EL AGUA Y SUS PROPIEDADES
El agua
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 la mayor parte de las formas vivas es agua.
En las
medusas, puede alcanzar el 98% del volumen del animal y en la lechuga, el 97%
del volumen de la planta. Estructuras como el líquido interno de animales o
plantas, embriones o tejidos conjuntivos suelen contener gran cantidad de agua.
Otras estructuras, como semillas, huesos, pelo, escamas o dientes poseen poca
cantidad de agua en su composición.
El agua
fue además el soporte donde surgió la vida. Molécula con un extraño
comportamiento que la convierte en una sustancia diferente a la mayoría de los
líquidos, posee unas extraordinarias propiedades físicas y químicas que
son 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.
Estructura 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 (como
un imán molecular).
Así se establecen
interacciones 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, son responsables en gran parte de su comportamiento
anómalo como líquido y de la peculiaridad de sus propiedades fisicoquímicas.
Propiedades del agua
a) Acción
disolvente
El agua
es el líquido que más sustancias disuelve, por eso decimos que es el disolvente
universal. Esta propiedad, muy importante para la vida, se debe a la polaridad
de la molécula de agua y su capacidad para interaccionar con otras sustancias
que presenten grupos polares o con carga iónica (alcoholes, azúcares con grupos
-OH, aminoácidos y proteínas con grupos que presentan cargas positivas y
negativas), lo que da lugar a disoluciones moleculares. También las
moléculas de agua pueden disolver sustancias salinas que se disocian formando disoluciones
iónicas.
En el
caso de las disoluciones iónicas, 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:
ü Ser el medio donde ocurren las
reacciones del metabolismo.
ü Servir como sistema de
transporte.
b)
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 incompresible.
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.
c)
Elevada fuerza de adhesión
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 (tubo muy delagado) 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.
d) Alta
tensión superficial
Las
moléculas de agua, como se ha visto, están muy cohesionadas por acción de los puentes
de hidrógeno. Esto produce una película de agua en la zona de contacto del
agua con el aire, que cuesta relativamente de romper.
Esto es
utilizado por algunos organismos para desplazarse por la superficie del agua
sin hundirse.
e) 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 puentes de hidrógeno 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.
f)
Elevado calor de vaporización
Sirve el
mismo razonamiento, también los puentes de hidrógeno 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.
g) La
“irregularidad” en la densidad del agua
En estado
líquido, el agua es más densa que en estado sólido. Por ello, el hielo flota
en el agua. Esto es debido a que los puentes de hidrógeno formados a
temperaturas bajo cero unen a las moléculas de agua ocupando mayor volumen.
h) Bajo grado de ionización
La mayor parte de las moléculas de agua no están disociadas. Sólo un
reducido número de moléculas sufre disociación, generando iones positivos (H+)
e iones negativos (OH-). En el agua pura, a 25ºC, sólo una molécula
de cada 10.000.000 está disociada, por lo que la concentración de H+
es de 10-7. Por esto, el pH del agua pura es igual a 7
(neutro). Más adelante se ampliará este punto.
H2O H3O+
+ OH-
Funciones del agua
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.
Ionización del agua
Disociación
del agua
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+)
· Iones hidroxilo (OH-)
En
realidad esta disociación es muy débil en el agua pura, y así el producto
iónico del agua a 25º es:
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
esto:
· Disolución neutra pH
= 7
· Disolución ácida pH < 7
· Disolución básica pH
> 7
En
general hay que decir que la vida se desarrolla a valores de pH próximos a la
neutralidad.
Los
organismos vivos no soportan variaciones del pH mayor 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 conjugado
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 ion 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.
Ósmosis
a)
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 produce 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).
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.
A
continuación vemos los efectos que producen los procesos osmóticos sobre un
glóbulo rojo cuando se introduce en diferentes concentraciones salinas:
Cuando
las concentraciones de los fluidos extracelulares e intracelulares son igual,
ambas disoluciones son isotónicas.
Si los
líquidos extracelulares aumentan su concentración de solutos se hacen hipertónicos
respecto a la célula, y ésta pierde agua, se deshidrata y mueren (plasmólisis).
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 (turgencia), llegando incluso a estallar.
b)
Difusión y 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.
Así se
realizan los intercambios de gases y de algunos nutrientes entre la célula y el
medio en el que vive.
