De la llave a la célula: las facetas cambiantes del agua - UAM-I

De la llave a la célula: las facetas cambiantes del agua
M. Picquart1 e I. Carrasco Morales2 .
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Depto. de Fı́sica, UAM-I 2 Depto. de Atención a la Salud, UAM-X
los dos tercios de la superficie de la tierra y es contenida en poca cantidad en su atmósfera.
Recibido: 18 de junio de 2008
Aceptado:16 de julio de 2008
El agua (H2 0; M = 18 g/mol) que entra entre el 50
y 99 % en la composición de los organismos vivientes, es lı́quida entre 0 y 100◦ C, a presión atmosférica. Esta particularidad no es frecuente ya que las
moléculas con masa molar vecina son gases en las
mismas condiciones de temperatura y presión. Esto se explica por la forma de la molécula y la asimetrı́a de la carga electrónica.
Seguramente, la caracterı́stica más prominente del agua es la decepción, porque en
realidad es una sustancia de complejidad
infinita, de gran e inapreciable importancia, dotada de una rareza y belleza suficientes como para excitar y retar a cualquiera que pretenda conocerla.
En primer análisis, todos los átomos están constituidos de un núcleo denso, cargado positivamente
alrededor del cual gravitan electrones de carga negativa. Desde el punto de vista eléctrico, un átomo está siempre neutro. El más pequeño de todos
es el átomo de hidrógeno que posee un solo electrón.
Es frecuente representar a un átomo como un planeta (el núcleo) con satélites dando vueltas alrededor (los electrones) ya que un tal modelo es fácilmente comprensible. Pero esto supone implı́citamente que los electrones tienen trayectorias bien conocidas y casi circulares. No es el caso.
Owen R. Fennema
Resumen
El agua juega un papel capital en los procesos de
la vida. Es un lı́quido complejo cuyas propiedades
son objetos de investigaciones permanentes. Se encuentra en células, confinada en cavidades dentro de
las proteı́nas, ligada a su superficie, en capas entre
los tejidos, representa del 70 al 80 % de la masa celular. El agua interfacial (también llamada ligada o estructurada) juega un papel fundamental en la estabilidad y función de las proteı́nas y de los ácidos nucleicos. Muchos trabajos han mostrado que las propiedades estructurales y dinámicas del agua interfacial son muy diferentes del agua en bulto. Se ha mostrado también su papel en la relación dinámica —
función de las proteı́nas, que se traduce por una activación del movimiento de las proteı́nas. Hasta los setentas, pocos fueron los biólogos que pensaban que
el agua no era sólo un mero solvente con propiedades homogéneas (agua en bulto). Han sido los trabajos de bioquı́micos, biofı́sicos y fı́sicos que han puesto a luz, la zona de interacción entre las biomoléculas y las moléculas de agua vecinas.
Los fı́sicos no conocen el movimiento de los electrones alrededor de un núcleo pero pueden calcular la probabilidad de encontrar un electrón en un lugar dado alrededor de este núcleo (Fig. 1). La presencia de estos electrones es muy importante ya que
permiten a los átomos ligarse el uno al otro. El enlace quı́mico entre dos átomos se forma cuando pares de átomos, comparten pares de electrones. Estos electrones “compartidos” no pertenecen más ni
al uno ni al otro sino a los dos. Una tal repartición no siempre es equitable ya que algunos átomos pueden tener más afinidades para los electrones. Es lo que pasa en la molécula de agua en donde el oxı́geno tiene tendencia a atrapar más fuertemente los electrones que el hidrógeno. Entonces,
la asociación de un átomo de oxı́geno con dos átomos de hidrógeno mucho más pequeños en una configuración no lineal (como es el caso de la molécula de agua) produce una asimetrı́a de la estructu-
Introducción
El agua es una sustancia, un lı́quido, un gas, un sólido, una molécula, un cuerpo puro... todo a la vez
pero no obligatoriamente al mismo tiempo para el
mismo observador. Es también un elemento natural que en el estado lı́quido y sólido recubre más de
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ra y la constitución de un dipolo eléctrico. Se dice que una tal molécula es polar.
Figura 1. El átomo de hidrógeno con su “nube” electrónica en el estado fundamental. La distribución de la densidad define la forma del átomo. La densidad decrece del
rojo al azul.
En la materia, cual sea su estado, los átomos o las
moléculas nunca están inmóviles sino en movimiento continuo dependiendo de la temperatura: es la agitación térmica. En el vapor de agua, la agitación
térmica de las moléculas de agua es grande: se mueven en todas las direcciones independientemente las
unas de las otras y aparentemente de manera desordenada. Este comportamiento es tı́pico de todos los
gases.
Si se enfrı́a el vapor de agua, la energı́a de agitación térmica disminuye y las moléculas pueden ligarse las unas a las otras. Se juntan en paquetes para formar gotas de agua lı́quida que caen en el fondo del recipiente. Cuando el vapor se transforma
progresivamente en lı́quido, se pueden formar enlaces entre moléculas vecinas. Estos enlaces se deben
a la polaridad de la molécula y se establecen cuando una molécula intercambia un electrón de uno de
sus hidrógenos con un oxı́geno de una molécula vecina (formación de un puente de hidrógeno).
Las moléculas de agua suficientemente cercanas, establecen una red de enlaces intermoleculares localmente inestables y en permanente reconstrucción. La
libertad de cada molécula es limitada por el campo de fuerzas de la población molecular, permitiendo que el agua se quede en fase lı́quida a las temperaturas y presiones compatibles con la vida. Para cambiar este estado hacia una fase gaseosa, basta teóricamente con romper los puentes de hidrógeno. A presión constante, esto se puede conseguir aumentando la energı́a cinética de las moléculas por calentamiento o cualquier otra forma de energı́a.
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La transición hacia un estado sólido es frecuentemente más compleja que la vaporización. Es necesario reducir las vibraciones intermoleculares y construir uno o varios cristales por agregación de moléculas de agua. Esto se obtiene bajando aún más la temperatura. La construcción de una superficie cristalina sólida, el desplazamiento de estas moléculas hacia esta superficie, su orientación para integrarla y
la constitución de nuevos enlaces en un sistema cristalino, necesita energı́a y tiempo. Si el enfriamiento es suficientemente rápido o la cohesión intermolecular está reforzada por crioprotectores, se puede obtener un estado vı́treo (lı́quido infinitamente viscoso) no cristalino. En los otros casos, la probabilidad de formar el primer cristal depende mucho de
la presencia de motivos moleculares adecuados presentes en la superficie de las moléculas en suspensión en el agua, en sus impurezas o en la pared del recipiente. La formación de este primer cristal es demorada en el agua pura que puede quedarse teóricamente en subenfriamiento hasta -49◦ C. Lo importante en la formación del hielo (agua sólida) es que
los puentes de hidrógeno (que se pueden fácilmente doblar en el lı́quido) se endurecen y se vuelven casi rectilı́neales. Las moléculas de agua forman entonces una estructura muy rı́gida y organizada.
En las células, las monocapas moleculares de hidratación adsorbidas sobre los constituyentes biológicos tienen propiedades vecinas a las del hielo: poca agitación molecular, orientación preferencial de
las moléculas y poder de solvatación débil [1].
El agua es un solvente para muchos cuerpos. Transporta sustancias que provienen del medio externo
o formadas en los seres vivientes. Participa también en numerosas reacciones quı́micas en el organismo y permite la fabricación de nuevas moléculas vitales.
Hace más de 35 años, Tait and Franks [2] publicaron un artı́culo con el objetivo de llamar la atención
sobre algunas áreas de investigación, sobre el estado del agua en los sistemas bioquı́micos y biológicos.
En dicho artı́culo, algunas deducciones a propósito
del papel del agua en tales sistemas, fueron en parte especulativas. Serı́a interesante realizar un balance y analizar los logros ası́ como hacer una reflexión multidisciplinaria sobre estos problemas. Existe evidencia de que el agua no es un simple solvente inerte para las reacciones bioquı́micas y que juega un papel importante en la dinámica de muchas
de ellas.
De la llave a la célula: las facetas cambiantes del agua. M. Picquart e I. Carrasco Morales.
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En un artı́culo recientemente publicado en Nature
[3], Martı́n Chaplin pregunta “¿No subestimamos la
importancia del agua en biologı́a celular?” Contesta considerando varios ejemplos: el efecto del agua
sobre las proteı́nas como parte integrante de ellas y
su papel en los procesos de plegamiento, en su actividad y dinámica; el papel de las moléculas ordenadas del agua en la transferencia de protones y electrones; el agua y la estructura de los ácidos nucleicos y finalmente el papel del agua celular en la actividad de la célula. Pero antes de abordar estos temas haremos un pequeño recordatorio de algunas de
las propiedades del agua.
Polimorfismo del agua
Las fuerzas responsables de la organización del agua
son de naturaleza electrostática. Las moléculas de
agua son dipolos eléctricos que pueden también formar puentes de hidrógeno. En el agua en bulto estos dipolos tienen orientaciones aleatorias y por eso
se considera como un medio isótropo. La molécula posee dos hidrógenos electropositivos y un oxı́geno
electronegativo. Generalmente se representa como
cuatro cargas colocadas en los cuatro vértices de
un tetraedro (Fig. 2-a). En promedio, cada molécula está ligada por un puente de hidrógeno a cuatro moléculas vecinas (Fig. 2-b) dispuestas en tetraedro alrededor de ella. El tiempo de vida de un puente de hidrógeno en el agua en bulto es del orden de
10−11 s y su energı́a es de 3-5 kcal mol−1 . La introducción de una sustancia ajena en esta fase acuosa homogénea crea un desequilibrio. A su contacto las moléculas de agua están sometidas a esfuerzos que van a privilegiar ciertas orientaciones: se forma una zona de agua interfacial pero, a diferencia del
agua en bulto; muy anisótropa. Se admite que estos esfuerzos se ejercen dentro de un espesor de por
lo menos cuatro capas de agua (1.1 nm). La estructura y por lo tanto las propiedades del agua interfacial son muy diversas y dependen de la hidrofobicidad o de la hidrofilicidad de la sustancia que se introduce. Se ha mencionado también la posibilidad de
unión con moléculas con puentes de hidrógeno presentando bifurcaciones [4].
Sustancia hidrófoba
Esta sustancia posee grupos apolares que no atraen
al agua y por lo tanto, las moléculas de agua que
la rodean y que estaban unidas por puentes de
hidrógeno se van a reorganizar y establecer entre
ellas nuevos puentes de hidrógeno. A esto se le llama
hidratación hidrófoba. De esta manera las moléculas de agua compensan la ruptura del equilibrio que
Figura 2. Estructura del agua: a) Molécula aislada; b)
La disposición tetraédrica; c) En el hielo.
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tenı́an en el agua en bulto. La hidratación hidrófoba es exotérmica y se acompaña de una variación
de entropı́a negativa (∆S < 0). La densidad de esta agua es superior a uno. El tiempo de vida de los
puentes de hidrógeno es del orden de 10−6 s mucho
más grande que en el agua en bulto y juega un papel importante en la estabilización de las biomoléculas [5-7]. Al encontrar una región apolar con un pequeño radio de curvatura (metano. . . , cadena lateral de proteı́na. . . ) las moléculas de agua se reorientan ya que no pueden formar puente de hidrógeno
hacia la superficie hidrófoba. Esta se encuentra encerrada en una pequeña jaula con caras pentagonales (clatratos, Fig. 3) cuyos vértices están ocupados
por moléculas de agua y los lados formados por puentes de hidrógeno tangentes a la superficie. Estas estructuras presentan variaciones en función del radio
de curvatura [8]. Por otra parte, se han descubiertos puentes de hidrógeno entre el agua y el benceno
[9-12], con los átomos de hidrógeno de las moléculas de agua hacia la nube de electrones π. Más recientemente se han encontrado el mismo tipo de interacción con otros núcleos aromáticos [13-16].
Figura 3. Clatrato de agua.
Sustancia hidrófila
Estas sustancias atraen al agua, contienen grupos ionizados o polares. Pueden ser mojadas (como el vidrio) y si sus fuerzas de cohesión interna son débiles, pueden solubilizarse. Al contacto con tal sustancia, el agua forma una capa de solvatación (hydration shell) que constituye una pantalla que impide su precipitación. Los dipolos de agua se organizan radialmente alrededor de las regiones ionizadas formando multicapas ordenadas de agua [17-18].
Esta agua está a muy alta presión (hasta 34 kbaros) y su densidad puede llegar a 1.2 g cm−3 . Las re-
giones polares se unen a las moléculas de agua por
puentes de hidrógeno jugando el papel de donadores o de aceptadores de hidrógeno.
El ácido ribonucleı́co (ARN) y el ácido desoxiribonucleı́co (ADN) han sido estudiados por numerosos
métodos. En el estado cristalino, el ADN está cubierto de una capa de agua estructurada, no congelable
e impermeable a los iones que representa más o menos 80 % de su masa. Se estima a veinte moléculas
de agua por nucleótido, fijadas sobre los oxı́genos libres de los grupos fosfato, de los fosfodiesters y de
los azúcares y sobre las bases. Si se añade agua a este ADN, se infla dejando espacio para moléculas de
agua más libre. Esta agua interna depende de la estructura A, Z o B del ADN [19-22].
El agua interfacial o ligada o estructurada
En su libro Quı́mica de los alimentos, O. R. Fennema [23], menciona que el agua ligada no es una cantidad fácilmente identificable y homogénea, por lo
que la terminologı́a descriptiva es difı́cil, no existiendo ninguna definición generalmente aceptada. Anota como ejemplos siete definiciones diferentes, todas
válidas: 1) El agua ligada es el contenido de agua
de equilibrio de una muestra a una temperatura y
humedad relativa (baja) apropiada; 2) El agua ligada no contribuye significativamente a la constante dieléctrica a altas frecuencias y por tanto tiene
su movilidad rotacional restringida por la sustancia
con la que está asociada; 3) El agua ligada no congela a una temperatura baja arbitraria (normalmente -40◦ C o más baja); 4) El agua ligada es inutilizable
como solvente para solutos adicionales; 5) El agua ligada produce un ensanchamiento de lı́nea en los experimentos de resonancia magnética nuclear (RMN)
de protones; 6) El agua ligada se mueve con las macromoléculas en los experimentos de velocidades de
sedimentación, viscosidad o difusión; 7) El agua ligada se encuentra en la vecindad de solutos y otras sustancias no acuosas y tiene propiedades que difieren
significativamente del resto de la “masa” de agua del
mismo sistema. Según él, la combinación de las definiciones 3 y 7 parece la más satisfactoria ya que
produce una imagen conceptual y permite un proceder realista para cuantificarla.
En los sistemas biológicos o macromoléculas esta
agua puede existir en varias formas. Hay moléculas de agua ligadas más fuertemente a las macromoléculas y que forman parte integral de ellas. A
esta agua, Fennema la llama “constitutiva” [23].
No se puede eliminar con ningún procedimiento
De la llave a la célula: las facetas cambiantes del agua. M. Picquart e I. Carrasco Morales.
experimental. La capa que sigue es una monocapa de moléculas de agua en contacto directo con
los grupos polares o cargados de la macromolécula. Algunos autores llaman solamente a esta monocapa como agua ligada [1], otros como agua vecinal [23] o interfacial y esta ilustrada en la Fig. 4.
Detrás vienen multicapas menos ligadas pero con
propiedades suficientemente alteradas con respecto
al agua en bulto, que Mentré por ejemplo, llama agua
estructurada [1].
Figura 4. Organización del agua al contacto de una
molécula. La primera capa tiene moléculas fuertemente orientadas. En las capas siguientes el agua es menos organizada. Adaptada de la ref. 1.
Se considera que en estas capas de agua (ligada y estructurada), las moléculas tienen una movilidad disminuida con respecto al agua en bulto. Cuando se
queda en su lugar durante los fenómenos de osmosis,
es llamada también osmoticamente inactiva. Se congela difı́cilmente, tiene una masa y un calor especı́fico diferentes del agua común, tiene anomalı́as térmicas, una conductividad de protones mayor y un poder de exclusión de los sólutos mucho mayor que el
del agua en bulto.
¿Qué tipo de agua se encuentra en
las células?
La respuesta es compleja ya que los diferentes tipos de sustancias mencionadas anteriormente se encuentran y se puede pensar que agua en bulto, en clatratos y en capas más o menos estructuradas coexisten. Pero la composición del citoplasma está dominada por un tipo de moléculas, las proteı́nas. Por lo
tanto, el tipo de agua que rodea las proteı́nas debe
de ser el que se encuentra en las células. ¿En qué proporción y cual es su papel? Es aquı́ donde los cientı́ficos divergen.
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En un trabajo reciente, Tehei et al. [24] han estudiado por dispersión de neutrones, la dinámica del
agua intracelular de Haloarcula marismortui, un organismo halófilo aislado del Mar Muerto. Los resultados de los experimentos realizados sobre dos espectrómetros diferentes revelan una constante de difusión traslacional de 1.3×10−5 cm2 s−1 (a 285 K),
cercana a la encontrada en otras células, a la del agua
en bulto, y también a la del agua a 3.5 M NaCl que
bañaba las células. Vale recordar que el Mar Muerto tiene una muy alta concentración de NaCl, 275 g
l−1 , mientras la del mar es de 35 g l−1 y la del plasma 9 g l−1 . Pero los investigadores encontraron también un componente muy lento correspondiendo a
una constante de difusión traslacional 250 veces más
pequeña que la del agua en bulto. Esta agua lenta, representa el 76 % del agua celular en H. marismortui. Los mismos experimentos realizados sobre Escherichia coli no muestran el segundo componente. El componente lento se deberı́a a una estructura especı́fica del agua relacionada a la alta cantidad de iones potasio que se encuentra en estas
células.
Toda molécula posee una movilidad traslacional y
una movilidad rotacional. En el primer caso, la
molécula se desplaza de un punto a otro. Esta forma de movilidad es elevada en los fluidos y muy reducida en los sólidos. En el segundo caso, la molécula gira u oscila en su lugar. Los movimientos moleculares no son solamente movimientos desordenados debidos a la agitación térmica. Pueden ser orientados por campos eléctricos o magnéticos.
Muchos trabajos sobre el agua asociada a macromoléculas fueron realizados por difracción de rayos
X, por resonancia magnética nuclear (RMN) y más
recientemente por difracción de neutrones. El primer método sólo es aplicable a cristales. Las proteı́nas y los ácidos nucleicos en el estado cristalino
son muy hidratados salvo en algunos puntos de contacto entre moléculas. Se encuentran en su forma tridimensional nativa [25]. Esta hidratación es a la vez
una ventaja ya que permite el estudio del agua, y un
inconveniente porque turba al análisis. Se detecta solamente las moléculas de agua encerradas en cavidades macromoleculares y a veces en contacto directo
con la superficie. Además el agua en bulto que se encuentra lejos de las macromoléculas perturba mucho
los resultados. Esta técnica solamente da una subestimación de la organización del agua [1].
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Los trabajos por RMN han mostrado que el agua en
las estructuras ricas en macromoléculas tiene una
movilidad reducida y una viscosidad elevada. La
RMN de protones permite estimar la movilidad de
moléculas que contienen protones gracias a una cantidad llamada tiempo de correlación que varı́a como el inverso de la movilidad. Fullerton et al. [26],
por ejemplo, han trabajado sobre la lisozima en polvo. La proteı́na fue totalmente deshidratada y progresivamente rehidratada. Se mostró que pudo retener 25 % de agua, que es también la cantidad necesaria para cubrir toda su superficie. Una parte de esta agua es estructurada (5.5 %) con una movilidad
rotacional débil muy poco diferente a la de la proteı́na. Se tratarı́a del agua atraı́da por los grupos
ionizados, o sea 42 moléculas de agua por macromolécula. Se comporta como un sólido. De allı́ viene su nombre en la literatura de agua “ice-like” (parecida al hielo). El agua ligada a los grupos polares está menos inmovilizada. Finalmente, encontraron que la cantidad total de agua perturbada por la
presencia de las macromoléculas representaba un espesor promedio de 2.6 capas de moléculas de agua, o
sea 0.8 nm. En trabajos recientes [27-29], encontraron un espesor de moléculas de agua de 0.63 nm alrededor de la molécula de colágena de mamı́feros.
¿Largas o cortas distancias?
El espesor de agua modificada por la superficie es
uno de los objetos de trabajo del grupo de G.H. Pollack [30-32]. En un trabajo reciente [31], Zheng et al.
han realizado experimentos con suspensiones de micro esferas cerca de varias superficies: gel de ácido
poliacrı́lico, músculo, monocapa hidrofı́lica con grupos carboxı́licos, etc. En todos los casos aparece en
función del tiempo, una zona de exclusión de las micro esferas que puede alcanzar 250µm. Se piensa generalmente, que las moléculas de agua se adsorben
sobre las superficies hidrófilas y que el ordenamiento adicional por capas sucesivas de agua se ve rápidamente quebrado por el efecto de la agitación térmica. ¿Cuáles podrı́an ser entonces las razones de un tal
ordenamiento sobre largas distancias como lo muestran varios experimentos? Dos posibilidades existen:
que la energı́a de los puentes de hidrógeno manteniendo las moléculas juntas es mayor que lo previsto, o que la agitación térmica que tiende a separarlas es necesariamente más pequeña que lo previsto. Parece que la segunda posibilidad serı́a posible si uno considera las observaciones realizadas sobre soluciones acuosas de micro esferas coloidales. A
una relación volúmica del orden del 1 %, las suspen-
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siones de micro esferas presentan una coexistencia
de dos fases, una desordenada y la segunda ordenada, parecida a un cristal [33-35]. En la fase desordenada, los movimientos debidos a la agitación térmica tienen la amplitud esperada, mientras que en la
fase ordenada, aunque las micros esferas estén separadas las unas de las otras por varios micrómetros, la trayectoria libre media disminuye de un orden de magnitud. Aparentemente, los efectos de la
agitación térmica en las regiones ordenadas puede
ser menor que lo que se piensa. Esto podrı́a predisponer las moléculas a un ordenamiento a largas distancias que no vioları́a los principios fı́sicos.
Como el hielo, el agua ligada y hacia una cierta distancia, el agua estructurada tienen la propiedad de
excluir los solutos. En este caso no es tan absoluta como en el caso del hielo: depende de la naturaleza de los solutos y para los iones sigue el orden de la serie de Hofmeister: Mg2+ > Ca2+ >
Sr2+ > Ba2+ > Li+ > Na+ > K+ > Rb+ > Cs+ >
> CH3 COO− >
citrato3− > tartrato2− > SO2−
4
−
−
−
−
−
Cl > NO3 > ClO3 > I > SCN . La causa de este fenómeno reside en que la fuerza de atracción con
la cual las moléculas de agua son atraı́das a la superficie de los iones para formar el ion hidratado
es proporcional al inverso del cuadrado de su radio.
Por tanto, a carga igual, paradójicamente son los iones que tienen la masa atómica más pequeña que son
los más voluminosos en solución ya que su acción sobre las moléculas de agua es más fuerte. En particular, el ion sodio hidratado es más grande (rN a =
0.180 nm) que el ion potasio hidratado (rK = 0.121
nm). Ası́, Horowitz y Miller [36] observaron que el citosol de los ovocitos no se comporta como una simple solución acuosa: puede excluir los solutos. Los autores mostraron que solamente 35 % del agua del citoplasma tenı́a las mismas propiedades de solvatación para el sodio que el agua en bulto, lo que significa que el sodio esta excluido de más o menos
65 % del agua citoplásmica. Para explicar esta exclusión propusieron que la mayor parte del agua estaba en contacto con puentes de hidrógeno con las macromoléculas y que eso le daba propiedades estéricas
particulares.
Muchos trabajos sobre el agua ligada, estructurada, o confinada han sido desarrollados; que han mostrado sus caracterı́sticas principales: viscosidad mayor que el agua en bulto, densidad (como en el caso del hielo) menor que la del agua en bulto, exclusión y partición de los iones, etc. . . fuera o dentro de la célula [1, 37-40].
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Si las macromoléculas pueden cambiar las propiedades del agua, debe de haber una relación también entre el agua que rodea las macromoléculas y la estructura y función de las macromoléculas y de las proteı́nas en particular.
Relación hidratación–función de una proteı́na
Una proteı́na posee flexibilidad y su dinámica depende de su estructura ya que los movimientos son esenciales para que la proteı́na cumpla su función biológica en la cual el agua juega un papel importante: se
trata de actividades catalı́ticas, inmunológicas, reguladoras y de transporte que se desarrollan en un entorno acuoso.
La influencia del agua de hidratación de una proteı́na sobre sus propiedades termodinámicas ha sido seguida por diversas técnicas experimentales: movimiento de una sonda en Resonancia Electrónica
de Espı́n (ESR), observación del espectro de absorción infrarroja, medición del calor especı́fico, medición de la actividad enzimática, etc. usando proteı́na
liofilizada e hidratada poco a poco. Por ejemplo, en
el caso de la lisozima, la actividad enzimática empieza cuando la tasa de hidratación llega a 0.22 gramo de agua por gramo de proteı́na para ser operacional al valor de 0.32, o sea una monocapa de agua,
ó 300 moléculas de agua a la superficie de la proteı́na [41]. Simulaciones por dinámica molecular han
mostrado que la adición de moléculas de agua llevaba a una dilución de la proteı́na sin cambiar las propiedades del sistema. A baja hidratación, solamente
algunos pequeños cúmulos (“clusters”) de moléculas
de agua ligadas por puentes de hidrógeno están presentes en le sistema. A alta hidratación, la proteı́na
está cubierta de manera homogénea, de una red de
moléculas de agua ligadas por puentes de hidrógeno.
La transición entre estos dos estados, es una transición de percolación del agua de hidratación [42]. Pero se ha mostrado también que la adición de moléculas de agua en cavidades que no podı́an ser completamente hidratadas desestabilizaba la estructura de la proteı́na induciendo un desplegamiento de
la misma.
Para estudiar la estructura y la dinámica del agua
cerca de proteı́nas globulares solubles se puede usar
la difracción de rayos X o de neutrones cuando ésta
última es accesible ya que la longitud de onda de estas radiaciones es del orden de la distancia interatómica. Pero estas dos técnicas son complementarias: la primera no ve los átomos ligeros de hidrógeno
o de deuterio y la segunda sı́. Esto permitió determi-
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nar la estructura de un cristal de carboximioglobina con las 89 moléculas de agua que están en su superficie [43]. Estas técnicas permiten obtener informaciones a diferentes escalas espaciales: a baja resolución se tiene información sobre el tamaño de la proteı́na mientras que a alta resolución se tiene acceso a los detalles de la estructura de la proteı́na y de
las moléculas de agua.
Los neutrones presentan además la ventaja de estudiar la dinámica de un sistema ya que la energı́a
de los neutrones térmicos es del orden de magnitud de la energı́a de agitación térmica de los sistemas moleculares.
La c-ficocianina es una proteı́na globular soluble cuya estructura fue determinada con una muy buena resolución por difracción de rayos X [44]. Su
estructura secundaria contiene 83 % de hélices alfa. Se encuentra en abundancia en las cianobacterias en donde está implicada en la fotosı́ntesis, en la
cual la energı́a luminosa colectada por los cromóforos es convertida en energı́a quı́mica. En una proteı́na, 50 % de los átomos, son átomos de hidrógeno
por lo tanto es necesario poder separar los efectos debidos a los átomos de hidrógeno de la proteı́na y a
los del agua. Para esto se hacen crecer las cianobacterias en agua pesada (D2 O) lo que hace que en
las cianobacterias no queden más que el 1 % de átomos de hidrógeno y de esta se extrae la c-ficocianina
deuteriada.
Cuando se hidrata ésta última con proporciones variables de agua ligera, se puede seguir por difusión
inelástica de neutrones la dinámica del agua en la superficie de la proteı́na. A tiempos cortos, del orden de
los picosegundos, las moléculas de agua poseen movimientos de difusión limitados a saltos sobre sitios adyacentes a lo largo de la interfase. En el agua en bulto esta difusión se hace por saltos aleatorios y cuatro veces más rápido. La comparación de las propiedades dinámicas del agua en bulto y las del agua interfacial ha mostrado que está última a temperatura ambiente se comportaba como agua superenfriada (agua lı́quida debajo del punto de cristalización)
a baja temperatura. El agua interfacial a 25o C se parece al agua súper enfriada a 0o C [44].
Las interacciones entre el agua y una proteı́na son
de dos tipos: hidrófobas cerca de los residuos apolares, hidrófilas cerca de los residuos cargados y polares. Esto conduce a una representación muy sencilla de una proteı́na globular en término de un corazón hidrófobo y una superficie discontinua hidrófi-
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la. Para separar las contribuciones hidrófobas de las
contribuciones hidrófilas se pueden estudiar sistemas
modelos. Varios autores han usados sistemas diferentes. Por ejemplo, un vidrio poroso de sı́lice, el Vycor,
que posee grupos cargados en la superficie, presenta
interacciones hidrófilas con el agua. Es un buen sistema modelo ya que se puede controlar la tasa de hidratación de los poros. En condiciones de monocapa
de agua, los resultados de dinámica molecular muestran una similitud muy grande con la c-ficocianina
[44]. Además, la estructura del agua interfacial estudiada por difracción de neutrones a temperatura ambiente, es muy cercana a la del agua superenfriada a baja temperatura y el resultado más espectacular es que no se observa ninguna cristalización del agua entre la temperatura ambiente y la del
nitrógeno lı́quido (-176o C). Por otra parte se ha descrito que la estructura del agua superenfriada es semejante a la del hielo amorfo.
En un trabajo reciente, Gabel y Bellissent-Funel [45]
han mostrado que en el caso de la c-ficocianina con
trehalosa la movilidad del agua de hidratación es
reducida, de una orden de magnitud con respecto al
agua en bulto.
La parvalbúmina que se extrae de los vertebrados superiores es una proteı́na globular soluble que interviene en el ciclo de contracción —relajación de los tejidos musculares. Su afinidad diferente para los iones calcio y magnesio permite regular la concentración relativa de estos dos iones en el medio celular. Su estructura ha sido determinada por difracción de rayos X. Se caracteriza por la presencia de
hélices alfa y de iones calcio y magnesio. Se ha estudiado la influencia del agua de hidratación sobre
los movimientos internos de la proteı́na, hidratando poco a poco el polvo de parvalbumina hidrogenada con agua pesada. A tiempos de observación de picosegundos, por difusión inelástica de neutrones se
ha detectado y observado el crecimiento de la movilidad de ciertos residuos cargados de superficie, muy
hidrófilos, de la proteı́na: lisina, ácido aspártico y ácido glutamı́nico a partir de una cantidad de agua correspondiente a una monocapa para la cual la proteı́na se vuelve funcional. Los resultados de RMN
del carbono 13 han permitido asociar a los movimientos de las cadenas laterales, el de la cadena carbonada polipeptı́dica, ya que el tiempo de observación en este caso es del orden del nanosegundo [46].
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Conclusión
Numerosos progresos han sido realizados en el conocimiento del agua interfacial y de su papel en la función de las macromoléculas biológicas. Si el agua juega un papel fundamental en la estabilidad y la función de las proteı́nas globulares, la proteı́na misma
ejerce una influencia importante sobre la estructura y dinámica del agua cercana. Los dos efectos están
estrechamente ligados. Los movimientos más lentos
del agua de hidratación en la superficie de una proteı́na parecen una condición necesaria para que una
macromolécula biológica pueda cumplir plenamente su función.
La célula es un medio altamente heterogéneo que
contiene numerosas especies quı́micas en cantidades
numerables de ejemplares, pero cada uno de ellos
puede tener una orientación y una vecindad tan diferente que pueden reaccionar de manera diferente y
parece difı́cil hacer cualquier predicción de naturaleza estadı́stica. Se estima que una bacteria como Escherichia coli contiene solamente una centena de protones alejados los unos de los otros por varias centenas de nanómetros y por lo tanto no pueden ser responsable de un gradiente de concentración. La misma cosa es para los iones de calcio cuya concentración celular se estima a 10−3 M pero con solamente 10−8 M a 10−6 M libres es decir no acomplejados por macromoléculas pero solvatados. Si se considera a esta bacteria como paralelepipédica (de volumen V = 2 ×1 × 1 µm3 = 2× 10−15 L), una
concentración de 10−6 M corresponde a un número de moléculas de calcio n = Na × 10−6 × V , sea
n = 6 × 1023 × 10−6 × 2 × 10−15 = 1200 moléculas. Si
se supone cada molécula al centro de un cubo de lado a, la distancia entre dos moléculas es aproximadamente la raiz cúbica de V /n, sea a = 0.1µm. Para una concentración de 10−8 M se encuentran 12
moléculas separadas de 0.6µm. Para una célula supuestamente esférica se encuentra los mismos ordenes de magnitud. ¿Cómo imaginar que una decena o
unos miles de iones, separados por numerosas macromoléculas puedan determinar un gradiente de concentración a estas distancias?
Esta heterogeneidad de la célula repercute a su vez
sobre el agua en contacto con estas moléculas. En la
célula, existirı́an al menos los cuatro tipos de agua
descritos anteriormente: el agua de solvatación sobre los grupos iónicos, el agua ligada por puentes de
hidrógeno a grupos polares de residuos hidrófilos o
a nubes de electrones rodeando núcleos aromáticos
y el agua en clatratos alrededor de residuos hidrófo-
De la llave a la célula: las facetas cambiantes del agua. M. Picquart e I. Carrasco Morales.
bos (Fig. 5). En estas condiciones el agua ya no serı́a
un solvente sino una interfase [1].
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Figura 5. Macromolécula con los diferentes tipos de agua
que se pueden encontrar: A. Solvatación; B. Puentes de
hidrógeno cerca de residuos donadores de hidrógeno; C.
Puentes de hidrógeno cerca de residuos aceptadores de
hidrógeno; D. Puentes de hidrógeno con nubes de electrones ; E. Clatratos en regiones hidrofobas.
Para concluir, citaré P. Mentré [1]: “Los grandes descubrimientos de la bioquı́mica fueron hechos in vitro
en las condiciones de aplicación de la ley de acción
de masa, a diluciones muchas más débiles que las
que existen en las células. Sus extraordinarias consecuencias en la comprensión de la vida de la célula, hicieron olvidar a los investigadores durante decenas de años que las macromoléculas en la célula forman un mundo incomparablemente más denso y heterogéneo que en el tubo de ensayo. Se producen interacciones potentes, de naturaleza fı́sica, que dan
un nuevo enfoque a los fenómenos.”
Estos fenómenos necesitan de un estudio multidisciplinario y espero que este artı́culo contribuya a llevarlo a cabo.
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