enlaces iónicos presentes en una estructura cristalina, ¿podría explicar cómo es posible que una sustancia como el cloruro de sodio sea soluble en agua? Defina esfera de solvatación.
7 - Explique por qué las sustancias apolares son insolubles en agua. ¿Cómo se denominan estas sustancias? ¿Qué entiende por interacción hidrofóbica?
8 - a) ¿Qué entiende por solución? En una solución acuosa, defina soluto y solvente. b) ¿En qué unidades puede expresarse la concentración de soluto en una solución? c) ¿Puede decirse que el interior celular es una solución acuosa? ¿Por qué?
9 - a) Escriba la constante de disociación del agua pura, ¿cómo se denominan los iones resultantes? b) ¿Qué entiende por ácidos y bases? c) ¿De qué maneras alternativas puede expresarse la concentración de H+^ y OH-^ en soluciones acuosas diluidas de ácidos o bases? Escala de pH. d) ¿En qué casos hablamos de ácidos y bases fuertes y cuándo nos referimos a ácidos y bases débiles? ¿Cuáles de ellos son importantes como amortiguadores de cambios de pH?
10 - a) ¿A qué se denominan propiedades coligativas? Menciónelas. b) ¿Qué se entiende por gradiente? Defina el término difusión. ¿Por qué el fenómeno de ósmosis puede definirse como un caso especial de difusión? Defina presión osmótica. c) ¿Cómo se relaciona la osmolaridad de una solución con la molaridad de la misma? d) Diferencie entre osmolaridad y tonicidad e) Defina solución isotónica, hipotónica, hipertónica.
11 - Teniendo en cuenta que el agua es la fase continua de los seres vivos. ¿En qué compartimentos se la encuentra en un organismo pluricelular?
12 - a) ¿Qué son las pequeñas moléculas y cuáles tienen importancia biológica? b) Represente las fórmulas químicas generales de las pequeñas moléculas. Identifique los grupos funcionales característicos y señálelos.
13 - a) Clasifique los monosacáridos de acuerdo a: número de carbonos y posición del grupo carbonilo ¿Cuál es la aldosa de mayor importancia biológica? ¿Por qué? b) ¿Qué estructuras presentan algunos monosacáridos en solución acuosa? Represente las estructuras cíclicas (fórmulas en perspectiva de Haworth) de la glucosa y la fructosa señalando el carbono anomérico. c) ¿Cómo se denomina la unión entre 2 azúcares simples? ¿Qué tipos de uniones conoce? Mencione los disacáridos de mayor interés biológico. d) En el siguiente gráfico indique el nombre específico que recibirá el enlace según el grupo OH que participe en cada caso.
¿En qué casos el producto resultante de la unión carecerá de poder reductor?
14 - Represente la estructura general de un aminoácido a pH=1,0, a pH=7,0 y a pH=12. Fundamente los cambios observados en las estructuras.
15 - ¿Cómo se clasifican los aminoácidos según las características de su grupo R? Represente la estructura de un aminoácido característico de cada grupo.
16 - ¿Cómo se denomina la unión entre 2 aminoácidos y de qué tipo de unión se trata desde el punto de vista de la química orgánica? Represente la unión entre un aminoácido ácido y uno no polar.
17 - a) ¿Qué características deben poseer los aminoácidos para formar parte de las proteínas? b) ¿Qué son los aminoácidos esenciales? c) Mencione las diferentes funciones de los aminoácidos no proteicos.
18 - a) Defina un nucleótido y un nucleósido b) Mencione las funciones de los nucleótidos. Cite ejemplos. c) ¿Cuál es la diferencia entre un ribonucleótido de un desoxiribonucleótido?
colocamos una solución de sacarosa 15 0 mM y en el otro probamos con distintas soluciones: I. Etanol 10 0 mM II. Sal de mesa (NaCl) 75 mM III. Carbonato de sodio (Na 2 CO 3 ) 60 mM IV. Solución que contiene etanol 5 0 mM y NaCl 50 mM a) Calcule la osmolaridad de cada una de las soluciones y ordénelas según presión osmótica creciente. b) Indique en cada caso si la solución es isoosmótica, hipoosmótica o hiperosmótica respecto a la de sacarosa 15 0 mM y señale en qué casos existirá ósmosis (flujo neto de solvente) y cuál será el sentido en el que se producirá el flujo del solvente c) Si reemplazamos a la membrana semipermeable que separa a los compartimientos por una membrana biológica ( selectivamente permeable ) y sabiendo que la misma es impermeable a sacarosa, Na+^ y Cl-, permeable a etanol y que el CO 32 -^ posee un coeficiente de reflexión de 0, 5 : c1- ¿Cuál es la osmolaridad efectiva de cada una de las soluciones? Indique si la solución es isotónica, hipotónica o hipertónica respecto a la de sacarosa 150 mM. c2- ¿En que caso/s habrá un incremento de volumen en el compartimiento B?
5 - La osmolaridad de las células resulta de la sumatoria de las concentraciones molares de las distintas partículas presentes en el líquido intracelular (iones, proteínas, aminoácidos, ácidos nucleicos y otros pequeños metabolitos disueltos). En humanos el valor de la osmolaridad celular es de 308 mOsm. Una de las principales soluciones empleadas en terapia intravenosa es el llamado suero fisiológico que consiste en una solución isoosmótica de NaCl al 0,9% p/v. a) Calcule la molaridad de los iones Na+^ y Cl-^ en la solución fisiológica. b) ¿Cuántos gramos de sal deben utilizarse para preparar 250 ml de suero fisiológico? c) Si el técnico encargado de preparar la solución fisiológica se distrajo contestando un mensajito de texto en su celular y pesó 22,5 g de NaCl ¿qué supone Ud. que ocurrirá si al ingresar al hospital un paciente deshidratado por una infección intestinal se le administra suero endovenoso con esa solución? Aplique los conceptos de osmolaridad y tonicidad para justificar su respuesta. d) Si en cambio hubiera pesado 2,25 mg de NaCl ¿qué supone Ud. que ocurrirá en este caso si utilizaran esta solución para tratar a un paciente que ingresó con una insuficiencia cardíaca congestiva (edemas generalizados)?
6 - Las proteínas plasmáticas, fundamentalmente la albúmina, son importantes en el mantenimiento de la presión osmótica del plasma y del equilibrio osmótico entre el compartimiento intravascular y el intersticial. En los casos de desnutrición proteica severa, disminuye la síntesis hepática de albúmina y por lo tanto su concentración en plasma ¿Qué consecuencias cree Ud. que tendrá esta disminución de la cantidad de albúmina en el plasma? Asocie este fenómeno al característico abdomen prominente que se observa en los niños desnutridos.
7 - La esferocitosis hereditaria (EH) es una enfermedad caracterizada por anemia de severidad variable y esplenomegalia (aumento en el tamaño del bazo). En la actualidad con el desarrollo de nuevas técnicas de biología molecular se encontraron alteraciones bioquímicas en algunas proteínas integrales de la membrana eritrocitaria. Estas proteínas son necesarias para mantener la forma normal del hematíe.
Imagen de un eritrocito normal (derecha) y de otro proveniente de un paciente con Esferocitosis hereditaria obtenida por microscopía electrónica de barrido.
a) ¿Qué diferencia encuentra entre ambos eritrocitos? b) Sabiendo que la membrana del glóbulo rojo es muy flexible, pero sólo puede incrementar su área un 3 % antes de romperse y que por otro lado, mientras la célula se vuelve más esférica, es cada vez menos deformable, analice el siguiente gráfico e indique, ¿qué glóbulos rojos presentan mayor fragilidad en un medio hipotónico (fragilidad osmótica)? ¿A qué se debe? ¿Podría usarse la fragilidad osmótica como estudio de diagnóstico?
0
20
40
60
80
100
NaCl [%]
% Hemólisis
personas sanas (grupo control) pacientes con esferocitosis
0,85 0,75 0,65 0,55 0,45 0,35 0,
8 - Dados los siguientes compuestos:
B C D^ E F
H I J K L
N Ñ O^ P Q
S T^ U
A B^ C^ D
G
E
H I J K
M N Ñ O^ P
R S^ T
A B^ C
G (^) H I
M (^) N Ñ
R S
D E F
J K L
O P Q
T U
A B^ C^ D
G H I J
M N Ñ O
R S^ T
B C D E F
H I J K L
N Ñ O^ P Q
R S^ T^ U
F G H (^) I J
K (^) L M
N
10 - Dados los siguientes aminoácidos proteicos:
a) Describa las características generales comunes que presentan. b) Clasifíquelos según la naturaleza de su cadena lateral. c) Seleccione el pH de la solución al cual espera encontrar a los aminoácidos en ese estado de ionización: ¿pH: 2; pH: 7 o pH: 12? Justifique su respuesta. d) Esquematice el dipéptido que resulta de la unión entre un aminoácido polar sin carga y un aminoácido ácido tal como lo encontraría en una solución cuyo pH es 7. Señale el enlace e indique su nombre específico.
11 - El siguiente listado corresponde a nombres triviales de distintos ácidos grasos cuyas fórmulas taquigráficas se presentan entre paréntesis:
I. Ácido palmítico (16:0) II. Ácido oleico (18:1^9 ) III. Ácido araquidónico (20:4 n-6) IV. Ácido linolénico (18:3 n-3) V. Ácido esteárico (18:0) VI. Ácido linoleico (18:29,12)
a) Indique cuáles son saturados b) ¿Cuál de ellos presenta una fórmula molecular que puede corresponder a las siguientes estructuras?
Encierre con un círculo la configuración que espera encontrar en el ácido graso natural. ¿Cómo se denomina dicha configuración? c) Señale cuáles de ellos son esenciales y semiesenciales para los seres humanos. d) Ordénelos según punto de fusión decreciente. e) Tomando compuestos del listado ¿Cómo podría obtener los dos primeros ingredientes presentados en la etiqueta? ¿Por qué este producto es utilizado para la higiene corporal?
12 - a) Observe los compuestos químicos que se muestran a continuación:
a 1 - Indique para cada uno de ellos de qué “tipo” de compuesto se trata. a2- Sabiendo que B es adenina y C es uracilo, nombre los compuestos G, H e I.
b) Indique el nombre específico del enlace que resulta de la unión entre: b1- base nitrogenada y ribosa b2- ribosa y un grupo fosfato b3- base nitrogenada y desoxirribosa b4- dos nucleótidos ¿Cuál es el nombre del producto obtenido en cada caso? c) ¿Cuál de los siguientes compuestos esperaría encontrar en cantidades significativas en un hidrolizado de ARNm: adenina, uracilo, D-ribosa, deoxiguanosina, citosina, timina? ¿Por qué? d) ¿Cuál/es de los compuestos del inciso anterior le servirían a Ud. para determinar que se trataba de ARN?
13 - a) ¿Puede una persona obtener todos los aminoácidos y ácidos grasos necesarios ingiriendo una dieta basada exclusivamente en polisacáridos de reserva? En caso de no ser así, ¿qué adicionaría a dicha dieta para solucionar el problema? b) ¿Cree Usted que el aporte de aminoácidos esenciales es el mismo si consume proteínas vegetales o animales? Fundamente su respuesta.
14 - En los lactantes, la lactosa de la leche materna se hidroliza por acción de la enzima intestinal lactasa (o -O-galactosidasa) en sus monosacáridos constituyentes quienes luego son absorbidos en el intestino delgado hacia el torrente sanguíneo. La galactosa se convierte enzimáticamente en glucosa, que es el combustible primario de muchos tejidos. a) La cantidad de lactasa disminuye progresivamente luego del destete de modo que la mayoría de los adultos tiene niveles bajos de lactasa (hipolactasia). En consecuencia, gran parte de la lactosa que ingieren no puede ser hidrolizada ejerciendo un efecto osmótico que da por resultado la generación de diarrea acuosa. Además, la lactosa progresa a través de sus tractos digestivos hacia el colon, donde la fermentación bacteriana genera grandes cantidades de CO 2 , H 2 y ácidos
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