EQUILIBRIO HIDRICO
M.Sc. María Angélica Barba
1.Importancia Biomédica del Agua
El agua es el compuesto químico inorgánico distribuido en mayor porcentaje en los organismos vivos, posee propiedades físicas únicas, que incluyen la capacidad de solvatación, tanto a moléculas orgánicas como a inorgánicas, gracias a la estructura dipolar que posee y a la formación de enlaces o puentes de hidrógeno. La forma en que el agua interactúa sobre cualquier molécula solvatada, influye en sobre la estructura de ambas moléculas. El agua es un excelente nucleófilo, en las reacciones químicas metabólicas tanto de anabolismo como de catabolismo, actúa como reactante o se forma como producto. El agua tiende a disociarse formando iones hidróxido OH- hacia una basicidad o alcalinidad y protones H+ o hacia la llamada acidez. Por lo general se reporta en función de la escala logarítmica de pH (potencial de hidrógeno). El bicarbonato y otros amortiguadores en producción normal en el metabolismo mantienen el pH del líquido extracelular entre 7,35 y 7,45. En función de medir pH de la sangre arterial y el contenido de anhídrido carbónico CO2 de sangre venosa se llegan a determinar alteraciones en el equilibrio ácido base. Así acidosis a valores menores de 7,35 y alcalosis a valores mayores de 7,45. La Regulación del balance hídrico depende mecanismos hipotalámicos que controlan la sed, de la concentración de la hormona antidiurética (ADH), de la actividad renal para la retención o excreción del agua, y de la pérdida por evaporación.
La insípida nefrogénica, que implica la incapacidad para concentrar la orina o ajustar a cambios sutiles en la osmolaridad del líquido extracelular, resulta de la falta de respuesta de los osmorreceptores de túbulos renales de ADH. (Murray, Bender, and Kennelly 2013).
La mayoría de las células son soluciones acuosas en una concentración aproximada del 20%, compuesta del 80% de agua y 20% de las moléculas. La molécula de agua es la más abundante. Los organismos humanos intercambian con el medio externo mayor número de moléculas de agua, que de todas las otras moléculas. Las características de la molécula, ejercen influencia en la estructura, organización y funcionamiento de los seres vivos.(Laguna and Piña 2007)
2. Representación de la molécula de Agua
La representación más sencilla es la molécula inorgánica H2O. Geométricamente es de forma tetraédrica, con una distribución desigual de sus cargas eléctricas. Figura No. 1. El oxígeno ubicado en el centro del tetraedro y los Hidrógenos hacia los vértices, formando ángulos de 105o. Cada molécula es un dipolo, dando su polaridad.
Estructura de una molécula de agua. Las uniones covalentes entre el oxígeno y los hidrógenos se esquematizan con las líneas gruesas y se incluye la distancia que tiene cada unión covalente. Se anota el ángulo de los enlaces covalentes de los hidrógenos; también se indica la polaridad, distribución desigual de cargas en las distintas partes de la molécula. Asimismo, se anotan los diferentes radios de van der Waals en varias partes de la molécula y se representa con una línea continua la cubierta o envoltura de van der Waals, esto es, el límite en donde ocurre un equilibrio entre las fuerzas de atracción y las de repulsión.(Laguna and Piña 2007)
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La unión de moléculas de agua, evidencia una orientación de la carga negativa en interacción con una carga positiva d otra molécula, así en enlace O-H se orienta hacia la parte más negativa del oxígeno de otra molécula de agua, así el hidrógeno de una se une al oxigeno de otra, formando los puente de hidrógeno. Figura No. 2
Puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua. Cada molécula de agua establece cuatro puentes de hidrógeno: el oxígeno de cada molécula acepta 2 puentes de hidrógeno con otras tantas moléculas de agua. A su vez, cada uno de los dos hidrógenos de una molécula de agua forma un puente de hidrógeno con el oxígeno de otra molécula. (Laguna and Piña 2007)
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Se representa a continuación a n moléculas de agua, que representan los puentes de hidrógeno con moléculas vecinas. Figura No. 3
Estructura del hielo. Se observa el arreglo tetraédrico de las moléculas de agua debido a la existencia de los puentes de hidrógeno entre las propias moléculas. Es claro que el arreglo tetraédrico no es rígido, lo cual permite lo que se ha llamado una estructura abierta del agua en el hielo, que explica la menor densidad del hielo en relación con la del agua líquida.(Laguna and Piña 2007)
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3. Propiedades Físico - Químicas del Agua
Se relacionan con la formación de los puentes de hidrógeno(El Agua n.d.)
a)Densidad : La relación entre la masa, respecto del volumen ocupado
Figura No. 4
Comparación de la densidad del agua con otros fluidos (El Agua n.d.)
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b)Viscosidad
Es la medición de la resistencia del agua, a las deformaciones graduales por acciones de tensiones de corte o de tracción
Figura No. 5
Comparación de la viscosidad del agua con otros fluidos
(El Agua n.d.)
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c)Calor específico
Se forman entre las moléculas de agua, esta absorbe grandes cantidades de calor, el cual es empleado para romper los puentes de hidrógeno por lo que la temperatura se eleva muy lentamente. Así se mantiene la temperatura constante.
d)Calor de fusión
Es la cantidad de energía, que se requiere implementar, para que 1 mol de de la molécula pase, desde su estado sólido al líquido, dentro de una presión constante.
e)Calor de evaporación
Para evaporar el agua, primero hay que romper los puentes y posteriormente dotar a las moléculas de agua de la suficiente energía cinética para pasar de la fase líquida a la gaseosa. Para evaporar un gramo de agua se precisan 540 calorías, a una temperatura de 20: C.
Figura 6.
Propiedades térmicas en general del agua con otros fluidos
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f)Tensión superficial y adhesión
Los puentes de hidrógeno mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incomprensible. Se verifica el fenómeno de la capilaridad, ésta asciende por los capilares, como si trepase agarrándose por las paredes, hasta alcanzar un nivel superior al del recipiente (El Agua n.d.)
Figura No. 7
Demostración del fenómeno de capilaridad del agua
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g)Conductividad Eléctrica
Se relaciona con la medida de la capacidad de los materiales para el paso de la corriente eléctrica, así el agua es un buen conductor gracias a la presencia de metales y otros disueltos en esta.
Figura No. 8
El agua como solvente(El Agua n.d.) http://www.angelfire.com/scifi/anarkimia/Biologia/agua.html
h)El Agua Solvente Universal
Es un solvente universal, ya que puede disolver más sustancias que cualquier otro solvente. Cuando las moléculas que se colocan en el agua contienen puentes de hidrógeno, el agua tiende a debilitar tales puentes y sustituir por nuevos puentes de hidrógeno pero con la participación de moléculas de agua. Durante la solvatación el agua, adquiere formas definidas Figura No. 9
Figura No. 9
Esquema de la solvatación de iones por moléculas de agua que adquieren una orientación definida.(Laguna and Piña 2007)http://www.manualmoderno.com/apoyos_electronicos/9786074482911/imagenes/cap_2/3.jpg
a)Constante de Equilibrio, Disociación del Agua y pH
El agua se ioniza así: H2OH+ + OH-
El hidrógeno no permanece solo en solución, se une a una molécula de agua formando el ión hidronio H3O+
El agua tiene una leve tendencia a disociarse. Así en un litro de agua solamente existe 0,0000001 moles de hidrógeno (H+ y una igual cantidad de (OH-) y la fracción que no se disocia es de 55,5 moles.
Se establece la constante de equilibrio (Keq) en función de la reacción de disociación del agua:
Keq =[H+] [OH-] [H2O]A partir de la cantidad de hidrógenos, hidroxilo y agua que quedan en la disociación se establece el Producto iónico del agua (Kw):
Keq =[0,0000001] [0,0000001] [55,5]Despejando
Keq x 55,5 =[0,0000001] [0,0000001]
Kw =[0,0000001] [0,0000001] =1x10 -14
El producto Iónico del agua debe permanecer invariable, si sube la concentración de hidrógeno debe bajar la de hidróxilo y vicerversa.
Uno de los mecanismos más sensibles que ponen en juego las células y el organismo en su conjunto para realizar la regulación bioquímica del medio interno, es el mantenimiento de la concentración de iones hidrógeno dentro de límites muy estrechos.
La acidez o alcalinidad de las sustancias depende de la concentración de iones hidrógeno, así:
ACIDAAumento de Iones H+
BASICA o ALCALINA Disminución de Iones H+
MECANISMOS DE REGULACIÓN DEL pH Indica la concentración de iones hidrógeno en una disolución. El término (del francés pouvoir hydrogène, poder del hidrógeno) se define como el logaritmo de la concentración de iones hidrógeno, H+, cambiado de signo:
pH = - log [H+]
Se trata de una medida de la acidez de la disolución. Donde [H+] es la concentración de iones hidrógeno en moles por litro (Molaridad M). Debido a que los iones H+ se asocian con las moléculas de agua para formar iones hidronio, H3O+.
pOH señala la concentración de ion hidroxilo en una disolución acuosa:
pOH = - log [OH-]
pH+ pOH ? 14
ESCALA DE VARIACIÓN DEL pH
1 2 3 4 5 6 78 9 10 11 12 14ESCALA ÁCIDAESCALA NEUTRAESCALA BÁSICAEl pH de la sangre fluctúa entre 7,35 y 7,45 es decir es una solución ligeramente alcalina, frente al agua que tiene un pH 7.
La mayor parte de las reacciones bioquímicas que se producen en nuestro organismo se desarrollan óptimamente en soluciones acuosas neutras o en soluciones con pH cercanos a la neutralidad. Las reacciones químicas pueden ser sensibles a variaciones en la concentración de ácidos o bases, a pesar de que la mayor parte de las reacciones metabólicas oxidativas del organismo tienden a producir iones hidrógeno como es el caso de las vías catabólicas de la glucosa, ácidos grasos, aminoácidos, etc, estos hidrogeniones son inmediatamente neutralizados por mecanismos celulares que permiten no solo su neutralización sino también su eliminación como agua, úrea, sulfatos, fosfatos. De esta manera se mantiene el pH normal de la sangre, el plasma y la célula.
En el catabolismo de la Glucosa, se producen dos aniones Lactatos + 2 H+ estos últimos son neutralizados por el anión bicarbonato con formación de ácido carbónico, este último se disocia en forma de agua y anhídrido carbónico. El pH normal del líquido extracelular es ligeramente alcalino y oscial en valores entre 7,35 a 7,45
4. Funciones del Agua
Se relacionan con las propiedades descritas. Así:
1. Soporte o medio donde ocurren las reacciones metabólicas.
2. Amortiguador térmico.
3. Transporte de sustancias.
4. Lubricante, amortiguadora del roce entre órganos.
5. Favorece la circulación y turgencia.
6. Da flexibilidad y elasticidad a los tejidos.
7. Puede intervenir como reactivo en reacciones del metabolismo, aportando Hidrogeniones o hidroxilos. al medio.
5.El Agua en el organismo
a)Distribución
Actualmente es posible estimar la distribución del agua en los compartimentos orgánicos del cuerpo humano: intracelular, intersticial e intravascular. El organismo humano está constituido por una cantidad de agua que varía del 60 al 80% de su peso total, así en mayor proporción referencia la literatura en niños y jóvenes delgados.
Se puede mencionar como ejemplo, que unos 40 litros de agua están en el organismo para el hombre adulto normal, con un peso referencial de 70 Kg, y se mantiene, siempre que se especifique el contenido de agua en relación con la masa tisular magra, o sea el tejido sin grasa, cuya composición es constante; 70% de agua, 20% de proteínas y algo menos de 105 de lípidos.
El agua se distribuye en todos los tejidos del organismo; en algunos sitios es el componente más abundante, así en los líquidos extracelulares, donde forma de 93 a 99% de su peso; en otros como la piel o el hueso, baja a 60 y hasta 20%.(Laguna and Piña 2007).
b) Compartimentos líquidos del organismo
El volumen total del líquido (agua total) en el organismo oscila entre 55% del peso corporal para los obsesos y 70% para los individuos delgados. Las dos terceras partes del agua están en células (30 a 40% del peso corporal) y la otra tercera parte fuera de ella (16 a 20% del peso corporal total), dividido a su vez en el líquido intersticial (15% del peso corporal) y el plasma, este último dentro de la red vascular, con 5% del peso corporal. (Laguna and Piña 2007)
Esquema de la distribución de agua en los distintos compartimientos. Se muestra el estrecho contacto entre el plasma y el tubo digestivo que representa la vía normal de ingreso de agua al organismo. Asimismo, se señala la relación entre el plasma y el pulmón, la piel y el riñón que representan las vías de eliminación de agua del organismo.(Laguna and Piña 2007)
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c)Balance de Agua: Ingestión y Eliminación
El balance o equilibrio del agua está condicionado por la sed, determinada por la osmolaridad de los líquidos corporales. En condiciones normales el acopio de agua es de dos a dos y medio litros diarios. De la misma manera que se debe eliminar una cantidad equivalente a la ingesta. Existen diferentes medios de aprovisionamiento y eliminación. (Laguna and Piña 2007)
a)Requerimientos de Agua
En condiciones normales con climas templados, en condiciones metabólicas normales, sin cambios evidentes, la necesidad de agua, oscila entre 2000 a 2500 ml por día. En ayuno el requerimiento mínimo es de 1500 ml, esto equivale a la pérdida insensible más la excreción urinaria mínima. Si se compara al niño con el adulto. El requerimiento e intercambio de agua en el niño es mayor, el cual tiene mayor cantidad de agua
Figura No. 11
Intercambio hídrico en el niño y en el adulto. La mayor superficie corporal del niño hace que libere más calor y que aumente la pérdida insensible de agua, en comparación con el adulto (1.0 y 0.5 mL/kg/h, respectivamente). Este factor, aparte del mayor empleo de agua por el riñón, debido al metabolismo energético infantil más elevado, condiciona un intercambio más rápido en el niño: la mitad del líquido extracelular es reemplazada diariamente. (Laguna and Piña 2007)
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e)Trastornos del equilibrio de Agua
Como se ha indicado el aporte de agua, debe ser equivalente a la eliminación para el mantenimiento de la homeostasis, cuando por algún motivo este se altera, aparecen los estados anormales de Deshidratación o edema.
Así la Deshidratación se considera como el balance negativo entre la ingestión de agua y su eliminación.
El Edema es la situación inversa, o sea el exceso de ingestión de agua sobre su eliminación. El conocimiento del metabolismo del agua y en posteriores capítulos se verán su relación directa con los electrolitos son de importancia biomédica, así los casos de pérdidas de líquidos y sales por vómitos y diarreas, traumatismos y quemaduras, o los de retención de agua y sales en la insuficiencia cardíaca congestiva, en la insuficiencia renal del síndrome nefrótico, etc. Los líquidos corporales muestran una gran constancia en la concentración de sus componentes iónicos, su pH, su temperatura; además de mecanismos protectores contra la pérdida de agua, como la piel y el riñón, cuyo fin es el conservar, el grado máximo posible, la concentración de los distintos componentes del medio interno; la constancia del medio interno en la condición de la vida libre.(Laguna and Piña 2007)