EL AGUA

 Es probable que la vida se haya originado en el agua, hace más de tres mil millones de años, y que todas las células vivientes sigan dependiendo del agua para existir. 

Algunos tipos de moléculas interaccionan en forma extensa con el agua y en consecuencia son muy solubles. Otras moléculas no se disuelven con facilidad en el agua y tienden a asociarse entre sí para evitar el 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.

La molécula de agua es polar

• Un átomo de oxígeno tiene ocho electrones y su núcleo cuenta con ocho protones y ocho neutrones.
• La polaridad de una molécula depende tanto de la polaridad de sus enlaces covalentes como de su geometría. 

Puentes de hidrógeno en el agua

Una de las consecuencias importantes de la polaridad de la molécula de agua es que dichas moléculas se atraen entre sí. En un puente de hidrógeno entre dos moléculas de agua, el átomo de hidrógeno permanece enlazado covalentemente a su átomo de oxígeno que es el donador de hidrógeno.

El agua no es la única molécula capaz de formar puentes de hidrógeno; esas interacciones pueden existir entre cualquier átomo electronegativo y un átomo de hidrógeno unido a otro átomo electronegativo. Los puentes de hidrógeno son mucho más débiles que los enlaces covalentes típicos.

Es difícil estudiar las interacciones tridimensionales del agua líquida, pero se ha aprendido mucho al examinar la estructura de los cristales de hielo. En la forma común del hielo, cada molécula de agua participa en cuatro puentes de hidrógeno, como es de esperarse. 

La duración promedio de un puente de hidrógeno en el agua es más o menos de 10 picosegundos. 

                     Propiedades Físicas

Estados físicos:

 solido: que tiene un volumen y una forma definida.

liquido: materia que tiene un volumen particular

pero no una forma específica

gaseoso: materia sin forma ni volumen definidos 

color : incoloro (que no posee color)

sabor: insípida (que no posee sabor) 

olor: inodoro ( no posee olor) 

densidad: 1 g./c.c. a 4°C (temperatura donde el agua alcanza su mayor volumen entonces es donde aquí el agua tiene el volumen de 1 cc.) 

punto de congelación:    0°C ( dicho líquido se solidifica debido a una reducción de energía) 

punto de ebullición:  100°C ( temperatura a la cual la presión del vapor del agua es 760 mmHg, o 1 atmósfera) 

presión critica: 217,5 atm. ( campo en el que ésta puede transformarse en vapor) 

Temperatura Crítica: 374°C ( temperatura límite por encima de la cual un gas miscible no puede ser licuado por compresión. 

Propiedades químicas 

Elevada fuerza de cohesión: ( Los puentes de hidrógeno que permanecen unidas entre sí y  se establecen de forma más intensa que  otros compuestos similares)

Prácticamente Incomprensible: no es fácil reducir su  volumen mediante presión.

Elevada Tensión superficial: Gran resistencia a romperse, lo que permite que muchos organismos puedan “andar” sobre el agua y vivan asociados.

Capilaridad: la columna de agua a través de tubos de diámetro capilar.

Elevado Calor Específico: Un buen aislante térmico.

Bajo grado de Ionización: El pH, es neutra

Elevada Constante dieléctrico: se convierta en el gran disolvente universal. Compuestos: ionicos y polares.

Elevado Calor de Vaporización: para pasar al estado sólido parte de la energía suministrada se emplea en romper los enlaces de puentes de hidrógeno.  

Presión osmótica

Si una membrana permeable al solvente separa a dos soluciones que contienen concentraciones distintas de sustancias disueltas, o solutos, las moléculas del solvente se difundirán desde la solución menos concentrada hacia la más concentrada en un proceso llamado ósmosis. La presión necesaria para evitar este flujo de solvente se llama presión osmótica. 

Las sustancias no polares son insolubles en agua

Por ejemplo, las gotas diminutas de aceite que se dispersan en forma vigorosa en agua tienden a coalescer y formar una sola gota, con lo cual minimizan la superficie de contacto entre las dos sustancias. 

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. El efecto hidrofóbico es crítico para el plegamiento de las proteínas y el autoensamblaje de las membranas biológicas.Los detergentes, a los que a veces se les llama surfactantes o agentes tensoactivos, son moléculas que son hidrofílicas e hidrofóbicas a la vez; en general cuentan con una cadena hidrofóbica de al menos 12 átomos de carbono de longitud y un extremo iónico o polar. Se dice que esas moléculas son anfipáticas. 

Interacciones no covalentes

Se presentaron dos clases de interacciones no covalentes: puentes de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas. Interacciones débiles como éstas juegan papeles de extrema importancia en las estructuras y funciones de las macromoléculas. Por ejemplo, las fuerzas débiles son las responsables de estabilizar las estructuras de las proteínas y de los ácidos nucleicos. Además de los puentes de hidrógeno y la hidrofobicidad, también hay interacciones entre carga y carga, y fuerzas de van der Waals. 

Interacciones carga-carga

Las interacciones carga-carga (o entre cargas) son interacciones electrostáticas entre dos partículas cargadas. Esas interacciones son potencialmente las fuerzas no covalentes más grandes y se pueden extender a mayores distancias que otras interacciones no covalentes. 

Puentes de hidrógeno:

Los puentes de hidrógeno, que también son una clase de interacción electrostática, existen en muchas macromoléculas y se encuentran entre las fuerzas no covalentes mayores en los sistemas biológicos. 

Fuerzas de van der Waals:

Las interacciones electrostáticas transitorias o momentáneas causan fuerzas intermoleculares débiles entre todos los átomos neutros. Esas fuerzas de van der Waals, bautizadas en honor de Johannes Diderik van der Waals, físico holandés, sólo se producen cuando los átomos están muy cercanos entre sí. Las fuerzas de van der Waals son tanto de atracción como de repulsión. Las fuerzas de atracción, que también se llaman fuerzas de dispersión de London, se originan en el dipolo infinitesimal generado en los átomos por el movimiento aleatorio de los electrones con carga negativa en torno a los núcleos con carga positiva. 

Las fuerzas de van der Waals son mucho más débiles que los puentes de hidrógeno. También hay un componente de repulsión en las fuerzas de van der Waals. Cuando dos átomos se aprietan uno contra el otro, los electrones en sus orbitales se repelen entre sí. 

Interacciones hidrofóbicas

La asociación de una molécula o grupo relativamente no polar con otras moléculas no polares se llama interacción hidrofóbica. Las interacciones hidrofóbicas dependen de la mayor entropía de las

moléculas de agua vecinas, no de la atracción directa entre grupos no polares.

El agua es nucleofílica

Además de sus propiedades físicas, las propiedades químicas del agua también son importantes en bioquímica, porque las moléculas de agua pueden reaccionar con moléculas biológicas. 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. Atacan a los electrófilos durante reacciones de sustitución o de adición. Los átomos nucleófilos más comunes en biología son de oxígeno, nitrógeno, azufre y carbono.El átomo de oxígeno en el agua tiene dos pares de electrones no compartidos y por ello es nucleofílico. Aunque el agua es un nucleófilo relativamente débil, su concentración celular es tan alta que cabe esperar que muchas macromoléculas sean degradadas. 

 Ionización del agua

Una de las propiedades importantes del agua es su pequeña tendencia a ionizarse. El agua pura no está formada sólo por H2O, sino también por una baja concentración de iones hidronio (H3O ) y una concentración igual de iones hidróxido (OH ). Los iones hidronio e hidróxido se forman por un ataque nucleofílico del oxígeno contra uno de los protones en una molécula adyacente de agua. 

La escala de pH

El pH se define como el logaritmo negativo de la concentración de H +. 

Las soluciones básicas tienen valores de pH mayores que 7.0 y las soluciones ácidas tienen valores de pH menores que 7.0.  Se toman mediciones exactas de valores de pH en forma rutinaria usando un medidor de pH, instrumento que tiene un electrodo de vidrio selectivamente permeable, sensible a la [H ]. A veces la medición del pH facilita el diagnóstico de las enfermedades. El valor normal de pH en la sangre humana es 7.4, que con frecuencia se llama pH fisiológico. La sangre de pacientes que padecen ciertas enfermedades, como diabetes, puede tener menor pH, condición que se llama acidosis. El estado en el que el pH de la sangre es mayor que 7.4 se llama alcalosis y puede deberse a vómitos persistentes y prolongados (pérdida de ácido clorhídrico del estómago) o a hiperventilación

(excesiva pérdida de ácido carbónico en forma de dióxido de carbono). 

Constante de disociación de ácidos débiles

Los ácidos y bases que se disocian por completo en agua, como el ácido clorhídrico y el hidróxido de sodio, se llaman ácidos fuertes y bases fuertes. Hay muchos otros ácidos y bases, como por ejemplo los aminoácidos que forman las proteínas y las purinas y pirimidinas del ADN y ARN, que no se disocian por completo en el agua. A dichas sustancias se les conoce como ácidos débiles y bases débiles.

Que un ácido se definió como una molécula que puede donar un protón, y una base como un aceptador de protones. Los ácidos y las bases siempre existen en pares porque por cada donador de protón debe haber un aceptador de protón. 

La constante de equilibrio

 Para la disociación de un protón de un ácido en agua se llama constante de disociación del ácido,

Ecuación de Henderson-Hasselbalch

Que define al pH de una solución en función del pKa del ácido débil en el par ácido-base, y del logaritmo de la relación de las concentraciones de la especie disociada (base conjugada) entre la especie protonada (ácido débil).

Soluciones amortiguadoras

(Para resistir cambios de pH)

Si el pH de una solución permanece casi constante cuando se agregan pequeñas cantidades de ácido o base fuerte, se dice que la solución está regulada o amortiguada. La capacidad de una solución para  resistir cambios de pH se llama capacidad de amortiguación. Las soluciones amortiguadoras  resisten los cambios de pH. En la sangre humana el sistema amortiguador  de dióxido de carbono-ácido carbónico-bicarbonato mantiene un pH constante de 7.4

Curvas de titulación

Los valores de pKa de los ácidos débiles
se determinan por titulación.
Ejemplo se titula una solución de ácido
acético agregando pequeñas alícuotas
de una base fuerte de concentración

conocida.

Se mide el pH de la solución y se

gráfica en función de la cantidad de

equivalentes molares de base fuerte

agregados durante la titulación.

Bibliografía: Principios de Bioquímica cuarta edición, Horton