EL AGUA - Joaquín Rodríguez Piaya

El agua EL AGUA El agua es, con mucho, la sustancia más abundante en los sistemas vivos, constituyendo un 70% o más del peso de la mayoría de los organismos. Está presente en todos los lugares de la célula, es el medio de transporte de los nutrientes celulares y el medio de reacción en el que tiene lugar la inmensa mayoría de las reacciones químicas del metabolismo; es el medio en el que se mueven e interactúan las demás biomoléculas En la molécula de agua (H2O) cada átomo de hidrógeno comparte un par de electrones con el de oxígeno para formar un enlace covalente simple. La geometría de la molécula está determinada por la forma de los orbitales electrónicos más externos del átomo de oxígeno que son los que participan en los enlaces. Estos orbitales describen un tetraedro casi regular con los electrones compartidos con el hidrógeno en dos de sus vértices y los electrones sin compartir en los otros dos. De este modo, los tres átomos de la molécula forman un ángulo de 104,45°, algo menor que los 109,51° de un tetraedro regular, debido a que la repulsión entre los orbitales no enlazantes del oxígeno comprime ligeramente a los orbitales enlazantes con el hidrógeno. Por otra parte, el núcleo del átomo de oxígeno atrae hacia sí con más fuerza los electrones compartidos que el núcleo del átomo de hidrógeno, es decir, el átomo de oxígeno es más electronegativo. Por lo tanto, en la molécula de agua el oxígeno y los hidrógenos comparten los electrones de forma desigual: los electrones están más tiempo cerca del oxígeno que del hidrógeno, de alguna manera "pertenecen" más al oxígeno que al hidrógeno. Esta forma desigual de compartir los electrones provoca la aparición de cargas eléctricas parciales en distintas zonas de la molécula: sobre los átomos de hidrógeno, parcialmente desposeídos de sus electrones, aparece, por defecto, una carga parcial positiva (δ+); correspondientemente el exceso de densidad electrónica sobre el átomo de oxígeno se traduce en la aparición sobre el mismo de una carga parcial negativa (δ-­‐) que se encuentra repartida entre sus dos orbitales no enlazantes. Así, la molécula de agua, aún siendo eléctricamente neutra (carga neta=0), se convierte en un dipolo eléctrico doble, con una carga parcial positiva sobre cada átomo de hidrógeno y una carga parcial negativa en cada uno de los orbitales no enlazantes del oxígeno. Las cuatro cargas parciales se encuentran en disposición tetraédrica alrededor del núcleo del oxígeno. La existencia de cargas eléctricas parciales permite que se establezcan interacciones electrostáticas entre moléculas de agua vecinas: las cargas parciales de signo contrario situadas en una y otra molécula se atraen mutuamente. Este tipo particular de interacción electrostática se conoce con el nombre de puente de hidrógeno. Así, los puentes de hidrógeno entre moléculas de agua vecinas son las fuerzas intermoleculares responsables de la elevada cohesión interna del agua y, por lo tanto, de sus excepcionales propiedades físicas. Los cambios de estado en el agua implican la rotura de un cierto número de puentes de hidrógeno; los elevados puntos de fusión y ebullición, así como los elevados calores de fusión y vaporización, se explican porque es necesario emplear una cantidad considerable de energía para romper dichos puentes de hidrógeno. Dado que la energía implicada en la formación de un puente de hidrógeno es del mismo orden de magnitud que la energía térmica presente en el agua a temperatura ambiente, éstos se establecen y se rompen con suma facilidad: se ha -­‐9
calculado que la vida media de un puente de hidrógeno es del orden de 10 s. A 37° C un 15% de las moléculas están unidas transitoriamente por estos enlaces. Esta circunstancia permite a las moléculas de agua una gran movilidad en un radio corto, ya que cada una puede formar en muy poco tiempo sucesivos puentes de hidrógeno con muchas de sus vecinas. Los puentes de hidrógeno no son exclusivos del agua. Se pueden formar fácilmente entre cualquier átomo electronegativo y un átomo de hidrógeno unido covalentemente a otro átomo electronegativo de la misma o de otra molécula. Puesto que en las biomoléculas abundan los grupos funcionales capaces de formar puentes de hidrógeno, este tipo de interacción tiene una gran importancia biológica. En general existe una relación directa entre contenido de agua y actividad fisiológica de un organismo. Poca agua implica poca actividad (vida latente, semillas, virus,...) y viceversa. 1 Joaquín Rodríguez Piaya
El agua PROPIEDADES 1-­‐
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Elevado calor específico: parte de la energía que se utiliza para calentar el agua se emplea en romper los puentes de H y no tanto en aumentar la temperatura. Elevado calor de vaporización: para pasar del estado líquido al estado gaseoso hace falta romper todos los enlaces de hidrógeno, lo que precisa mucha energía. Esto permite a los organismos disminuir la temperatura por medio de la evaporación. Elevada tensión superficial: la superficie del agua ofrece gran resistencia a romperse. Las moléculas de la superficie del agua experimentan fuerzas de atracción netas hacia el interior del líquido. Elevada fuerza de adhesión: las moléculas de agua tienen gran capacidad de adherirse a las paredes de los conductos de diámetros pequeños (capilaridad). Elevada fuerza de cohesión: es prácticamente incompresible. Por ello: • Da volumen a las células • Turgencia a las plantas • Actúan de esqueleto hidrostático • Capacidad amortiguadora Constante dieléctrica elevada: debido a su naturaleza dipolar, es un buen disolvente. El proceso de disolución se debe a que las moléculas de agua se disponen alrededor de los grupos polares del soluto. En los compuestos iónicos sólidos, el agua separa cationes de aniones y rodea a todos los iones, dando lugar a la solvatación o hidratación iónica. • Las sales cristalizadas (iones) se disuelven con facilidad. • Los compuestos orgánicos neutros con grupos polares (hidroxilo o carbonilo) también se disuelven dada la tendencia del agua a formar puentes de H con ellos. • Las sustancias anfipáticas (con grupos hidrófilos e hidrófobos) son dispersadas. El agua se pone alrededor de los grupos polares. Poca densidad en estado sólido: Cada molécula de agua, con sus cuatro cargas parciales en disposición tetraédrica, puede unirse mediante puentes de hidrógeno con otras cuatro moléculas vecinas que a su vez se disponen tetraédricamente alrededor de la molécula central. En el hielo, cada molécula de agua se encuentra unida de este modo a exactamente cuatro de sus vecinas configurando una red cristalina regular. Cuando el hielo se funde se rompen algunos puentes de hidrógeno de manera que a temperatura ambiente cada molécula de agua está unida a un promedio de 3,4 moléculas adyacentes. Si se compara la rigidez del hielo con la extrema fluidez del agua líquida, resulta sorprendente esta pequeña diferencia entre ambos en lo que se refiere al grado de ligazón entre sus moléculas; si las moléculas del agua líquida están tan intensamente unidas por puentes de hidrógeno ésta debería ser mucho más viscosa. La explicación a este curioso fenómeno reside en la corta vida del puente de hidrógeno. +
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8-­‐ Bajo grado de ionización: sólo una de cada 10.000.000 moléculas de agua se encuentra ionizada (H2O → H + OH ). +
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Esto hace que la concentración de iones de hidrógeno (H ) y de iones hidroxilo (OH ) sea tan baja (10 moles / litro). +
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Debido a los niveles de H H y de OH , si al agua se le añade un ácido (produce H ) o una base (produce OH ), aunque sea en muy poca cantidad, estos niveles varían bruscamente. FUNCIONES DEL AGUA 1-­‐
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Disolvente de sustancias. Función bioquímica. Interviene directamente en muchas reacciones: hidrólisis, fotosíntesis,… Función de transporte (savia). Función estructural (volumen y forma de las células) Función amortiguadora (líquido sinovial) Función termorreguladora (sudor) DISOLUCIONES ACUOSAS Todas las reacciones bioquímicas de los seres vivos se producen en medio acuoso. 2 Joaquín Rodríguez Piaya
El agua Dispersión: mezcla homogénea de moléculas distintas, con dos fases: una fase dispersante o disolvente y una fase dispersa o soluto. • Dispersiones moleculares o disoluciones verdaderas: soluto de bajo p.m. (menores de una milimicra) • Dispersiones coloidales: solutos con masas moleculares elevadas (+ de 10000 uma) o con tamaños entre 1 milimicra y 0,2 micras, límite de resolución del microscopio óptico. Están formadas principalmente por sustancias orgánicas como proteínas, polisacáridos y ácidos nucleicos La presencia de solutos disueltos altera la geometría característica de las agrupaciones de moléculas de agua. Cada molécula o ion del soluto interactúa con una serie de moléculas de agua a su alrededor obligándolas a ordenarse de manera diferente a como lo harían en ausencia de soluto. Esta alteración en la estructura del agua se manifiesta mediante la aparición de una serie de propiedades nuevas, características de la disolución, denominadas propiedades coligativas. Entre estas propiedades figura el descenso del punto de fusión, el aumento del punto de ebullición, etc. Propiedades de las disoluciones verdaderas • Difusión: es el reparto homogéneo de las partículas de un fluido en el seno de otro fluido. Se debe al movimiento constante de las partículas en líquidos y gases. Ej. O2 en agua •
Osmosis: Paso del disolvente a través de una membrana semipermeable que separa dos disoluciones. Según su concentración los medios pueden ser isotónicos, hipertónicos e hipotónicos. El paso del disolvente da lugar a variaciones en las células que pueden dar lugar a plasmólisis o turgencia (turgescencia). Las células deben protegerse de alguna manera frente a los fenómenos osmóticos desfavorables a los que se hallan expuestas. Dos son las estrategias evolutivas que han adoptado para conseguirlo. La primera de ellas consiste en habitar exclusivamente en entornos isotónicos con respecto al interior celular, tal y como hacen algunos organismos unicelulares y también las células de los animales superiores, que se han dotado de un medio interno isotónico. La segunda, típica de las bacterias y de las células vegetales, consiste en dotarse de una pared celular resistente que les permite soportar las elevadas presiones osmóticas generadas por los medios hipotónicos en los que habitualmente viven. Los protozoos de agua dulce tienen una vacuola contráctil para controlar la entrada de agua por ósmosis. El crecimiento rápido de las plantas se debe sobre todo al proceso de turgescencia. Las raíces absorben agua cuando las disoluciones del suelo son hipotónicas respecto al citoplasma. En caso contrario saldría el agua de la planta y ésta se secaría. Las inyecciones intravenosas deben tener la misma concentración que el plasma sanguíneo. Los peces de agua dulce viven en medios hipotónicos, por lo que expulsan una orina muy diluida para evitar l a pérdida de sales. Los peces de agua salada viven en medios hipertónicos, por lo que expulsan una orina bastante concentrada en sales; pueden expulsar el exceso de sales por las branquias. o
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Estabilidad del pH. +
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– 14 En el agua pura, a 25°C el producto [H ] [OH ] = 1 x 10
(Producto iónico del agua) Con él se establece la escala de pH. pH: grado de acidez pOH: grado de basicidad +
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(H3O ) < 10 moles H3O / litro pH > 7 disolución básica [H3O ] < [OH ] +
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(H3O ) = 10 moles H3O / litro pH = 7 disolución neutra [H3O ] = [OH ] ppH = -­‐log [H3O+] = -­‐log 10-­‐7 = 77 +
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(H3O ) > 10 moles H3O / litro pH < 7 disolución ácida [H3O ] > [OH ] Todos los seres vivos mantienen constante su pH mediante las sales minerales (efecto tampón). Si variase el pH, muchas reacciones químicas cambiarían su sentido de reacción, y muchos enzimas precipitarían, con lo que se producirían graves trastornos e incluso la muerte. Compuesto Valor aproximado de pH Jugo gástrico Vinagre Saliva Sangre humana Bicarbonato Amoníaco Lejía 1 3 6 7,4 9 12 14 3 Joaquín Rodríguez Piaya
El agua SISTEMA TAMPÓN FOSFATO -­‐
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H2PO4 çè HPO42 + H+ Si la célula aumenta la acidez (ñH ) la reacción se desplazará hacia la izquierda. Si disminuye, lo hará lacia la derecha. +
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SISTEMA TAMPÓN BICARBONATO H + HCO3 çè H2CO3 çè CO2 + H2O -­‐
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En una acidosis de la sangre, el HCO3 se uniría al exceso de H y daría ácido carbónico, que se descompondría en dióxido de carbono y agua Propiedades de las disoluciones coloidales •
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Estados sol y gel: o Sol: fase dispersa sólida y dispersante líquida. Aspecto líquido. o Gel: fase dispersa líquida y dispersante conjunto de fibras entrelazadas entre las cuales quedan retenidas por capilaridad o hidratación las moléculas del líquido. Aspecto semipastoso o gelatinoso. En el citosol de una célula: sol en el centro (endoplasma) y gel en la periferia (ectoplasma). Se puede pasar de sol a gel y de gel a sol (pseudópodos, fagocitosis,...). El paso gel a sol no siempre es posible. La transformación de sol en gel y de gel en sol está relacionada con los procesos de polimerización y despolimerización de las proteínas fibrilares Elevada viscosidad: resistencia interna que presenta un líquido al movimiento relativo de sus moléculas. Elevado poder adsorbente: atracción que ejerce la superficie de un sólido sobre las moléculas de un líquido o de un gas. Efecto Tyndall: el tamaño de las partículas es inferior al límite de observación del microscopio óptico. Las dispersiones coloidales pueden ser transparentes y claras con iluminación frontal, pero si se ilumina lateralmente sobre fondo oscuro se ve cierta opalescencia provocada por la reflexión de los rayos luminosos (similar a cuando un rayo ilumina el polvo de una habitación). Sedimentación: en condiciones normales son estables, aunque puede provocarse la sedimentación (ultrasedimentación). Diálisis: separación de las partículas dispersas por acción de una membrana semipermeable. Se aplica en la hemodiálisis. Formación de micelas: agrupaciones de miles de moléculas pequeñas. Capacidad de respuesta a la electroforesis Las moléculas coloidales pueden desplazarse a través de un gel si se le aplica un campo eléctrico. La electroforesis es un procedimiento que se aplica para la separación de proteínas. La velocidad de movimiento depende de dos factores: Ø A mayor carga eléctrica global, mayor velocidad Ø A menor masa molecular, mayor velocidad Clasificación: • Dispersiones coloidales hidrófilas: gran estabilidad por tener los radicales protegidos por una capa de agua. Si se rompe la capa de agua pueden precipitar al enlazarse entre sí, alcanzando el tamaño mínimo para sedimentar. En forma de copos (coagulación) o en grandes masas (floculación). • Dispersiones coloidales hidrófobas: al repeler el agua son inestables (aceite). Las dispersiones hidrófobas pueden estabilizarse formando las llamadas emulsiones cuando actúan sustancias que impiden la unión entre partículas dispersas. Están presentes en las grasas de la leche y son algunas proteínas que estabilizan la emulsión. 4 Joaquín Rodríguez Piaya