REACCIONES ACIDO-BASE

Reacción química

Forma de representar matemáticamente el proceso en el que una o más sustancias —los reactantes— se transforman en otras sustancias diferentes —los productos de la reacción. Un ejemplo de reacción química es la formación de óxido de hierro producida al reaccionar el oxígeno del aire con el hierro.

Los productos obtenidos a partir de ciertos tipos de reactivos dependen de las condiciones bajo las que se da la reacción química. No obstante, tras un estudio cuidadoso se comprueba que, aunque los productos pueden variar según cambien las condiciones, determinadas cantidades permanecen constantes en cualquier reacción química. Estas cantidades constantes, las magnitudes conservadas, incluyen el número de cada tipo de átomo presente, la carga eléctrica y la masa total.

Equilibrio químico

El equilibrio químico se observa cuando las cantidades relativas de dos o más sustancias permanecen constantes, es decir, el equilibrio químico se da cuando los moles no cambian, de igual manera, en estado de equilibrio no se observan cambios físicos a medida que transcurre el tiempo; no es necesario que exista una reacción química para que exista un equilibrio químico.

Una vez iniciada una reacción química puede reaccionar de dos maneras diferentes: la reacción puede desarrollarse hasta que se agote uno de los reactivos o bien transcurrir hasta un cierto punto en el que, aunque existan reactivos en cantidad suficiente, la reacción, aparentemente, se detiene. En el segundo caso se dice que el sistema formado por los reactivos, los productos y el medio de reacción ha alcanzado un estado de equilibrio. A pesar de que un sistema químico en equilibrio parece que no se modifica con el tiempo, esto no significa que no está ocurriendo ningún cambio. Inicialmente, los reactivos se combinan para formar los productos, pero llega un momento en que la cantidad de producto es los suficientemente grande que estos productos reaccionen entre sí volviendo a formar los reactivos iniciales. De esta manera transcurren simultáneamente dos reacciones, directa e inversa.

El equilibrio se alcanza cuando los reactivos se transforman en productos con la misma velocidad que los productos vuelven a transformarse en reactivos.

Un sistema en equilibrio debe cumplir los siguientes requisitos:

Sólo puede existir equilibrio en un sistema cerrado: un sistema en el que ni la energía ni las sustancias entren o salgan continuamente.

Cuando se alcanza el estado de equilibrio, las propiedades observables del sistema (color, masa del reactivo sin reaccionar, temperatura, etc.), no varían con el tiempo.

Toda situación de equilibrio se altera cuando se modifica la temperatura, pero se restablece cuando el sistema vuelve a la temperatura original.

Cuando se alcanza el estado de equilibrio, las concentraciones de los reactivos y los productos se encuentran en una relación numérica constante. Experimentalmente se comprueba que las concentraciones de las sustancias implicadas en un sistema en equilibrio se encuentran relacionadas por la siguiente expresión matemática:

aA + bB → cC + dD

En esta expresión el numerador es el producto de las concentraciones de equilibrio de los productos, elevada cada una de ellas a un exponente que es igual al número de moles de cada producto que aparece en la ecuación química.

El denominador es el producto de las concentraciones de equilibrio de los reactivos, elevada cada una de ellas a un exponente que es igual al número de moles de cada reactivo que aparece en la ecuación química.

La razón, K, entre el numerador y el denominador es la constante de equilibrio de la reacción. Si el valor de K es muy pequeño, mucho menor que 1, la reacción directa sólo ocurre en una pequeña extensión antes de alcanzar el equilibrio. Es decir, los reactivos no reaccionan del todo. En cambio, si el valor de K es grande, mucho mayor que 1, la reacción directa está ampliamente favorecida; esto es, los reactivos originales se transforman en productos en una gran amplitud.

Podemos concluir:

Si K < 1, se favorece la formación de reactivos.

Si K > 1, se favorece la formación de productos.

El rendimiento de una reacción química se ve disminuido por la tendencia a alcanzar el estado de equilibrio, ya que los reactivos no se transforman al cien por cien en productos. Para conseguir que el equilibrio se rompa desplazándose en el sentido que nos interesa, es necesario saber qué factores se pueden modificar.

Los cambios de cualquiera de los factores: presión, temperatura o concentración de las sustancias reaccionantes o resultantes, pueden hacer que una reacción química evolucione en uno u otro sentido hasta alcanzar un nuevo estado. Todos los cambios que afectan el estado de equilibrio son predecibles según el principio de Le Châtelier.

A fines del siglo XIX, el químico francés Henry Le Châtelier (1850-1936) postuló que, si sobre un sistema en equilibrio se modifica cualquiera de los factores que influyen en una reacción química, dicho sistema evolucionará en la dirección que contrarreste el efecto del cambio.

Cuando un sistema que se encuentra en equilibrio, es sometido a una acción externa que lo perturbe, el equilibrio se desplaza hasta alcanzar nuevamente el equilibrio. Los principales factores que afectan el equilibrio son:

Cambio de concentración. Supongamos el siguiente sistema en equilibrio: A + B ó C + D. Si se agrega alguna de las sustancias reaccionantes, por ejemplo A, se favorece la reacción que tiende a consumir el reactivo añadido. Al haber más reactivo A, la velocidad de reacción hacia los productos aumenta, y como en el estado de equilibrio las velocidades de reacción son iguales en ambos sentidos, se producirá un desplazamiento de la reacción hacia los productos. Es decir, se formará una mayor cantidad de C y D, hasta alcanzar un nuevo estado de equilibrio. De igual modo podemos predecir qué efectos tendría un aumento en la concentración de cualquiera de los productos C o D. Al aumentar C, por ejemplo, el equilibrio se desplazaría hacia los reactivos, ya que la velocidad de reacción aumentaría en ese sentido hasta alcanzar un nuevo estado de equilibrio. Al disminuir la concentración de alguno de los reactivos, retirando parte de A o B, también podemos alterar el equilibrio químico. Según el Principio de Le Châtelier, el equilibrio se desplazaría en el sentido de compensar dicha falta, es decir, hacia la formación de reactivos. De igual manera, si disminuimos la concentración de uno de los productos, el sistema reacciona desplazándose hacia los productos. Sin embargo, aunque la variación de la concentración de cualquiera de las sustancias que interviene en el equilibrio no afecta en absoluto el valor de la constante, si se modifican las concentraciones de las restantes sustancias en equilibrio.

Cambio de la temperatura. Si en un equilibrio químico se afecta la temperatura, el sistema se opone al cambio desplazándose en el sentido que absorba calor, esto es, favoreciendo la reacción endotérmica. Por el contrario, al disminuir la temperatura se favorece el proceso que genera calor; es decir, la reacción exotérmica.

Cambio de la presión. La variación de la presión en un equilibrio, sólo influye cuando intervienen sustancias en estado gaseoso y se verifica una variación en el número de moles entre reactivos y productos. Un aumento de presión favorecerá la reacción que implique una disminución de volumen. En cambio, si se disminuye la presión, se favorecerá la reacción en la que los productos ocupen un volumen mayor que los reactivos.

Catalizadores. No modifican el sentido del equilibrio, estos afectan la energía de activación tanto a la derecha como a la izquierda, por lo tanto solamente cambian la cantidad de tiempo necesario para alcanzar el equilibrio.

Esta formulación del concepto de equilibrio químico, planteado como dos procesos cinéticos en direcciones opuestas, es sin lugar a dudas la forma más sencilla e intuitiva de aproximarse al concepto de equilibrio químico. Sin embargo, la condición de equilibro, de una forma rigurosa debe ser establecida no en función de una aproximación cinética, sino termodinámica.

Características generales de ácidos y bases

La característica que da a los ácidos es su sabor, que se deriva del vocablo acidus, el cual significa “agrio”. Esta particularidad es evidente en algunas otras formas críticas de frutas (limón, naranja) o algunos que contienen ácidos (yogur, vinagre).

El sabor de las bases (muchas de ellas son toxicas) no es tan característico como en los ácidos, pues presentan mayor variedad, pero se puede decir que son ligeramente amargas (jabón, bicarbonato de sodio).

Por otro lado, las bases son resbalosas al tacto (mezcla agua y jabón). Algunas bases son tan fuertes o concentradas que pueden llegar a causar serias lesiones en la piel si el contacto es prolongado.

Los ácidos reaccionan con las proteínas cambiándoles su aspecto físico (Ej: Al agregar jugo de limón (ácido) a la clara de un huevo; que contiene una proteína llamada albúmina, esta última se empieza a solidificar y tomar un color blanquecino).

Una característica compartida es que son electrolíticos, es decir, conducen la corriente eléctrica en disolución acuosa.

Los ácidos tienen un PH menor de 7, cambian el papel tornasol de rojo a azul (Concentración de iones hidroxilo H+(OH)-). Las bases tienen un PH mayor que 7, cambian el papel tornasol de azul a rojo. El pH neutro es 7.

Creación de bases

Para crear una base usando diversas nomenclaturas para ellas tomadas a partir de los nombres de los elementos y juntándolos con un ión hidroxilo (OH) para crearlos, tomando el número de valencia del elemento y combinarlos (cambiándolos de posición) como se muestra en la tabla:

Fórmula Tradicional Stock IUPAC

Cu(OH) Hidróxido cuproso Hidróxido de cobre I Monohidróxido de cobre

Cu(OH)2 Hidróxido cúprico Hidróxido de cobre II Dihidróxido de cobre

Cuando un elemento tiene más de dos valencias no se le pone nomenclatura tradicional. Al usar la menor valencia, el elemento termina en -oso y cuando se usa la mayor termina en -ico. En la nomenclatura IUPAC se le va a dar una conformación de prefijos al elemento según su valencia usada (Tri, Penta, Hexa, Mono, Di, etc) junto con la terminación -hidroxi u -oxidrilo que es el ión OH con carga -1.

Proceso de desarrollo

La primera definición clara y experimentalmente comprobada la dio Svante Arrhenius hacia finales del siglo XIX, y esta sustentada en su teoría de la disociación electrolítica:

Los ácidos son sustancias que al disolverse en agua producen iones hidrógeno (H+), y las bases son sustancias que al disolverse en agua producen iones hidroxilo(OH)-)

HCl —— H++ Cl

H2SO4—— H++(HSO4)-

HNO3 —— H++ (NO3)- culovavasv

Base (química)

Una base es, en primera aproximación, cualquier sustancia que en disolución acuosa aporta iones OH- al medio. Un ejemplo claro es el hidróxido potásico, de fórmula KOH:

KOH → OH- + K+ (en disolución acuosa)

Los conceptos de base y ácido son contrapuestos. Para medir la basicidad de un medio acuoso se utiliza el concepto de pOH, que se complementa con el de pH, de forma tal que pH + pOH = pKw, (pKw en CNPT es igual a 1.10e-14). Por este motivo, está generalizado el uso de pH tanto para ácidos como para bases.

Distintas definiciones de base [editar]La definición inicial corresponde a la formulada en 1887 por Arrehnius. La teoría de Brönsted y Lowry de ácidos y bases, formulada en 1923, dice que una base es aquella sustancia capaz de aceptar un protón (H+). Esta definición engloba la anterior: en el ejemplo anterior, el KOH al disociarse en disolución da iones OH-, que son los que actúan como base al poder aceptar un protón. Esta teoría también se puede aplicar en disolventes no acuosos.

Lewis en 1923 amplió aún más la definición de ácidos y bases, aunque esta teoría no tendría repercusión hasta años más tarde. Según la teoría de Lewis una base es aquella sustancia que puede donar un par de electrones. El ion OH-, al igual que otros iones o moléculas como el NH3, H2O, etc., tienen un par de electrones no enlazantes, por lo que son bases. Todas las bases según la teoría de Arrehnius o la de Brönsted y Lowry son a su vez bases de Lewis.

Ejemplos de bases de Arrehnius: NaOH, KOH, Al(OH)3.

Ejemplos de bases de Brönsted y Lowry: NH3, S2-, HS-.

Fuerza de una base

Una base fuerte es la que se disocia completamente en el agua, es decir, aporta el máximo número de iones OH-. El ejemplo anterior (hidróxido potásico) es de una base fuerte. Una base débil también aporta iones OH- al medio, pero está en equilibrio el número de moléculas disociadas con las que no lo están.

Al(OH)3 ←→ 3 OH- + Al+

En este caso, el hidróxido de aluminio está en equilibrio (descomponiéndose y formándose) con los iones que genera.

Formación de una base

Una base se forma cuando un óxido de un metal reacciona con agua:

MgO + H2O —> Mg (OH)2

O también:

AlO3 + H2O —> Al (OH)3

Ácido

Se denomina ácido a cualquier compuesto químico que disuelto en agua, da una solución con un pH menor de 7.

Cualquier compuesto químico que puede ceder protones es un ácido. Un ejemplo es el ácido clorhídrico, de fórmula HCl:

HCl → H+ + Cl- (en disolución acuosa)

o lo que es lo mismo:

HCl + H2O → H3O+ + Cl-

El concepto de ácido es el contrapuesto al de base. Para medir la acidez de un medio se utiliza el concepto de pH.

Distintas definiciones de ácido

La anterior definición (de ácido) corresponde a la formulada por Brönsted y Lowry en 1923 y generaliza la anterior teoría de ácidos y bases, de Arrhenius, de 1887. En la definición de Arrhenius un ácido es una sustancia que al disociarse produce iones hidrógeno en disolución acuosa. La teoría de Brönsted y Lowry de ácidos y bases también sirve para disoluciones no acuosas; las dos teorías son muy parecidas en la definición de ácido, pero esta última es mucho más general sobre las bases.

En 1923 Lewis amplió aún más la definición de ácidos y bases, aunque su teoría no tendría repercusión hasta años más tarde. Según la teoría un ácido es aquella sustancia que puede aceptar un par de electrones. De esta forma se incluyen sustancias que se comportan como ácidos pero no cumplen la definición de Brönsted y Lowry, y suelen ser denominadas ácidos de Lewis. Puesto que el protón, según esta definición, es un ácido de Lewis (tiene vacío el orbital 1s, en donde alojar el par de electrones), todos los ácidos de Brönsted-Lowry son ácidos de Lewis.

Ejemplos de ácidos de Brönsted y Lowry: HCl, HNO3, H3PO4.

Ejemplos de ácidos de Lewis: Ag+, AlCl3, CO2, SO3.

Fuerza de ácidos y bases

Un ácido fuerte es aquel que se disocia completamente en el agua, es decir, aporta iones H+ pero no los recoge. El ejemplo anterior (ácido clorhídrico) es un ácido fuerte. Otros son el ácido sulfúrico o el ácido nítrico, para estos ácidos el pH de una disolución con 0,1 mol de ácido por litro (0,05 mol/L en el caso del ácido sulfúrico que libera 2 protones) será de un cifra en torno a 1.

Un ácido débil aporta iones H+ al medio, pero también es capaz de aceptarlos, formando un equilibrio ácido-base. La mayoría de los ácidos orgánicos son de este tipo, y también algunas sales, como el fosfato de amonio ((NH4) H2PO4).

HAc <=> H+ + Ac- (en disolución acuosa)

En este caso (HAc equivale a ácido acético) la doble flecha indica el equilibrio. En relación al pH para estos ácidos se generan valores entre 4 y 7 para disoluciones con las mismas concentraciones que en el caso anterior.

Formación de ácidos

Al reaccionar un no metal con el hidrógeno se forma un hidrácido.

Ejemplo: Cloro + Hidrógeno = Ácido Clorhídrico

Cl2 + H2= 2HCl

Al reaccionar un óxido ácido con agua se forma un oxácido.

Ejemplo: Trióxido de Azufre + Agua = Ácido Sulfúrico.

SO3 + H2O =H2SO4

Algunos ácidos                 [editar]Ácido acético

Acido Ascórbico

Ácido aspártico

Ácido bórico

Ácido carbónico

Ácido cítrico

Ácido clorhídrico

Ácido fólico

Ácido fórmico

Ácido graso

Ácido láctico

Acido Nicotínico

Ácido nítrico

Ácido oxálico

Acido Pantoténico

Ácido salicílico

Ácido sulfúrico

Ácido tánico

Ácido tartárico

Ácido úrico

Aminoácido

EDTA

Fenol

Glutamato

Ácido hidrácido

Ácido oxácido

Anfótero

Constante de acidez

Éster

Lluvia ácida

Ácido ribonucleico

Acido Desoxirribonucleico

Dietilamida de Acido Lisérgico

Ácido nucleico

Ciclo de Krebs

REACCIONES OXIDO-REDUCCIÓN

La cadena de transporte de electrones es una serie de transportadores de electrones que se encuentran en la membrana plasmática de bacterias, en la membrana interna mitocondrial o en las membranas tilacoidales, que median reacciones bioquímicas que producen adenosina trifosfato (ATP), que es el compuesto energético que utilizan los seres vivos. Sólo dos fuentes de energía son utilizadas por los organismos vivos: reacciones de oxido-reducción (redox) y la luz solar (fotosíntesis). Los organismos que utilizan las reacciones redox para producir ATP se les conoce con el nombre de quimiotrofos, mientras que los que utilizan la luz solar para tal evento se les conoce por el nombre de fototrofos. Ambos tipos de organismos utilizan sus cadenas de transporte de electrones para convertir la energía en ATP.

Conceptos generales [editar]La misión de la cadena transportadora de electrones es la de crear un gradiente electroquímico que se utiliza para la síntesis de ATP. Dicho gradiente electroquímico se consigue mediante el flujo de electrones entre diversas sustancias de esta cadena que favorecen en último caso la translocación de protones que generan el gradiente anteriormente mencionado. De esta forma podemos deducir la existencia de tres procesos totalmente dependientes:

Un flujo de electrones desde sustancias individuales.

Un uso de la energía desprendida de ese flujo de electrones que se utiliza para la translocación de protones en contra de gradiente, por lo que energéticamente estamos hablando de un proceso desfavorable.

Un uso de ese gradiente electroquímico para la formación de ATP mediante un proceso favorable desde un punto de vista energético. entonces la cadena trnsportadora de electrones vale callampa.

Antecedentes

Las reacciones redox son reacciones químicas en las cuales los electrones son transferidos desde una molécula donadora hacia una molécula aceptora. La fuerza que conduce a esta clase de reacciones es la energía libre de Gibbs de los reactivos y los productos. La energía libre de Gibbs es la energía disponible para realizar un trabajo. Ninguna reacción que baje la energía libre de Gibbs total de un sistema se realizará de forma espontánea. La transferencia de electrones desde moléculas altamente energéticas (donadoras) hacia moléculas de bajo poder energético (aceptoras) puede ser espaciado en una serie de reacciones redox intermediarias, que en definitiva forman una cadena de transporte. El hecho de que estas reacciones sean termodinámicamente posibles no significa que puedan ocurrir; por ejemplo una mezcla de hidrógeno y oxígeno no entra en ignición de forma espontánea, se requiere suplementar cierta energía de activación o bajar la energía de activación de la reacción. Los sistemas biológicos usan estructuras complejas que reducen la energía de activación de las reacciones bioquímicas. El transporte de electrones se realiza mediante reacciones que son termodinámicamente favorables, y han sido acopladas a reacciones que termodinámicamente no lo son, como por ejemplo son la separación de carga o la creación de un gradiente osmótico. De esta forma la energía libre del sistema baja y hace posible que el proceso se lleve acabo. Las macromoléculas biológicas que catalizan este tipo de reacciones desfavorables, termodinámicamente hablando, se han encontrado en todas las formas de vida conocidas, y sólo realizan estas funciones sí y solo sí están acopladas a reacciones termodinámicas favorables y que ocurran a la vez de las que no lo son. La cadena de transporte de electrones produce energía para la formación de un gradiente electroquímico, es decir se utiliza ese flujo para el transporte de sustancias a través de membrana. Este gradiente se utiliza para realizar, posteriormente un trabajo mecánico, como puede ser la rotación de un flagelo bacteriano o la síntesis de ATP, que es imprescindible para un organismo. El ATP también se puede obtener de otra formas como por ejemplo en la fosforilación a nivel de sustrato. Existen organismos que obtienen el ATP exclusivamente mediante fermentación, pero en la mayoría de los casos la generación de grandes cantidades de ATP se realiza a través de cadenas de transportes de electrones.

Cadenas de transporte de electrones en mitocondrias                 [editar]Las células de todos los eucariotas contienen orgánulos intracelulares conocidos con el nombre de mitocondrias que producen ATP. Las fuentes de energía como la glucosa son inicialmente metabolizados en el citoplasma y los productos obtenidos son llevados al interior de la mitocondria donde se continua el catabolismo usando rutas metabólicas que incluyen el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, la beta oxidación de los ácidos grasos y la oxidación de los aminoácidos. El resultado final de estas rutas es la producción de dos donadores de electrones: NADH y FADH2. Los electrones de estos dos donadores son pasados a través de la cadena de electrones hasta el oxígeno, el cual se reduce para formar agua. Esto es un proceso de múltiples pasos que ocurren en la membrana mitocondrial interna. Las enzimas que catalizan estas reacciones tienen la remarcable capacidad de crear simultáneamente un gradiente de protones a través de la membrana, produciendo un estado altamente energético con el potencial de generar trabajo. Mientras el transporte de electrones ocurre con una alta eficiencia, un pequeño porcentaje de electrones son prematuramente extraídos del oxígeno, resultando en la formación de un radical libre tóxico: el superóxido. El parecido entre las mitocondrias intracelulares y las bacterias de vida libre es altísimo. El conocimiento de la estructura, la funcionalidad y las similitudes en el ADN entre mitocondrias y las bacterias prueban fuertemente el origen endosimbióntico de las mitocondrias. Es decir, hay fuertes pruebas que indican que las células eucarióticas primitivas incorporaron bacterias, que debido a las fuerzas selectivas de la evolución se han trasformado en un orgánulo de estas.

Transportadores redox mitocondriales

Representación minimalista de la cadena de transportadora de electrones(CTE). La energía obtenida a través de la transferencia de electrones(flechas negras) a lo largo de la CTE es usada para bombear protones (flechas rojas) desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana, creando un gradiente electroquímico de protones a través de la membrana mitocondrial interna denominado ΔΨ. Este gradiente electroquímico de protones permite a la ATP sintasa utilizar el flujo de H+ que se genera a través de esta enzima para generar ATP a partir de adenosina difosfato (ADP) y fosfato inorgánico.

Cuatro complejos unidos a membrana han sido identificados en las mitocondrias. Tres de ellos son complejos transmembranas, que están embebidos en la membrana interna, mientras que el otro esta asociado a membrana. Los tres complejos transmembrana tienen la capacidad de actuar como bombas de protones. El flujo de electrones global se esquematiza de la siguiente forma:

NADH → Complejo I → Q → Complejo III → Citocromo c → Complejo IV                 → O2

↑

Complejo II

Complejo I El “complejo I” o NADH deshidrogenasa o NADH:ubiquinona oxidoreductasa (EC 1.6.5.3) capta dos electrones del NADH y los transfiere a un transportador liposoluble denominado ubiquinona (Q). El producto reducido, que se conoce con el nombre de ubiquinol (QH2) puede difundir libremente por la membrana. Al mismo tiempo el Complejo I transloca cuatro protones a través de membrana, produciendo un gradiente de protones.

El flujo de electrones ocurre de la siguiente forma:

El NADH es oxidado a NAD+, reduciendo al FMN a FMNH2 en un único paso que implica a dos electrones. El siguiente transportador de electrones es una centro Fe-S que sólo puede aceptar un electrón y trasferirlo a la ubiquinona generando una forma reducida denominada semiquinona. Esta semiquinona vuelve a ser reducido con el otro electrón que quedaba generando el ubiquinol, QH2. Durante este proceso, cuatro protones son translocados a través de la membrana interna mitocondrial, desde la matriz hacia el espacio intermembrana.

Complejo II El “Complejo II” o Succinato deshidrogenasa; EC 1.3.5.1 no es un bomba de protones. Además es el único enzima del ciclo de Krebs asociado a membrana. Este complejo dona electrones a la ubiquinona desde el succinato y los transfiere vía FAD a la ubiquinona.

Complejo III El “complejo III” o Complejo citocromo bc1; EC 1.10.2.2, obtiene dos electrones desde QH2 y se los transfiere a dos moléculas de citocromo c, que es un transportador de electrones hidrosoluble que se encuentra en el espacio intermebrana de la mitocondria. Al mismo tiempo, transloca dos protones a través de la membrana por los dos electrones transportados desde el ubiquinol.

Complejo IV [editar]El complejo IV o Citocromo c oxidasa; EC 1.9.3.1 capta cuatro electrones de la cuatro moléculas de citocromo c y se transfieren al oxígeno (O2), para producir dos moléculas de agua (H2O). Al mismo tiempo se translocan cuatro protones al espacio intermembrana, por los cuatro electrones. Además “desaparecen” de la matriz 4 protones que forman parte del H2O.

Acoplamiento con la fosforilización oxidativa [editar]La hipótesis del acoplamiento quimiosmótico, lo que el valió el premio Nobel de química a Peter D. Mitchell, explica que la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa están acopladas por el gradiente de protones. El eflujo de protones crea un gradiente de pH y un gradiente electroquímico. Este gradiente de protones es usado por la ATP sintasa para formar ATP vía la fosforilación oxidativa. La ATP sintasa actúa como un canal de iones que “devuelve” los protones a la matriz mitocondrial. Durante esta vuelta, la energía libre de Gibbs producida durante la generación de las formas oxidadas de los transportadores de electrones es liberada. Esta energía es utilizada por la síntesis de ATP, catalizada por el componente F1 del complejo FOF1 ATP sintasa

El acoplamiento con la fosforilación oxidativa es un paso clave en la producción de ATP. Sin embargo, en ciertas ocasiones desacoplarlo puede tener usos biológicos. En la membrana interna mitocondrial de los tejidos adiposos marrones existe una gran cantidad de termogenina, que es una proteína desacopladora, que actúa como una vía alternativa para el regreso de los protones a la matriz. Esto resulta en consumo de la energía en termogénesis en vez de utilizarse para la producción de ATP. Esto puede ser util para generar calor cuando sea necesario, por ejemplo en invierno o durante la hibernación de ciertos animales.

También se conocen desacoplantes sintéticos como el caso del 2,4-dinitrofenol, que se ha usado como pesticida, debido a su alta toxicidad.

La cadena de transporte de electrones mitocondrial utiliza electrones desde un donador ya sea NADH o FADH 2 y los pasa a un aceptor de electrones final, como el O2, mediante una serie de reacciones redox. Estas reacciones están acopladas a la creación de un gradiente de protones generado por los complejos I, III y IV. Dicho gradiente es utilizado para generar ATP mediante la ATP sintasa.

Las reacciones catalizadas por los complejos I y III están en equilibrio. Las concentraciones de reactivos y productos son aproximadamente los mismo. Esto significa que estas reacciones son reversibles, es decir al incrementar la concentración de producto.

Cadena transportadora de electrones en bacterias                 [editar]En eucariotas, el NADH es el donador de electrones más importante. En procariotas, es decir bacterias y arqueas la situación es algo mas complicada, debido a que hay un gran numero de donante de electrones y un gran numero de aceptores. Si generalizamos el transporte en bacterias este podría quedar de la siguiente forma:

Donador           Donador                                   Donador

↓               ↓                       ↓

deshidrogenasa   →                 quinona   →   bc1                 →   citocromo

↓                                       ↓

oxidasa(reductasa)       oxidasa(reductasa)

↓                       ↓

Aceptor                               Aceptor

Puede que los electrones pueden entrar a la cadena en tres niveles: un nivel en donde participa una deshidrogenasa, otro en la que actúa un reservorio de quinonas, o en un nivel en el que actúa un transportador móvil como es el citocromo. Estos niveles corresponden a sucesivos potenciales redox más positivos o sucesivas bajadas de las diferencias en el potencial relativo en los aceptores de electrones. En otras palabras, corresponden a cambios cada vez menores en la energía libre de Gibbs.

Las bacterias pueden usar múltiples cadenas de transporte de electrones, e incluso simultáneamente. Las bacterias pueden usar varios donadores diferentes de electrones. Por ejemplo, Escherichia coli, cuando crece en condiciones aeróbicas usando glucosa como fuente de energía, usa dos NADH deshidrogenasas diferentes y dos quinol oxidasas diferentes, un total de cuatro cadenas de transporte que funcionan simultáneamente.

Las bacterias también generan un gradiente de protones, para ello utilizan al menos tres bombas de protones, al igual que las mitocondrias, aunque se han descrito casos en los que solo existen dos o incluso una. Evidentemente siempre tiene que existir al menos una bomba de protones para poder generar el gradiente electroquímico, que es esencial para la generación de ATP.

Donadores de electrones [editar]En la biosfera actual, los donadores de electrones más comunes son las moléculas orgánicas. Los organismos que usan moléculas orgánicas como fuente de energía son conocidos como organotrofos. Sin embargo, existen procariotas que son capaces de utilizar fuentes inorgánicas como fuente de energía y se les conoce por ello con el nombre de litotrofos. Estos donadores inorgánicos incluyen al hidrógeno, al monóxido de carbono, el amonio, el nitrito, sulfuro, y el ion ferroso. Los litotrofos se han observado creciendo en formaciones de rocas de a centeneras de metros bajo la superficie de la tierra. El uso de donadores de electrones inorgánicos como fuente de energía es de particular interés en el estudio de la evolución. Este tipo de metabolismo tuvo que se el predecesor de los actuales modelos de organotrofos.

Deshidrogenasas [editar]Las bacterias pueden usar un gran número de donadores de electrones. Cuando utilizan materia orgánica como fuente de energía, el donador puede ser el NADH o el succinato, en tal caso los electrones entran a la cadena de transporte mediante la NADH deshidrogenasa, que es similar al complejo I mitocondrial, o bien mediante la Succinato deshidrogenas, que es similar al complejo II. Otras deshidrogenasas pueden ser utilizadas dependiendo del donador, ejemplos pueden ser la Formato deshidrogenasa, la Lactato deshidrogenasa, la Gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa, H2 deshidrogenasa, también conocida por el nombre de hidrogenasa, y etc. Algunas de estas deshidrogenasas también actúan como bombas de protones, otras simplemente donan los electrones al reservorio de quinonas. La mayoría de las deshidrogenasas son sintetizadas solo en caso de necesidad, por lo que dependiendo del ambiente en el que se encuentra podremos detectar una o varias de estas deshidrogenasas. Las bacterias son capaces por tanto de realizar una regulación transcripcional de las mismas.

Transportadores de quinona

Las quinonas son transportadores móviles liposolubles. En general desempeñan las mismas funciones que la quinona mitocondrial, aunque las bacterias presenten quinonas específicas como son por ejemplo la ubiquinona o la menaquinona.

Bombas de protones

Se considera una bomba de protones cualquier proceso que genere un gradiente de protones a través de la membrana. Los protones pueden ser movidos físicamente a través de la membrana como es el caso de los complejos I y IV de las mitocondrias. El mismo efecto es observado cuando los electrones se mueven en la dirección opuesta, El resultado es la desaparición de protones de la matriz y la aparición de protones en el espacio intermembrana. Este es el caso del complejo III de las mitocondrias, en el cual se observa el ciclo Q. Algunas deshidrogenasas son bombas de protones, otras no. La mayoría de oxidadas y reductasas si lo son, aunque existen excepciones. El citocromo bc1 es una bomba de protones encontrada en muchas bacterias, aunque no en todas, por ejemplo Escherichia coli.

Citocromos

Los citocromos son proteínas que contienen porfirinas que tienen ligado un átomo de hierro. Existen citocromos que son hidrosolubles , otros que son liposolubles. Otra peculiaridad es que existen citocromos móviles como por ejemplo el citocromo c. Aunque la gran mayoría funcionan asociadas a macromoléculas como pueden ser los complejos III y IV.

Oxidasas y reductasas terminales

Cuando una bacteria crece en ambientes aeróbicos, el aceptor final de los electrones es reducido hasta agua por un enzima que se denomina oxidasa. Cuando una bacteria crece en ambientes de hipoxia, el aceptor de electrones es reducida por una enzima que se denomina reductasa. En las mitocondrias el complejo terminal es la Citocromo oxidasa, pero las bacterias aeróbicas pueden un utilizar varias oxidasas. Escherichia coli, no presenta Citocromo oxidasa, por lo que en condiciones aeróbicas utiliza dos Quinol oxidasa diferentes para reducir el oxígeno a agua. Ambas quinol oxidasas actúan a su vez como bombas de protones. Las bacterias anaeróbicas no pueden utilizar el oxígeno como aceptor final de los electrones, por lo que requieren reductasas especializadas para cada una de los aceptores. Escherichia coli puede usar por ejemplo: una Fumarato reductasa, la nitrato reductasa, la nitrito reductasa o la DMSO reductasa dependiendo de si existen esos aceptores en el medio en el que estás creciendo

Aceptores de electrones

Al igual que existen un gran número de donadores de electrones, también existen un gran número de aceptores que pueden ser de ambos tipos, es decir de origen orgánico o inorgánico. Si el oxígeno está disponible, se usará como aceptor , ya que genera mayor producción energética. En los ambientes anaeróbicos, se puede utilizar NO3-, NO2-, Fe3+, SO42-, CO2 y pequeñas moléculas orgánicas como por ejemplo el fumarato.

Las cadenas de transporte de electrones bacterianas, son en general, inducibles. Dependiendo del medio en el que estén creciendo las bacterias sintetizarán distintos complejos transmembranas que producirán diferentes transportes en sus membranas.

Cadena de transporte de electrones fotosintética

En la fosforilación oxidativa, los electrones son transferidos desde un donador de electrones de alta energía a un aceptor a través de una cadena de transporte de electrones. En la fotofosforilación, la energía de la luz solar es usada para crear un donador de electrones altamente energético y un aceptor de esos electrones. Los electrones son transferidos desde el donador hasta el aceptor por una cadena de transporte totalmente diferente a la observada en las mitocondrias. La cadena de transporte de electrones fotosintética tiene varias similitudes con la cadena oxidativa. Tienen transportadores móviles, transportadores liposolubles y móviles, transportadores hidrosolubles y bombas de protones, que se encargan de generar el gradiente electroquímico.

QUIMICA Y VIDA COTIDIANA

Fermentación láctica

Fermentación láctica se llama al proceso celular donde se utiliza glucosa para obtener energía y donde el producto de desecho es el ácido láctico.

Este proceso lo realizan muchas bacterias (llamadas bacterias lácticas), algunos protozoos y ocurre en los tejidos animales, en ciertos protozoarios, hongos y bacterias. Un ejemplo de este tipo de fermentación es la acidificación de la leche . Ciertas bacterias(lactobacilos), al desarrollarse en la boba utilizan la lactosa(azúcar de leche) como fuente de energía. La lactosa, al fermentar, produce energía que es aprovechada por las bacterias y el ácido láctico es eliminado. La coagulación de la leche(cuajada) resulta de la precipitación de las proteínas de la leche, y ocurre por el descenso de pH debido a la presencia de ácido láctico. En ausencia de oxígeno, las células animales convierten el ácido pirúvico en ácido láctico. El ácido láctico puede ser un veneno celular. Cuando se acumula en las células musculares produce síntomas asociados con la fatiga muscular.

El ácido láctico tiene excelentes propiedades conservantes de los alimentos.

El ácido láctico (Del lat. lac, lactis, leche), también conocido por su nomenclatura oficial ácido 2-hidroxi-propanoico o ácido α-hidroxi-propanoico, es un compuesto químico que juega importantes roles en diversos procesos bioquímicos, como la fermentación láctica. Es un ácido carboxílico, con un grupo hidroxilo (dibujado en azul) en el carbono adyacente al grupo carboxilo (dibujado en rojo), lo que lo convierte en un ácido α-hidroxílico (AHA) de fórmula H3C-CH(OH)-COOH. En solución puede perder el protón y convertirse en el anión lactato.

El ácido láctico es un quirómero, por lo que posee dos isómeros ópticos. Uno es el dextrógiro ácido D-(-)-láctico o d-ácido láctico (en este caso, el ácido (R)-láctico]]; el otro es el levógiro ácido L-(+)-láctico o ℓ-ácido láctico (en este caso, ácido (S)-láctico), que es el que tiene importancia biológica. La mezcla racémica (cantidades idénticas de estos isómeros) se llama d,ℓ-ácido láctico.

El ácido láctico se produce mediante la fermentación láctica. En condiciones de ausencia de oxígeno (anaerobias), la fermentación responde a la necesidad de la célula de generar la molécula de NAD+, que ha sido consumida en el proceso energético de la glucólisis. En la glucólisis la célula transforma y oxida la glucosa en un compuesto de tres átomos de carbono, el ácido pirúvico, obteniendo dos moléculas de ATP; sin embargo, en este proceso se emplean dos moléculas de NAD+ que actúan como aceptores de electrones y pasan a la forma NADH. Para que puedan tener lugar las reacciones de la glucólisis que producen energía es necesario restablecer el NAD+ por otra reacción. Los dos tipos de fermentación que se ilustran aquí son particularmente importantes ya que, sus subproductos –ácido láctico en el primer caso y etanol en el segundo-, son utilizados en la industria alimentaria. La fermentación láctica también se verifica en el tejido muscular cuando, a causa de una intensa actividad motora, no se produce una aportación adecuada de oxígeno que permita el desarrollo de la respiración celular

Fermentación Alcohólica

La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico realizado por las levaduras, básicamente pero también lo pueden realizar algunas bacterias. De la fermentación alcohólica se obtienen muchos productos como: vino, cerveza, alcohol, chocolate, pan, etc.

Las levaduras son microorganismos unicelulares, que consiguen su energía por medio de la fermentación alcohólica, en la que rompen las moléculas de glucosa para obtener la energía para sobrevivir y producen el alcohol como consecuencia de la fermentación.

Cuando el medio es rico en azúcar, la transformación de la misma en alcohol hace que llegada una cierta concentración las levaduras no pueden sobrevivir en tal medio. Aunque hay distintos tipos de levaduras con diferentes tolerancias, el límite suele estar en torno a los 14 o de alcohol para las levaduras del vino, por ejemplo.

La fermentación alcohólica produce gran cantidad de CO2, que hace el pan esponjoso y hace que el champán tenga burbujas. Este CO2 pesa más que el aire, y puede llegar a crear bolsas sin oxígeno. Por ello es necesario ventilar bien los espacios dedicados a tal fin. En las bodegas de vino, por ejemplo, se suele ir con una vela, en caso de que la vela se apague, se sale inmediatamente de la bodega.

La fermentación alcohólica se conoce desde el comienzo de la historia en Mesopotamia, y se usaba, básicamente, para hacer pan, vino, y cerveza. En el antiguo Egipto le atribuían el descubrimiento a Osiris.

Tipos de fermentaciones alcohólicas

• Baja fermentación
• Alta fermentación

La baja fermentación se emplea en la elaboración de algunas cervezas (generalmente de color claro rubio, lager) con algunos matices dorados oscuros, y de marcado sabor a lúpulo. Se elaboran con malta de color claro por el método de cocción. La levadura de estas cervezas actúa a baja temperatura (en el intervalo que va de 6 a 10ºC) y pasan de 8 a 10 días tras los cuales se depositan en el fondo de la cuba. El nombre de esta fermentación se denomina baja debido a este efecto de precipitación.

Uso

Las cervezas de baja fermentación viene a ser las más corrientes. Las que se denominan cervezas “especiales” se suelen referir a las que contienen una mayor concentración de lúpulo o de alcohol, lo suficiente que no les deje de ser tipo “Pils”. En ciertos países con tradición cervecera este tipo de cervezas es la mayoría, por ejemplo el 75% de las cervezas belgas son de fermentación baja.

La fermentación alta se trata de una fermentación típica en la elaboración de algunas cervezas, se denomina así por producirse en la superficie exterior alta (del lat. altus). La fermentación se forma por los cultivos de la Saccharomyces cerevisiae, que suben a la parte superior del tanque de fermentación (cervezas “ale”).

Proceso

El proceso empieza alrededor de los 9ºC; la temperatura asciende unos pocos grados en la fermentación tumultuosa, y finalmente desciende alrededor de 5ºC en el enfriamiento. Al cabo de unos días comienza la fermentación de la cerveza lenta, que dura de quince a veinte días, según la fábrica y el tipo de cerveza;