1.2. El agua

1.2. El agua

La vida, en la forma en que la conocemos, depende para su existencia de la presencia de agua, y ella constituye la mayor parte la composición de los seres vivos.

Pero el porcentaje de agua no es el mismo en todos los vivos. Atendiendo a las especies, el contenido oscila en relación a las partes duras o esqueléticas que presenta el organismo.

El porcentaje de agua varía también en función de la edad del organismo; en el caso del ser humano, cuyo contenido medio, 63 %, tiene en la niñez un 78 %, y en la ancianidad ese contenido baja a un 60 %.

La variación más importante en el contenido en agua de los seres vivos está en función de la actividad biológica que desarrollan  las células. Así, las esporas y semillas, que están en estado latente, con escasísima actividad metabólica, contienen un 10 % agua; el tejido óseo de un adulto tiene un 22 % de agua, y el tejido nervioso, que presenta una gran actividad biológica, tiene un alto contenido en agua.

El agua se distribuye en el organismo en medios intracelulares e intercelulares, o en fluidos circulantes como sangre y la linfa.

Se puede obtener el agua directamente del medio ambiente (agua exógena) o generarla a partir de otras moléculas mediante diferentes reacciones bioquímicas (agua endógena o metabólica).

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1.2.1. Estructura.

La molécula del agua está formada por dos átomos de hidrógeno  unidos a un átomo de oxígeno mediante sendos enlaces covalentes polares.

Molécula de agua

A pesar de ser eléctricamente neutra (su carga total es cero) la molécula de agua es dipolar, ya que posee una región electropositiva y otra electronegativa. Esto es debido a que el átomo de oxígeno al ser más electronegativo que el átomo de hidrógeno, atrae con más fuerza a los electrones compartidos de cada enlace. Por tanto, el enlace O-H está polarizado, apareciendo una densidad de carga negativa (-) en el oxígeno y una densidad de carga positiva (+) en el hidrógeno, mostrándose como un dipolo permanente cuyo polo negativo apunta al átomo de oxígeno y cuyo polo positivo se encuentra sobre la bisectriz del ángulo formado por los enlaces O-H.

Estructura  de la molécula de agua

La geometría triangular que posee la molécula de agua, de manera que los átomos de hidrógeno forman respecto al oxigeno un ángulo de 104,5º es consecuencia de que el oxigeno tiene cuatro electrones más sin compartir.

        La estructura dipolar de la molécula de agua hace que éstas puedan atraerse entre sí, porque el oxígeno de una molécula puede interaccionar con el hidrógeno de otra estableciendo lo que se denomina enlace o puente de hidrógeno, que es una interacción débil en comparación con un enlace covalente o iónico, pero que tiene una energía mayor que otras interacciones débiles entre átomos.

        Una molécula de agua puede llegar a formar hasta cuatro puentes de hidrógeno con otras moléculas, por lo que en el agua líquida se forma una extensa red o malla mantenida por estos enlaces, que están continuamente formándose y rompiéndose pues la duración de estos enlaces  es menor de una millonésima de segundo. Pero cuando el agua se congela, estos enlaces se hacen permanentes, y el agua adquiere una estructura cristalina fija que ocupa un mayor volumen que la malla oscilante del agua líquida y por eso la densidad del hielo es menor que la del agua líquida.

Asociación de moléculas de agua mediante puentes de hidrógeno

Cuando esta estructura se mantiene formando esta especie de red o retículo es porque se ha hecho hielo.

1.2.2. Propiedades físico-químicas.

La estructura de la molécula de agua determina en gran medida su idoneidad para la vida. Entre las propiedades del agua se pueden citar:

• Elevado calor específico (capacidad de almacenar energía calorífica para un aumento determinado de la temperatura, equivalente a 1000 cal/ºC/l), ya que los enlaces de hidrógeno son abundantes.

• Elevado calor de vaporización: A 100°C se necesitan 540 calorías para elevar en un grado la temperatura de un gramo de agua de modo que supere el punto de ebullición y se convierta en vapor.

• En estado líquido de 0 a 100 grados que permite un amplio margen para distintas formas de vida.

• Gran cohesión entre sus moléculas que hacen que el agua sea casi incompresible. 

• Su polaridad y su constante dieléctrica (tendencia a disminuir las atracciones interiónicas), que provoca la separación de los compuestos iónicos en iones individuales rodeados por moléculas de agua (solvatados).

La constante dieléctrica del agua facilita su acción disolvente al debilitar las uniones iónicas entre las sales como el cloruro sódico.

• Comportamiento anómalo por debajo de 4 °C, esto determina la formación de una estructura estable de las moléculas del agua al separarse y mantenerse unidas mediante enlaces de hidrógeno. A la temperatura de solidificación del agua, O °C, se forma una especie de retículo espacial, con lo que disminuye su densidad y hace que el hielo flote sobre el agua líquida y proteja a los organismos acuáticos.

• Elevada tensión superficial: a causa de la unión entre las moléculas del agua forman una película que impide el hundimiento de algunos objetos, como, por ejemplo, los seres vivos que caminan sobre el agua.

Tensión superficial

• Bajo grado de ionización. El producto iónico del agua a 25 grados es:

[H⁺] [OH^-] =1x10^-14; el pequeño volumen del átomo de hidrógeno y su atracción por el oxígeno dificulta la ionización.

1.2.3. Funciones biológicas.

 Las propiedades del agua, que dependen de la estructura de su molécula, determinan el papel fundamental del agua en los seres vivos. Entre sus funciones destacaremos:

• Gran capacidad disolvente para sustancias polares como ácidos, bases y sales y para las sustancias orgánicas que presentan una acusada polaridad como los glúcidos. Las sustancias solubles en agua se denominan hidrofílicas, mientras que las moléculas insolubles en agua, como las grasas, se llaman hidrofóbicas. Hay sustancias constituidas por grupos hidrofílicos y grupos hidrofóbicos, a estas moléculas se llaman anfipáticas.
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• El agua actúa como amortiguador térmico . Los enlaces de hidrógeno entre las moléculas del agua tienden a dificultar su movimiento, de modo que para una determinada cantidad de calor la temperatura del agua sube o baja muy lentamente; esto tiene suma importancia para los seres que viven en el agua y en general para todas las células, pues se impiden cambios bruscos de temperatura en el medio celular y extracelular, aunque se produzca un cambio apreciable en su entorno. El elevado calor específico del agua y su elevado calor de vaporización (el sudor y las esencias resultan refrescantes al evaporarse) permiten a los seres vivos tener una temperatura interna constante y que se lleven a cabo muchas de las reacciones orgánicas que tienen lugar en un corto intervalo de temperatura. 

• Actúa como transportador de sustancias tanto alimenticias como de desecho, dentro del organismo y entre éste y su medio; conviene destacar la función transportadora del agua como componente mayoritario de la savia en las metafitas y de los fluidos como linfa y sangre de los metazoos. 

• Aporta flexibilidad y elasticidada los seres vivos, a la vez que actúa como lubricante amortiguando el roce entre los órganos (recordar la importancia del líquido sinovial en las articulaciones}. 

• Favorece la circulación y la turgencia en los seres vivos a causa de la capilaridad, que facilita el ascenso de los líquidos por tubos muy finos y superficies próximas, y la imbibición al absorber agua e hincharse ciertas sustancias. Los fenómenos de capilaridad tienen vital importancia en el ascenso de la savia por los tubos conductores de las plantas y en el inicio de la germinación de las semillas.

Debido a que las fuerzas de atracción entre las moléculas de agua y el vidrio son mayores que las de las moléculas de agua entre sí, el líquido asciende por las paredes del capilar.

• Facilita la estabilidad del pH en el medio orgánico, dado su bajo grado de ionización al mantener un equilibrio químico dinámico porque se contrarrestan la tendencia a ionizarse las moléculas del agua con la tendencia a reunirse:

                                                2H₂O « H₃O⁺  + OH^- 

• Elagua interviene en muchas reacciones metabólicas fundamentales como la hidrólisis, la fotosíntesis y la respiración. Se puede afirmar que muchas de las propiedades biológicas de macromoléculas celulares, como proteínas y ácidos nucleicos, se deben a sus interacciones con las moléculas del agua presente en el medio que las rodea.

En el siguiente cuadro podemos ver de forma resumida las funciones biológicas del agua y su relación con las propiedades:

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1.2.4. Disoluciones acuosas de sales minerales.

 En los seres vivos el estado líquido está constituido por dispersiones de muchos tipos de moléculas dispersas o solutos y un solo tipo de fase dispersante o disolvente, que es el agua.

Los solutos pueden ser de bajo peso molecular (se denominan cristaloides) como, por ejemplo, el cloruro sódico (PM = 58,5) y la glucosa (PM = 180); o pueden ser de elevado peso molecular del orden de varios miles (se denominan coloides), como, por ejemplo, las proteínas de tipo albúmina (PM entre 30.000 y 100.000). Las dispersiones de solutos de bajo peso molecular se denominan disoluciones verdaderas o simplemente disoluciones, y las de elevado peso molecular se denominan dispersionescoloidales.

Existen también dispersiones coloidales hidrófobas, en las que las partículas dispersas no son afines al agua; pero estas dispersiones no son estables, sino que las partículas dispersas tienden a reunirse y formar una fase separada del agua. Las dispersiones hidrófobas pueden estabilizarse formando las llamadas emulsiones cuando actúan sustancias que impiden la unión entre partículas dispersas. Así están presentes las grasas en la leche, y son algunas proteínas las que estabilizan la emulsión.

En las disoluciones, las sales minerales  solubles en agua, se encuentran disociadas en sus iones  y forman parte  de los medios internos intracelulares y extracelulares.

-  Los iones con carga negativa o aniones más frecuentes en la materia viva son: los cloruros (Cl^-), los fosfatos (PO₄^3-), los fosfatos monoácidos (HPO₄^2-), los carbonatos (CO₃ ^2-), los bicarbonatos (HCO₃^-) y los nitratos (NO₃^-).

-  Los iones con carga positiva o cationes más abundantes en la materia viva son: el sodio (Na⁺), el calcio (Ca²⁺), el magnesio (Mg²⁺), el hierro (Fe²⁺ y Fe³⁺) y el potasio (K⁺).

Las sales minerales hidrosolubles, a través de sus iones, cumplen diversas funciones de tipo general, colaborando en el mantenimiento de la homeostasis o equilibrio del medio interno, o de tipo específico, que dependen del sistema biológico en el que se encuentran. Además pueden asociarse con otras moléculas orgánicas, como lípidos, proteínas o glúcidos.

Algunas funciones  de las sales solubles son:

·              Regulación del equilibrio ácido-base.

 Elagua pura posee la capacidad de disociarse en iones, lo que hace que en realidad sea una mezcla de tres especies: agua molecular (H₂O), protones hidratados (H₃O⁺) e iones hidroxilo (OH^-).

2 H₂O    «    H₃O⁺ + OH^-

Esta disociación es muy débil en el agua pura, y el producto iónico a 25° C es:

Kw = [H⁺] [OH^-]= 1,0 x 10^-14

Este producto iónico es constante, lo cual significa que un incremento en la concentración de uno de los iones supondría una disminución en la concentración del otro, para mantener constante el producto mencionado.

Como en el agua pura la concentración de hidrogeniones y de hidroxilos es la misma, eso significa que la concentración de hidrogeniones es de 1,0 x 10^-7.

Cuando el agua contiene cualquier sustancia disuelta, puede alterarse la concentración de hidrogeniones, y entonces se utilizan los términos de acidez y alcalinidad. Una disolución acuosa es ácida cuando la concentración de hidrogeniones es mayor de 1,0 x 10^-7; es alcalina cuando la concentración de hidrogeniones es menor de 1,0 x 10^-7, y es neutra cuando la concentración de hidrogeniones es 1,0 x 10^-7.

Para simplificar los cálculos y las notaciones, Sorënsen 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 alcalina o básica: pH > 7

Escala del pH de algunos fluidos biológicos y algunas sustancias no biológicas.

En general, hay que decir que la vida se desarrolla a valores de pH próximos a la neutralidad.

En los organismos es conveniente que el pH de sus fluidos no cambie bruscamente, pues eso podría ocasionar el cambio de estructura de muchas biomoléculas o la alteración de muchas reacciones químicas. Para ello, en las soluciones acuosas de los seres vivos están presentes los llamados sistemas tampón o amortiguadores de pH.

Dichos sistemas se basan en las propiedades de los ácidos débiles, o sea, ácidos que no se disocian totalmente, de manera que a un intervalo de pH determinado actúan como dadores o aceptores de hidrogeniones sin que cambie apenas el pH del medio.

Entre los tampones más comunes en los seres vivos, podemos citar el tampón bicarbonato y el tampón fosfato.

El tampón bicarbonato es común en los líquidos intercelulares. Mantienen 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:

HCO₃^- + H⁺     «    H₂CO₃     «   CO₂ + H₂O

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 del organismo el exceso de dióxido de carbono producido. Si por el contrario disminuye la concentración de hidrogeniones del medio, el equilibrio se desplaza a la izquierda, para lo cual se toma dióxido de carbono del medio exterior.

El tampón fosfato se encuentra en los líquidos intracelulares, y mantiene el pH en torno a 6,86 debido al equilibrio entre los fosfatos monobásico y dibásico:

HPO₄^2- +  H⁺     «      H₂PO₄^-

En la figura se aprecia como varía el pH de una disolución de un ácido débil cuando se le añade una base (OH^-). Se observa que existe una zona donde el pH del sistema  varía poco cuando se le añaden cantidades  de OH^- y H⁺. En ello se basa el funcionamiento de los amortiguadores del pH o tampones

·        Regulación de fenómenos osmóticos.

            Las sales minerales en disolución son las principales causantes de uno de los fenómenos fisicoquímicos de mayor importancia biológica: la aparición de presiones osmóticas. Entendemos por ósmosis el paso de un disolvente a través de una membrana semipermeable que separa dos disoluciones de distinta concentración, lo que tiende a igualar ambas disoluciones.

           Las membranas celulares pueden considerarse semipermeables. Si comparamos dos disoluciones, éstas pueden ser entre sí isotónicas si poseen la misma concentración o anisotónicas si las concentraciones son diferentes, una es hipotónica y otra hipertónica.

Elagua pasará de los medios hipotónicos a los hipertónicos, ejerciendo una presión sobre la membrana llamada presión osmótica.

Elfenómeno de la ósmosis puede provocar intercambios de agua entre el interior y el exterior de la célula. Si el medio externo es hipertónico la célula pierde agua, se contrae, pero el resultado es distinto según se trate de células animales o vegetales. Las células animales se contraen; en la vegetales, al contraerse, se despega la membrana plasmática de la pared, lo que provoca la rotura de la célula o plasmolisis.

Si, por el contrario, el medio externo es hipotónico, el agua entra en la célula, ésta se hincha, y el resultado varía también con el tipo de célula. Las células animales estallan, sufren plasmolisis; mientras que las vegetales y bacterianas no se rompen al estar rodeadas por una pared rígida, sino que presentan turgencia. De este modo, las sales disueltas son responsables de los intercambios hídricos de las células con el medio extracelular.

Todos los seres vivos, sean acuáticos o terrestres, están obligados a la osmorregulación o regulación de la presión osmótica. Muchos de ellos han conseguido sobrevivir en medios hipotónicos o hipertónicos mediante mecanismos físicos o químicos que evitan los cambios de presión osmótica en su medio interno.

·        Difusión.

Es la repartición homogénea de las partículas de un fluido (gas o líquido) en el seno de otro, al ponerlo en contacto. Este proceso se debe al constante movimiento en que se encuentran las partículas de líquidos y gases. La absorción o disolución del oxígeno en el agua es un ejemplo de difusión.

Esquema del mecanismo de difusión en las células

·        Mantener el grado de salinidad en los organismos.

Las concentraciones iónicas de sales minerales se mantienen constantes, dentro de unos ciertos límites, en los distintos organismos. En un mismo organismo las concentraciones pueden variar de unos compartimentos a otros; por ejemplo, en el interior celular la concentración salina varía considerablemente con respecto al plasma sanguíneo. Asimismo, existen diferencias importantes en las concentraciones de unos organismos a otros.

·        Regular la actividad enzimática.

La presencia de determinados iones activa o inhibe reacciones bioquímicas, asociándose a la sustancia reaccionante o a las enzimas.

·        Generar potenciales eléctricos.

Los iones que se encuentran en el interior de las células no son los mismos que los del medio externo; por esto, a ambos lados de la membrana existe una diferencia de cargas eléctricas. Esta irregular distribución de iones provoca la existencia de un potencial de membrana que ejerce una fuerza sobre cualquier molécula con carga eléctrica.

Además de las sales disueltas en los seres vivos, existen sales minerales insolubles que se encuentran en estado sólido,  son las llamadas sales minerales  precipitadas que forman  los huesos del esqueleto, los caparazones de CaCO₃  en moluscos, de sílice en algas diatomeas, protozoos y en tallos vegetales; también constituyen productos de excreción como el oxalato de calcio en vegetales y los cálculos renales en animales.

Cuando las partículas dispersas o solutos tienen un elevado peso molecular su tamaño está comprendido entre 10^{-5 cm. y 10-7 cm. se habla de dispersiones coloidales, formadas principalmente por sustancias orgánicas, como las proteínas, los ácidos nucleicos, lípidos  y los polisacáridos .Las dispersiones coloidales concentradas reciben el nombre de geles, y las diluidas se llaman soles.}

La mayoría de los líquidos de los seres vivos son dispersiones coloidales de ahí que sea importante ver algunas de sus propiedades:

·        Efecto Tyndall

Aunque las dispersiones coloidales son transparentes, cuando se iluminan lateralmente sobre un fondo oscuro se observa cierta turbidez, ya que las partículas coloidales, debido a su tamaño, difunden la luz.

·       Movimiento browniano

El estado líquido de la fase dispersante implica el continuo movimiento de sus componentes moleculares. Este movimiento, arbitrario y desordenado, es característico de las partículas coloidales, al ser desplazadas por las moléculas de la fase dispersante. El movimiento browniano ayuda a que las partículas coloidales se mantengan suspendidas en el medio sin sedimentar. Gracias al efecto Tyndall, este movimiento es observable con el microscopio.

·        Sedimentación

Las partículas coloidales se mantienen en suspensión, pero es posible su sedimentación (floculación) cuando se someten a un fuerte campo gravitatorio. La ultracentrifugación de una dispersión coloidal permite el depósito de las partículas, cuya masa molecular puede averiguarse valorando el tiempo que tardan en sedimentar y el número de revoluciones alcanzado por la ultracentrífuga.

·        Elevada viscosidad

La viscosidad es la resistencia de un fluido al movimiento de las moléculas que lo integran. Las dispersiones coloidales son muy viscosas, al contener moléculas de gran tamaño, y su viscosidad se incrementa a medida que aumenta la masa molecular o el número de partículas coloidales. Los coloides en estado de gel son más viscosos que los que presentan estado de sol.

·        Elevada adsorción

La adsorción es la capacidad de atracción que ejerce la superficie de un sólido sobre las moléculas de un líquido o un gas. Las partículas coloidales tienen un gran poder adsorbente sobre otras moléculas presentes en las dispersiones, lo que facilita la verificación de reacciones químicas.

·        Diálisis

Es el proceso de separación de las moléculas que integran una dispersión coloidal en función de su tamaño a través de una membrana semipermeable. Esta membrana permite el paso de moléculas de pequeño tamaño (sales minerales, iones) y de agua e impide el de las macromoléculas o partículas coloidales. La membrana celular actúa como una membrana de diálisis que permite el intercambio de sustancias entre el interior y el exterior celular e impide la salida de las macromoléculas que quedan en el interior.

La hemodiálisis es el tratamiento empleado para depurar la sangre en casos de insuficiencia renal crónica mediante el uso de un filtro o hemodializador y un líquido de diálisis generado por un riñón artificial. Las membranas utilizadas permiten el paso de moléculas de pequeño tamaño presentes en la sangre al líquido de diálisis. De este modo se reducen los niveles de agua, sales minerales o urea sanguínea, que no pueden ser excretados por el riñón enfermo en cantidad suficiente.

·        Electroforesis

Es el transporte de las partículas coloidales gracias a la acción de un campo eléctrico a través de un gel. Generalmente se utiliza para separar las distintas proteínas que se extraen juntas en un tejido. La velocidad es mayor cuanto más alta sea su carga eléctrica global y cuanto menor sea su tamaño (peso molecular). Se suelen utilizar geles de almidón o de poliacrilamida.

         En resumen, las dispersiones coloidales se diferencian de las disoluciones verdaderas en que las partículas de estas últimas no forman geles, su viscosidad es en general baja, no son adsorbentes, son ópticamente vacías, no sedimentan por ultracentrifugación y no se pueden separar los solutos por electroforesis.