El Agua

El Agua:  Fuente de Vida

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. Las semillas y las esporas pueden permanecer latentes por largos periodos hasta “revivir” por la reintroducción de agua.

Gran parte de la maquinaria metabólica de las células debe operar en un ambiente acuoso porque el agua es un solvente esencial y también un sustrato de numerosas reacciones celulares.

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.

La molécula de agua es polar: tiene forma de V  y el ángulo entre los dos enlaces covalentes O—H  es de 104.5°. El agua tiene  una distribución desigual de cargas dentro de cada enlace O—H en la molécula de agua, con el oxígeno teniendo una carga negativa parcial  y el hidrógeno con una carga positiva parcial. Esta distribución desigual de la carga dentro del enlace se llama dipolo y se dice que el enlace es polar. Para que sea una molécula soluble en agua debe ser semejante a ella, es decir el principio de que “lo semejante disuelve a lo semejante”.

Puentes de hidrógeno en el agua: existe atracción de cargas. 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”. El agua no es la única molécula capaz de formar puentes de hidrógeno.

Hay otras dos propiedades del agua que se relacionan con sus característicos puentes de hidrógeno: su calor específico y su calor de evaporación.

·         El agua es un solvente excelente: el agua posee una viscosidad intrínseca que no impide mucho el movimiento de las moléculas disueltas en ella. El pequeño tamaño de las moléculas de agua determina que muchas de ellas puedan asociarse con partículas de soluto y hacerlas más solubles.

·         Las sustancias iónicas y polares se disuelven en agua: Las moléculas que se pueden disociar y formar iones se llaman electrólitos. Las sustancias que se disuelven con facilidad en agua se llaman hidrofílicas o amantes del agua.

·         Los electrólitos no son las únicas sustancias hidrofílicas que son solubles en agua. Toda molécula polar también exhibirá una tendencia a solvatarse por moléculas de agua. Además, la solubilidad de muchas moléculas orgánicas aumenta por la formación de puentes de hidrógeno con las moléculas de agua. Al aumentar la cantidad de grupos polares en una molécula orgánica, se incrementa su solubilidad en el agua.

·         Concentraciones celulares y difusión: Los choques con moléculas de agua inhiben la difusión a causa de un efecto que se denomina hacinamiento molecular. Es la principal razón por la que se desacelera la difusión en el citoplasma.
        Presión osmótica: La presión necesaria para evitar este flujo de solvente se llama presión osmótica. Las moléculas de agua tienen a atravesar la membrana celular para entrar a la célula y diluir la solución en el interior de esta.

·         Las sustancias no polares son insolubles en agua ya que estas no son semejantes a ella. 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.

·         Interacciones no covalentes: las fuerzas débiles son las responsables de estabilizar las estructuras de las proteínas y de los ácidos nucleicos. Existen cuatros enlaces o fuerzas débiles que son:

1.       Interacciones carga-carga: son interacciones electrostáticas entre dos partículas cargadas.

2.       Puentes de hidrógeno.

3.       Fuerzas de van der Waals: a las interacciones entre los dipolos permanentes de dos enlaces polarizados sin carga, o las interacciones entre un dipolo permanente y un dipolo transitorio, inducido en una molécula vecina. Esas fuerzas son de corto alcance.

4.       Interacciones hidrofóbicas: La asociación de una molécula o grupo relativamente no polar con otras moléculas no polares.

·         El agua es nucleofílica: A las sustancias ricas en electrones se les llama nucleófilos (“amantes” del núcleo) porque buscan especies con carga positiva, o con deficiencia en electrones, llamadas electrófilos (“amantes” del electrón). Los nucleófilos pueden tener carga negativa o contar con pares no compartidos de electrones.

·         Ionización del agua: al tener baja concentración de iones hidronio y una concentración igual de iones hidróxido. Los iones hidronio e hidróxido forman por un ataque nucleofílico del oxígeno contra uno de los protones en una molécula adyacente de agua.

H2O↔  H⁺+ OH¯

·         La escala de pH: En el agua pura, [H⁺] = [OH^-] = 1.0 x 10^7 M. Se dice que el agua pura es “neutra”. Las soluciones neutras tienen un valor de pH igual a 7.0 porque el valor negativo del log (10^-7) es 7.0.

·         Constantes de disociación de ácidos débiles: Los ácidos y bases que se disocian por completo en agua son los ácidos y bases fuertes. Y los que no se disocian por completo son ácidos y bases débiles. 

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