El agua

La importancia biológica del agua.

La vida en la Tierra se suele describir como un fenómeno basado en el carbono, pero sería igualmente correcto llamarlo un fenómeno basado en el agua. En la mayor parte de las células el agua es la molécula más importante y forma de 60 a 90% de su masa, aunque hay pocas excepciones, como las semillas y las esporas, de las cuales se expulsa el agua. La bioquímica es importante comprender al agua y sus propiedades. Los componentes macromoleculares de las células —proteínas, polisacáridos, ácidos nucleicos y membranas— asumen sus formas características como respuesta al agua.

Este estudio detallado de la química de la vida comenzará examinando las propiedades del agua. Sus propiedades físicas le permiten funcionar como solvente de sustancias iónicas y polares, mientras que sus propiedades químicas condicionan que forme enlaces débiles con otros compuestos, incluso otras moléculas de agua. Las propiedades químicas del agua se relacionan también con las funciones de las macromoléculas, de las células y de los organismos completos

La molécula de agua es polar

La molécula de agua (H2O) tiene forma de V (figura 2.1a) y el ángulo entre los dos enlaces covalentes O—H es de 104.5°. Algunas propiedades importantes del agua se deben a la forma angulada y a los enlaces intermoleculares que puede formar. Un átomo de oxígeno tiene ocho electrones y su núcleo cuenta con ocho protones y ocho neutrones.

Hay dos electrones en la capa interna y seis en la capa externa de este átomo. La capa externa presenta el potencial de contener cuatro pares de electrones en un orbital s tres orbitales p. Sin embargo, la estructura y las propiedades del agua se pueden explicar mejor si se supone que los electrones de la capa externa ocupan cuatro orbitales híbridos sp3.

La polaridad de una molécula depende tanto de la polaridad de sus enlaces covalentes como de su geometría. La disposición angulada de los enlaces polares O—H del agua produce un dipolo permanente para toda la molécula.

Puentes de hidrógeno en el agua.

Una de las consecuencias importantes de la polaridad de la molécula de agua es que dichas moléculas se atraen entre sí. La atracción entre uno de los átomos de hidrógeno, ligeramente positivo, de una molécula de agua y los pares de electrones parcialmente negativos en uno de los orbitales híbridos sp3, produce un “puente de hidrógeno”.

En un puente de hidrógeno entre dos moléculas de agua, el átomo de hidrógeno permanece enlazado covalentemente a su átomo de oxígeno que es el donador de hidrógeno. Al mismo tiempo, está unido a otro átomo de oxígeno, llamado aceptor de hidrógeno. De hecho, el átomo de hidrógeno está compartido (en forma desigual) entre los dos átomos de oxígeno. La distancia del átomo de hidrógeno al átomo de oxígeno aceptor tiene más o menos una longitud del doble que la del enlace covalente.

Los puentes de hidrógeno, la orientación es importante. Un puente de hidrógeno es más estable cuando el átomo de hidrógeno y los dos átomos electronegativos asociados a él (los dos átomos de oxígeno, en el caso del agua) forman casi una línea recta.

La capacidad que tienen las moléculas de agua en el hielo para formar cuatro puentes de hidrógeno y la fuerza de éstos determinan que el hielo presente un punto de fusión anormalmente alto.

La densidad de la mayor parte de las sustancias aumenta al congelarse, cuando se desacelera el movimiento molecular y se forman cristales densamente empacados. La densidad del agua líquida aumenta también a medida que se enfría, hasta que llega a un máximo de 1.000 g ml1 a 4°C (277 K).

Hay otras dos propiedades del agua que se relacionan con sus característicos puentes de hidrógeno: su calor específico y su calor de evaporación. El calor específico de sustancia es la cantidad de calor necesario para elevar 1°C la temperatura de 1 gramo de la sustancia. A esta propiedad también se le llama capacidad calorífica o capacidad térmica. Se requiere una cantidad relativamente grande de calor para aumentar la temperatura del agua porque cada molécula de agua participa en varios puentes de hidrógeno que deben romperse para que aumente la energía cinética de las moléculas de agua. Esta propiedad tiene importancia biológica crítica ya que las velocidades de la mayor parte de las reacciones bioquímicas son sensibles a la temperatura.

Concentraciones celulares y difusión

El comportamiento de los solutos en el citoplasma es distinto del que tienen en una sencilla solución en agua. Una de las diferencias más importantes es la reducción de la velocidad de difusión dentro de las células. Hay tres razones por las que los solutos se disuelven con más lentitud en las células.

1. La viscosidad del citoplasma es mayor que la del agua, lo que se debe a la presencia de numerosos solutos, como los azúcares.

2. Las moléculas con carga se enlazan momentáneamente entre sí dentro de las células y ello restringe su movilidad.

3. Los choques con moléculas de agua inhiben la difusión a causa de un efecto que se denomina hacinamiento molecular.

Para las moléculas grandes, como las de proteínas, la tasa de difusión en el citoplasma disminuye hasta a 5-10% de la velocidad en agua. Esta desaceleración se debe en gran parte al hacinamiento molecular.

Presión osmótica

Si una membrana permeable al solvente separa a dos soluciones que contienen concentraciones distintas de sustancias disueltas, o solutos, las moléculas del solvente se difundirán desde la solución menos concentrada hacia la más concentrada en un proceso llamado ósmosis. La presión necesaria para evitar este flujo de solvente se llama presión osmótica. La presión osmótica de una solución depende de la concentración molar total del soluto y no de su naturaleza química.

       Las sustancias no polares son insolubles en agua

Los hidrocarburos y otras sustancias no polares presentan una solubilidad muy baja en agua porque las moléculas de agua tienden a interactuar con otras moléculas de agua y no con moléculas no polares.

Se dice que las moléculas no polares son hidrofóbicas (que “odian” al agua) y a este efecto de exclusión de sustancias no polares por parte del agua se le llama efecto hidrofóbico. El efecto hidrofóbico es crítico para el plegamiento de las proteínas y el autoensamblaje de las membranas biológicas.

Las principales interacciones no covalentes que determinan la estructura y la función de las biomoléculas son las interacciones electrostáticas y las hidrofóbicas. Las interacciones electrostáticas incluyen las interacciones carga-carga, los puentes de hidrógeno y las fuerzas de van der Waals.

La acidez o basicidad de una solución acuosa depende de la concentración de H+, y se describe con un valor de pH.

 La fuerza de un ácido débil se indica por el valor del pKa. La ecuación de Henderson-Hasselbalch define el pH de una solución de ácido débil en términos del pKa y de las concentraciones del ácido débil y de su base conjugada.

Las soluciones amortiguadoras resisten los cambios de pH. En la sangre humana el sistema amortiguador de dióxido de carbono-ácido carbónico-bicarbonato mantiene un pH constante de 7.4.