El
agua: La vida se apoya en su comportamiento
anormal
El agua, una molécula simple y extraña,
puede ser considerada como el líquido de la vida. Es la sustancia
más abundante en la biosfera, dónde
la encontramos en sus tres estados y es además el componente mayoritario
de los seres vivos, pues entre el 65 y el 95% del peso de de la mayor parte de
las formas vivas es agua.
El agua fue además el soporte donde surgió
la vida. Molécula con un extraño comportamiento que la convierten
en una sustancia diferente a la mayoría de los líquidos, posee una
manifiesta reaccinabilidad y posee unas extraordinarias propiedades físicas
y químicas que van a ser responsables de su
importancia biológica.
Durante la evolución de la vida, los organismos se han adaptado al ambiente
acuoso y han desarrollado sistemas que les permiten aprovechar las inusitadas
propiedades del agua.
La molécula de agua está formada por
dos átomos de H unidos a un átomo de O por medio de dos enlaces
covalentes. La disposición tetraédrica de los orbitales sp3
del oxígeno determina un ángulo entre los enlaces H-O-H
aproximadamente
de 104'5º, además el oxígeno es más electronegativo
que el hidrógeno y atrae con más fuerza a los electrones de cada
enlace.
El resultado es que la molécula
de agua aunque tiene una carga total neutra (igual número de protones
que de electrones ), presenta una distribución asimétrica de sus
electrones, lo que la convierte en una molécula polar,
alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa
, mientras que los núcleos de hidrógeno quedan desnudos,
desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad
de carga positiva.
Por eso en la práctica la molécula
de agua se comporta como un dipolo
Fig.4 | 
Fig.5 |
Así se establecen interacciones
dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua, formándose
enlaces o puentes de hidrógeno, la carga
parcial negativa del oxígeno de una molécula ejerce atracción
electrostática sobre las cargas parciales positivas de los átomos
de hidrógeno de otras moléculas adyacentes.
Aunque son uniones
débiles, el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan
otras cuatro molécula unidas por puentes de hidrógeno permite que
se forme en el agua (líquida o sólida) una estructura
de tipo reticular, responsable en gran parte de su comportamiento anómalo
y de la peculiaridad de sus propiedades físicoquímicas.
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1. Acción disolvente
- El agua es el líquido que más sustancias disuelve, por eso decimos
que es el disolvente universal. Esta propiedad, tal vez la más
importante para la vida, se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno
con otras sustancias que pueden presentar grupos polares o con carga iónica
( alcoholes, azúcares con grupos R-OH , aminoácidos y proteínas
con grupos que presentan cargas + y - , lo que da lugar a disoluciones
moleculares Fig.7. También las moléculas de agua
pueden disolver a sustancias salinas que se disocian formando disoluciones
iónicas.(Fig.6)
Fig.6 |
Fig.7 |
En el caso de las disoluciones iónicas (fig.6) los iones
de las sales son atraídos por los dipolos del agua, quedando "atrapados"
y recubiertos de moléculas de agua en forma de iones hidratados o
solvatados.
La capacidad disolvente es la responsable de dos
funciones : - Medio donde ocurren las reacciones
del metabolismo
- Sistemas de transporte
2.
Elevada fuerza de cohesión - Los puentes de hidrógeno
mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura
compacta que la convierte en un líquido casi incomprensible.
Al no poder comprimirse puede funcionar en algunos animales como un esqueleto
hidrostático, como ocurre en algunos gusanos perforadores capaces de
agujerear la roca mediante la presión generada por sus líquidos
internos.
3. Elevada fuerza de adhesión
-
Fig.8 | Esta fuerza está también en relación
con los puentes de hidrógeno que se establecen entre las
moléculas de agua y otras moléculas polares y es responsable, junto
con la cohesión del llamado fenómeno de la
capilaridad. Cuando se introduce un capilar (Fig.8) en un recipiente
con agua, ésta asciende por el capilar como si trepase agarrándose
por las paredes, hasta alcanzar un nivel superior al del recipiente, |
donde la presión que ejerce la columna de agua , se equilibra con
la presión capilar. A este fenómeno se debe en parte la ascensión
de la savia bruta desde las raíces hasta las hojas, a través
de los vasos leñosos.
3. Gran calor
específico - También esta propiedad está en
relación con los puentes de hidrógeno que se forman entre las moléculas
de agua. El agua puede absorber grandes cantidades de "calor" que utiliza para
romper los p.de h. por lo que la temperatura se eleva muy lentamente. Esto permite
que el citoplasma acuoso sirva de protección ante los cambios
de temperatura. Así se mantiene la temperatura constante .
4. Elevado calor de vaporización - Sirve
el mismo razonamiento, también los p.de h. son los responsables de esta
propiedad. 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 20º C.
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Las funciones del agua
se relacionan íntimamente con las propiedades
anteriormente descritas. Se podrían resumir en los siguientes puntos
- Soporte o medio donde ocurren las reacciones metabólicas
- Amortiguador térmico
- Transporte de
sustancias
- Lubricante, amortiguadora del roce entre órganos
- Favorece la circulación y turgencia
- Da flexibilidad
y elasticidad a los tejidos
- Puede intervenir como reactivo en
reacciones del metabolismo, aportando hidrogeniones
o hidroxilos al medio.
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Disociación del agua
Fig.9 |
El agua pura tiene la capacidad
de disociarse en iones, por lo que en realidad se puede considerar una mezcla
de : - agua molecular (H2O )
- protones hidratados
(H3O+ ) e
- iones hidroxilo (OH-)
En realidad
esta disociación es muy débil en el agua pura, y así el producto
iónico del agua a 25º es
Aquí
puedes ver el proceso en un gif animado.
Este producto iónico es constante. Como en el agua pura la
concentración de hidrogeniones y de hidroxilos es la misma, significa que
la concentración de hidrogeniones es de 1 x 10 -7. Para simplificar
los cálculos Sorensen ideó expresar dichas concentraciones
utilizando logaritmos, y así definió el pH como el
logaritmo cambiado de signo de la concentración de hidrogeniones. Según
ésto:
- disolución neutra pH = 7
- disolución
ácida pH < 7
- disolución básica
pH > 7
En la figura 10 se señala el pH de algunas soluciones.
En general hay que decir que la vida se desarrolla a valores de pH próximos
a la neutralidad.
Figura 10 |
Los organismos vivos no soportan
variaciones del pH mayores de unas décimas de unidad y por eso han
desarrollado a lo largo de la evolución sistemas de tampón
o buffer, que mantienen el pH constante mediante mecanismos homeostáticos.
Los sistemas tampón consisten en un par ácido-base conjugada
que actúan como dador y aceptor de protones respectivamente.
El tampón
bicarbonato es común en los líquidos intercelulares, mantiene
el pH en valores próximos a 7,4, gracias al equilibrio entre el ión
bicarbonato y el ácido carbónico, que a su vez se disocia
en dióxido de carbono y agua:
Si aumenta la concentración de hidrogeniones en el medio
por cualquier proceso químico, el equilibrio se desplaza a la derecha y
se elimina al exterior el exceso de CO2 producido.
Si por el contrario disminuye la concentración de hidrogeniones del medio,
el equilibrio se desplaza a la izquierda, para lo cual se toma CO2
del medio exterior.
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1.
Ósmosis y presión osmótica - Si tenemos dos
disoluciones acuosas de distinta concentración separadas por una
membrana semipermeable (deja pasar el disolvente pero no
el soluto ), se pruduce el fenómeno de la ósmosis
que sería un tipo de difusión
pasiva caracterizada por el paso del agua ( disolvente ) a través de
la membrana semipermeable desde la solución más diluida
( hipotónica ) a la más concentrada (hipertónica
), este trasiego continuará hasta que las dos soluciones tengan la misma
concentración ( isotónicas o isoosmóticas ).
Figura
11 |
Y se entiende por presión osmótica
la presión que sería necesaria para detener el flujo de agua a través
de la membrana semipermeable. La membrana
plasmática de la célula puede considerarse como semipermeable,
y por ello las células deben permanecer en equilibrio osmótico
con los líquidos que las bañan.
Figura
12 |
Cuando las concentraciones de los fluidos
extracelulares e intracelulares es igual , ambas disoluciones son isotónicas.
Si los líquidos extracelulares aumentan su concentración de solutos
se hacer hipertónicos respecto a la célula, y ésta
pierde agua, se deshidrata y mueren (plamólisis).
Y si por el
contrario los medios extracelulares se diluyen, se hacen hipotónicos
respecto a la célula, el agua tiende a entrar y las células se hinchan,
se vuelven turgentes ( turgescencia ), llegando incluso a estallar.
(Figura 12).
2. La difusión y
la diálisis - Los líquidos presentes en los organismos
son dispersiones de diversas sustancias en el seno del agua. Según
el tamaño de las partículas se formarán dispersiones moleculares
o disoluciones verdaderas como ocurre con las que se forman con las sales
minerales o por sustancias orgánicas de moléculas pequeñas,
como los azúcares o aminoácidos.
Figura
13 | Las partículas dispersas pueden provocar además
del movimiento de ósmosis , estos otros dos:
La diálisis.
En este caso pueden atravesar la membrana además del disolvente, moléculas
de bajo peso molecular y éstas pasan atravesando la membrana desde la solución
más concentrada a la más diluida. (Figura 13). Es el fundamento
de la hemodiálisis que intenta sustituir la filtración
renal deteriorada.
La difusiónsería el fenómeno
por el cual las moléculas disueltas tienden a distribuirse uniformemente
en el seno del agua. Puede ocurrir también a través de una membrana
si es lo suficientemente permeable. |
Así se realizan los
intercambios de gases y de algunos nutrientes entre la célula y el medio
en el que vive.
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Además
del agua existe otras biomoléculas inorgánicas como las sales
minerales. En función de su solubilidad en agua se distinguen dos tipos:
insolubles y solubles en agua. - Sales insolubles en
agua.
- Forman estructuras sólidas, que suelen tener función
de sostén o protectora, como :
- Esqueleto interno de vertebrados,
en el que encontramos : fosfatos, cloruros, y carbonatos de calcio
- Caparazones de carbonato cálcico de crustáceos y moluscos.
- Endurecimiento de células vegetales, como en gramíneas
(impregnación con sílice).
- Otolitos del oído interno,formados
por cristales de carbonato cálcico (equilibrio).
- Sales solubles
en agua.
- Se encuentran disociadas en sus iones (cationes y aniones
) que son los responsables de su actividad biológica. Desempeñan
las siguientes funciones:
- Funciones catalíticas. Algunos
iones, como el Cu+, Mn2+, Mg2+,
Zn+,...actúan como cofactores
enzimáticos
- Funciones osmóticas. Intervienen
en los procesos relacionados con la distribución de
agua entre el interior celular y el medio donde vive esa célula. Los iones
de Na, K, Cl y Ca, participan en la generación de gradientes electroquímicos,
imprescindibles en el mantenimiento del potencial de membrana y del potencial
de acción y en la sinapsis neuronal.
- Función tamponadora.
Se lleva a cabo por los sistemas carbonato-bicarbonato,
y también por el monofosfato-bifosfato.
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