Los conceptos que ha aprendido hasta ahora rigen todas las
formas de materia y funcionarían como base para la geología y la biología. Esta
sección limita el enfoque a la química de la vida humana; es decir, los
compuestos importantes para la estructura y función del cuerpo. En general,
estos compuestos son inorgánicos u orgánicos.
Un compuesto
inorgánico es una sustancia que no contiene carbono ni hidrógeno. Muchos
compuestos inorgánicos contienen átomos de hidrógeno, como el agua (H2O)
y el ácido clorhídrico (HCl) producido por el estómago. Por el contrario, solo
un puñado de compuestos inorgánicos contienen átomos de carbono. El dióxido de
carbono (CO2) es uno de los pocos ejemplos.
Un compuesto orgánico,
entonces, es una sustancia que contiene carbono e hidrógeno. Los compuestos
orgánicos se sintetizan a través de enlaces covalentes dentro de los organismos
vivos, incluido el cuerpo humano. Recuerde que el carbono y el hidrógeno son
los elementos segundo y tercero más abundantes en su cuerpo. Pronto descubrirá
cómo estos dos elementos se combinan en los alimentos que come, en los
compuestos que conforman la estructura de su cuerpo y en los productos químicos
que alimentan su funcionamiento.
La siguiente sección examina los tres grupos de compuestos
inorgánicos esenciales para la vida: agua, sales, ácidos y bases.
Agua
Hasta el 70 por ciento del peso corporal de un adulto es
agua. Esta agua está contenida tanto dentro de las células como entre las
células que forman tejidos y órganos. Sus diversos roles hacen que el agua sea
indispensable para el funcionamiento humano.
El agua como lubricante y amortiguador
El agua es un componente importante de muchos de los fluidos
lubricantes del cuerpo. Así como el aceite lubrica la bisagra de una puerta, el
agua en el líquido sinovial lubrica las acciones de las articulaciones del
cuerpo, y el agua en el líquido pleural ayuda a los pulmones a expandirse y
retroceder con la respiración. Los líquidos acuosos ayudan a mantener la comida
fluyendo a través del tracto digestivo y aseguran que el movimiento de los
órganos abdominales adyacentes esté libre de fricción.
El agua también protege las células y los órganos del trauma
físico, amortiguando el cerebro dentro del cráneo, por ejemplo, y protegiendo
el delicado tejido nervioso de los ojos. El agua también amortigua un feto en
desarrollo en el útero de la madre.
El agua como disipador de calor
Un disipador de calor es una sustancia u objeto que absorbe
y disipa el calor pero no experimenta un aumento correspondiente de
temperatura. En el cuerpo, el agua absorbe el calor generado por las reacciones
químicas sin aumentar mucho la temperatura.
Además, cuando la temperatura ambiental aumenta, el agua
almacenada en el cuerpo ayuda a mantener el cuerpo fresco. Este efecto
refrescante ocurre cuando la sangre tibia del núcleo del cuerpo fluye hacia los
vasos sanguíneos justo debajo de la piel y se transfiere al medio ambiente. Al
mismo tiempo, las glándulas sudoríparas liberan agua tibia en el sudor. A
medida que el agua se evapora en el aire, se lleva el calor y luego la sangre
más fría de la periferia circula de regreso al núcleo del cuerpo.
El agua como componente de mezclas líquidas
Una mezcla es una combinación de dos o más sustancias, cada
una de las cuales mantiene su propia identidad química. En otras palabras, las
sustancias constituyentes no se unen químicamente en un nuevo compuesto químico
más grande. El concepto es fácil de imaginar si piensa en sustancias en polvo
como la harina y el azúcar; cuando los revuelves en un tazón, obviamente no se
unen para formar un nuevo compuesto. El aire ambiental que respira es una
mezcla gaseosa, que contiene tres elementos discretos: nitrógeno, oxígeno y
argón, y un compuesto, dióxido de carbono. Hay tres tipos de mezclas líquidas,
todas las cuales contienen agua como componente clave. Estas son soluciones,
coloides y suspensiones.
Para que las células en el cuerpo sobrevivan, deben
mantenerse húmedas en un líquido a base de agua llamado solución. En química,
una solución líquida consiste en un
solvente que disuelve una sustancia llamada soluto. Una característica
importante de las soluciones es que son homogéneas; es decir, las moléculas de
soluto se distribuyen de manera uniforme en toda la solución. Si tuviera que
remover una cucharadita de azúcar en un vaso de agua, el azúcar se disolvería
en moléculas de azúcar separadas por moléculas de agua. La proporción de azúcar
a agua en el lado izquierdo del vaso sería la misma que la proporción de azúcar
a agua en el lado derecho del vaso. Si agregara más azúcar, la proporción de
azúcar a agua cambiaría, pero la distribución, siempre que haya agitado bien,
aún sería uniforme.
El agua se considera el "solvente universal" y se
cree que la vida no puede existir sin agua debido a esto. El agua es sin duda
el solvente más abundante en el cuerpo; esencialmente todas las reacciones
químicas del cuerpo ocurren entre compuestos disueltos en agua. Debido a que
las moléculas de agua son polares, con regiones de carga eléctrica positiva y
negativa, el agua disuelve fácilmente los compuestos iónicos y los compuestos
covalentes polares. Dichos compuestos se denominan hidrófilos o "amantes
del agua". Como se mencionó anteriormente, el azúcar se disuelve bien en
agua. Esto se debe a que las moléculas de azúcar contienen regiones de enlaces
polares de hidrógeno-oxígeno, lo que lo hace hidrófilo. Las moléculas no
polares, que no se disuelven fácilmente en agua, se denominan hidrófobas o
"temerosas del agua".
Concentraciones de solutos
Se describen diversas mezclas de solutos y agua en química.
La concentración de un soluto dado es el número de partículas de ese soluto en
un espacio dado (el oxígeno constituye aproximadamente el 21 por ciento del
aire atmosférico). En el torrente sanguíneo de los humanos, la concentración de
glucosa generalmente se mide en miligramos (mg) por decilitro (dL), y en un
adulto sano promedia aproximadamente 100 mg / dL. Otro método para medir la
concentración de un soluto es por su molaridad, que son los moles (M) de las
moléculas por litro (L). El lunar de un elemento es su peso atómico, mientras
que el lunar de un compuesto es la suma de los pesos atómicos de sus componentes,
llamado peso molecular. Un ejemplo de uso frecuente es calcular un mol de
glucosa, con la fórmula química C6 H12 O6. Usando la tabla periódica, el peso
atómico del carbono (C) es 12.011 gramos (g), y hay seis carbonos en glucosa,
para un peso atómico total de 72.066 g. Haciendo los mismos cálculos para
hidrógeno (H) y oxígeno (O), el peso molecular es igual a 180.156 g (el
"peso molecular en gramos" de glucosa). Cuando se agrega agua para
hacer un litro de solución, tiene un mol (1 M) de glucosa. Esto es
particularmente útil en química debido a la relación de los lunares con el
"número de Avogadro". Un lunar de cualquier solución tiene el mismo número
de partículas: 6.02 × 1023. Muchas sustancias en el torrente
sanguíneo y otros tejidos del cuerpo se miden en milésimas de mol, o milimoles
(mM).
Un coloide es una mezcla que es algo así como una solución
pesada. Las partículas de soluto consisten en pequeños grupos de moléculas lo
suficientemente grandes como para hacer que la mezcla líquida sea opaca (porque
las partículas son lo suficientemente grandes como para dispersar la luz).
Ejemplos familiares de coloides son la leche y la nata. En las glándulas
tiroides, la hormona tiroidea se almacena como una mezcla espesa de proteínas
también llamada coloide.
Una suspensión es una mezcla líquida en la que una sustancia
más pesada se suspende temporalmente en un líquido, pero con el tiempo, se
deposita. Esta separación de partículas de una suspensión se llama
sedimentación. Un ejemplo de sedimentación ocurre en el análisis de sangre que
establece la velocidad de sedimentación o velocidad de sedimentación. La prueba
mide la rapidez con la que los glóbulos rojos en un tubo de ensayo se asientan
de la porción acuosa de sangre (conocida como plasma) durante un período de
tiempo establecido. La sedimentación rápida de las células sanguíneas
normalmente no ocurre en el cuerpo sano, pero algunos aspectos de ciertas
enfermedades pueden hacer que las células sanguíneas se aglutinen, y estos
grandes grupos de células sanguíneas se depositan en el fondo del tubo de
ensayo más rápidamente que las células sanguíneas normales.
El papel del agua en las reacciones químicas
Dos tipos de reacciones químicas implican la creación o el
consumo de agua: síntesis de deshidratación e hidrólisis.
En la síntesis de deshidratación, un reactivo cede un átomo
de hidrógeno y otro reactivo cede un grupo hidroxilo (OH) en la síntesis de un
nuevo producto. En la formación de su enlace covalente, se libera una molécula
de agua como subproducto. Esto a veces también se conoce como reacción de
condensación.
En la hidrólisis, una molécula de agua interrumpe un
compuesto, rompiendo sus enlaces. El agua se divide en H y OH. Una porción del
compuesto cortado luego se une con el átomo de hidrógeno, y la otra porción se
une con el grupo hidroxilo.
Estas reacciones son reversibles y juegan un papel
importante en la química de los compuestos orgánicos.
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| Los monómeros, las unidades básicas para construir moléculas más grandes, forman polímeros (dos o más monómeros unidos químicamente). En la síntesis de deshidratación, dos monómeros están unidos covalentemente en una reacción en la que uno cede un grupo hidroxilo y el otro un átomo de hidrógeno. Se libera una molécula de agua como subproducto durante las reacciones de deshidratación. En la hidrólisis, el enlace covalente entre dos monómeros se divide mediante la adición de un átomo de hidrógeno a uno y un grupo hidroxilo al otro, lo que requiere la contribución de una molécula de agua. |
Recuerde que las sales se forman cuando los iones forman
enlaces iónicos. En estas reacciones, un átomo cede uno o más electrones y, por
lo tanto, se carga positivamente, mientras que el otro acepta uno o más
electrones y se carga negativamente. Ahora puede definir una sal como una
sustancia que, cuando se disuelve en agua, se disocia en iones distintos de H+
u OH–. Este hecho es importante para distinguir las sales de los
ácidos y las bases, que se discuten a continuación.
Una sal típica, NaCl, se disocia completamente en agua. Las
regiones positivas y negativas en la molécula de agua (los extremos de
hidrógeno y oxígeno respectivamente) atraen el cloruro negativo y los iones de
sodio positivos, separándolos unos de otros. De nuevo, mientras que los
compuestos no polares y polares unidos covalentemente se separan en moléculas
en solución, las sales se disocian en iones. Estos iones son electrolitos; son
capaces de conducir una corriente eléctrica en solución. Esta propiedad es
crítica para la función de los iones en la transmisión de los impulsos
nerviosos y en la contracción muscular.
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| Observe que los cristales de cloruro de sodio no se disocian en moléculas de NaCl, sino en cationes de Na+ y aniones Cl–, cada uno completamente rodeado por moléculas de agua. |
Ácidos y bases
Los ácidos y las bases, como las sales, se disocian en agua
en electrolitos. Los ácidos y las bases pueden cambiar mucho las propiedades de
las soluciones en las que se disuelven.
Ácidos
Un ácido es una sustancia que libera iones de hidrógeno (H
+) en solución (Figura 2.16a). Debido a que un átomo de hidrógeno tiene un solo
protón y un electrón, un ion de hidrógeno cargado positivamente es simplemente
un protón. Es muy probable que este protón solitario participe en reacciones
químicas. Los ácidos fuertes son compuestos que liberan todo su H+
en solución; es decir, se ionizan por completo. El ácido clorhídrico (HCl), que
se libera de las células en el revestimiento del estómago, es un ácido fuerte
porque libera todo su H+ en el ambiente acuoso del estómago. Este
ácido fuerte ayuda a la digestión y mata los microbios ingeridos. Los ácidos
débiles no se ionizan por completo; es decir, algunos de sus iones de hidrógeno
permanecen unidos dentro de un compuesto en solución. Un ejemplo de un ácido
débil es el vinagre o ácido acético; Se llama acetato después de que abandona
un protón.
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| En solución acuosa, un ácido se disocia en iones de hidrógeno (H+) y aniones. Casi todas las moléculas de un ácido fuerte se disocian, produciendo una alta concentración de H+. (b) En solución acuosa, una base se disocia en iones hidroxilo (OH–) y cationes. Casi todas las moléculas de una base fuerte se disocian, produciendo una alta concentración de OH– |
Bases
Una base es una
sustancia que libera iones hidroxilo (OH–) en solución, o una que
acepta H + ya presente en la solución (la imagen anterior inciso b). Los iones
hidroxilo (también conocidos como iones hidróxido) u otras sustancias básicas
se combinan con H+ presente para formar una molécula de agua, eliminando así H+
y reduciendo la acidez de la solución. Las bases fuertes liberan la mayoría o
la totalidad de sus iones hidroxilo; las bases débiles liberan solo algunos
iones hidroxilo o absorben solo unos pocos H+. Los alimentos
mezclados con ácido clorhídrico del estómago quemarían el intestino delgado, la
siguiente porción del tracto digestivo después del estómago, si no fuera por la
liberación de bicarbonato (HCO3–), una base débil que atrae H+.
El bicarbonato acepta algunos de los protones H+, reduciendo así la
acidez de la solución.
El concepto de pH
La acidez o alcalinidad relativa de una solución puede
indicarse por su pH. El pH de una solución es el logaritmo negativo de base 10
de la concentración de iones de hidrógeno (H+) de la solución. Como
ejemplo, una solución de pH 4 tiene una concentración de H + que es diez veces
mayor que la de una solución de pH 5. Es decir, una solución con un pH de 4 es
diez veces más ácida que una solución con un pH de 5. El concepto de pH
comenzará a tener más sentido cuando estudie la escala de pH. La escala
consiste en una serie de incrementos que van de 0 a 14. Una solución con un pH
de 7 se considera neutral, ni ácida ni básica. El agua pura tiene un pH de 7.
Cuanto menor es el número por debajo de 7, más ácida es la solución o mayor es
la concentración de H+. La concentración de iones de hidrógeno en
cada valor de pH es 10 veces diferente que el siguiente pH. Por ejemplo, un
valor de pH de 4 corresponde a una concentración de protones de 10-4 M, o
0.0001M, mientras que un valor de pH de 5 corresponde a una concentración de
protones de 10-5 M, o 0.00001M. Cuanto mayor sea el número por encima de 7, más
básica (alcalina) será la solución o menor será la concentración de H+.
La orina humana, por ejemplo, es diez veces más ácida que el agua pura, y el
HCl es 10,000,000 veces más ácido que el agua.
 |
| La escala de pH |
Buffers
El pH de la sangre humana normalmente oscila entre 7.35 y
7.45, aunque generalmente se identifica como pH 7.4. A este pH ligeramente
básico, la sangre puede reducir la acidez resultante del dióxido de carbono (CO2)
que se libera constantemente en el torrente sanguíneo por los billones de células
en el cuerpo. Los mecanismos homeostáticos (junto con la exhalación de CO2
mientras se respira) normalmente mantienen el pH de la sangre dentro de este
rango estrecho. Esto es crítico, porque las fluctuaciones, ya sean demasiado
ácidas o demasiado alcalinas, pueden conducir a trastornos potencialmente
mortales.
Todas las células del cuerpo dependen de la regulación
homeostática del equilibrio ácido-base a un pH de aproximadamente 7,4. Por lo
tanto, el cuerpo tiene varios mecanismos para esta regulación, que incluyen la
respiración, la excreción de químicos en la orina y la liberación interna de
químicos llamados colectivamente amortiguadores en los fluidos corporales. Un buffer es una solución de un ácido débil
y su base conjugada. Un buffer puede neutralizar pequeñas cantidades de ácidos
o bases en los fluidos corporales. Por ejemplo, si hay incluso una ligera
disminución por debajo de 7.35 en el pH de un fluido corporal, el tampón en el
fluido, en este caso, actuando como una base débil, se unirá al exceso de iones
de hidrógeno. Por el contrario, si el pH sube por encima de 7.45, el tampón
actuará como un ácido débil y contribuirá con iones de hidrógeno.
Ácidos y bases
La acidez excesiva de la sangre y otros fluidos corporales
se conoce como acidosis. Las causas comunes de acidosis son situaciones y
trastornos que reducen la efectividad de la respiración, especialmente la
capacidad de la persona para exhalar por completo, lo que provoca una
acumulación de CO2 (y H +) en el torrente sanguíneo. La acidosis también puede
ser causada por problemas metabólicos que reducen el nivel o la función de los
tampones que actúan como bases o que promueven la producción de ácidos. Por
ejemplo, con diarrea severa, se puede perder demasiado bicarbonato del cuerpo,
permitiendo que los ácidos se acumulen en los fluidos corporales. En las
personas con diabetes mal controlada (regulación ineficaz del azúcar en la
sangre), los ácidos llamados cetonas se producen como una forma de combustible
corporal, que pueden acumularse en la sangre y causar una afección grave
llamada cetoacidosis diabética. La insuficiencia renal, la insuficiencia
hepática, la insuficiencia cardíaca, el cáncer y otros trastornos también
pueden provocar acidosis metabólica.
En contraste, la alcalosis es una condición en la cual la
sangre y otros fluidos corporales son demasiado alcalinos (básicos). Al igual
que con la acidosis, los trastornos respiratorios son una causa importante; Sin
embargo, en la alcalosis respiratoria, los niveles de dióxido de carbono caen
demasiado bajo. La enfermedad pulmonar, la sobredosis de aspirina, el shock y
la ansiedad común pueden causar alcalosis respiratoria, lo que reduce la
concentración normal de H+.
La alcalosis metabólica a menudo resulta de vómitos
prolongados y severos, que causan una pérdida de iones de hidrógeno y cloruro
(como componentes del HCl). Los medicamentos también pueden provocar alcalosis.
Estos incluyen diuréticos que hacen que el cuerpo pierda iones de potasio, así
como los antiácidos cuando se toman en cantidades excesivas, por ejemplo, por
alguien con acidez estomacal persistente o una úlcera.
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