EL AGUA

2.1 IMPORTANCIA BIOLÓGICA DE LAS SOLUCIONES

Para la mayoría de los seres vivos el agua es un componente fundamental y también el de mayor abundancia en los organismos, participa en todas las estructuras orgánicas y sirve como una fase continua en la cual se llevan a cabo las reacciones bioquímicas de la vida. El agua es también el vehículo que lleva en solución o suspensión los componentes de la dieta y que los acompaña en su viaje desde su absorción en el aparato digestivo y su acarreo por los líquidos extracelulares, hasta que penetra llevando los nutrimentos al interior de las células, en donde tiene también un papel fundamental para determinar la estructura de las proteínas, los lípidos, los carbohidratos y todas las moléculas que se hallan en solución.
El agua es el líquido más abundante de la corteza y uno de los pocos líquidos naturales. No es de extrañar entonces que el agua sea una sustancia esencial en los
seres vivos. El agua es el componente más abundante en los medios orgánicos, los
seres vivos contienen por término medio un 70% de agua. No todos tienen la misma cantidad, los vegetales tienen más agua que los animales y ciertos tejidos (por ejemplo: el tejido graso) contienen menos agua -tiene entre un 10% a un 20% de agua- que otros como, por ejemplo: el nervioso, con un 90% de agua. También varía con la edad, así, los individuos jóvenes tienen más agua que los adultos (la carne de ternera es más tierna que la de vaca).

El agua en los seres vivos se encuentra tanto intra como extracelularmente. El agua intracelular, la que está en el interior de las células, representa 2/3, aproximadamente, del agua que contiene un ser vivo y el agua extracelular representa el tercio restante. Esta última se encuentra bañando las células o circulando en forma de sangre, linfa, savia, etc.

En los seres unicelulares y en los organismos acuáticos el agua es además su medio ambiente. El agua no es un simple medio ni una mera fase inerte, es un líquido muy reaccionable. Interviene en muchas reacciones químicas, bien como reactivo o como
producto de la reacción, y resulta imprescindible para la estabilidad de muchas sustancias biológicas, por ejemplo, las proteínas.

Por último diremos que la vida se originó hace más de 3500 millones de años en el medio acuático y las condiciones de aquel ambiente primitivo imprimieron un sello permanente en la química de los seres vivos. Todos los seres vivos han sido diseñados alrededor de las propiedades características del agua, tales como su carácter polar, sus enlaces de hidrógeno y sus elevados puntos de fusión, ebullición,
calor específico y tensión superficial.


2.2 PROPIEDADES GENERALES DEL AGUA

Agua, sustancia líquida formada por la combinación de dos volúmenes de hidrógeno y un volumen de oxígeno, que constituye el componente más abundante en la superficie terrestre.

Hasta el siglo XVIII se creyó que el agua era un elemento, fue el químico ingles Cavendish quien sintetizó agua a partir de una combustión de aire e hidrógeno. Sin embargo los resultados de este experimento no fueron interpretados hasta años más tarde, cuando Lavoisier propuso que el agua no era un elemento sino un compuesto formado por oxígeno y por hidrógeno, siendo su fórmula H2O.

Estado Natural

El agua es la única sustancia que existe a temperaturas ordinarias en los tres estados de la materia: sólido, líquido y gas.


SOLIDO LIQUIDO GAS
-Polos Lluvia Niebla
-Glaciares Rocío Nubes
-Hielo en las superficies Lagos
de agua en invierno Ríos
-Nieve Mares
-Granizo Océanos
-Escarcha


Algunas propiedades del agua
Masa molecular.......... 18 g/mol
Punto de fusión............. 0 °C (a 1 atm)
Punto de ebullición.... 100°C (a 1 atm)
Densidad (a 4° C)......... 1g/cm3
Densidad (0°C)............ 0.97g/cm3
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°5:, 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.
2.3 CARÁCTER BIPOLAR Y ENLACES INTERMOLECULARES DEL AGUA.
Aunque tiene una carga total neutra (posee el mismo número de protones y de electrones), presenta una distribución asimétrica de sus electrones: alrededor del O se concentra una densidad de carga negativa (-) debido a que es un elemento mucho más electronegativo que el H, por ello los núcleos de H quedan desnudos, desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad de carga positiva (+). Este carácter dipolar de la molécula de agua es de trascendental importancia y tiene múltiples consecuencias: La más relevante es que se pueden establecer interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua formando uniones electrostáticas llamadas puentes o enlaces de H: la carga parcial negativa del O de una molécula ejerce atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los átomos de H de otras moléculas adyacentes. Aunque son uniones débiles, el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan otras 3 moléculas unidas por puentes de H permite que se forme en el agua (líquida o sólida) una estructura reticular, responsable de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de sus propiedades fisicoquímicas. Todas las restantes propiedades del agua son, pues, consecuencia de ésta.






1. Acción disolvente

El agua es el líquido que más sustancias disuelve, por eso decimos que es el disolvente universal. Esta propiedad, tal vez la más importante para la vida, se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con otras sustancias que pueden presentar grupos polares o con carga iónica (alcoholes, azúcares con grupos R-OH, aminoácidos y proteínas con grupos que presentan cargas + y - , lo que da lugar a disoluciones moleculares Fig.7. También las moléculas de agua pueden disolver a sustancias salinas que se disocian formando disoluciones iónicas.(Fig.6)

Fig.6


Fig.7



En el caso de las disoluciones iónicas (fig.6) 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:
1. Medio donde ocurren las reacciones del metabolismo
2. Sistemas de transporte
Este efecto puede verse en esta animación, donde vemos a las moléculas de agua separando los iones, e impidiendo que estos vuelvan a unirse.






2. 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 incomprensible. 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.

3. 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 (Fig.8) 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.





Fig.8


4. 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 hidrogenos, 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.

5. Elevado calor de vaporización
Sirve el mismo razonamiento, también los puentes de hidrógenos 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 20°C.
6. Funciones biológica del agua
Las funciones del agua se relacionan íntimamente con las propiedades anteriormente descritas. Se podrían resumir en los siguientes puntos:
1. Soporte o medio donde ocurren las reacciones metabólicas
2. Amortiguador térmico
3. Transporte de sustancias
4. Lubricante, amortiguadora del roce entre órganos
5. Favorece la circulación y turgencia
6. Da flexibilidad y elasticidad a los tejidos
7. Puede intervenir como reactivo en reacciones del metabolismo, aportando hidrogeniones o hidroxilos al medio.


7. Ionización del agua
Como vemos, el agua no es un líquido químicamente puro, ya que se trata de una solución iónica que siempre contiene algunos iones H3O+ y OH- . (Se utiliza el símbolo H+, en lugar de H3O+). El producto [H+] • [OH-]= 10-14, se denomina producto iónico del agua, y constituye la base para establecer la escala de pH, que mide la acidez o alcalinidad de una disolución acuosa, es decir, su concentración de iones [H+] o [OH-] respectivamente.





Fig.9
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+ ) e
• iones hidroxilo (OH-)
En realidad esta disociación es muy débil en el agua pura, y así el producto iónico del agua a 25°C 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 la figura 10 se señala el pH de algunas soluciones. En general hay que decir que la vida se desarrolla a valores de pH próximos a la neutralidad.



8. Sistemas tampón o buffer
Los organismos vivos soportan muy mal las variaciones del pH, aunque tan solo se trate de unas décimas de unidad, y por ello han desarrollado en la historia de la evolución sistemas tampón o buffer que mantienen el pH constante, mediante mecanismos homeostáticos. Las variaciones de pH, afectan a la estabilidad de las proteínas y, en concreto, en la actividad catalítica de los enzimas, pues en función del pH, pueden generar cargas eléctricas que modifiquen su actividad biológica.
Los sistemas tampón que tienden a impedir la variación del pH cuando se añaden pequeñas cantidades de iones H+ o OH- consisten en un par ácido-base conjugada que actúan como dador y aceptor de de protones, respectivamente. Podemos citar otros tampones biológicos, como son el par carbonato-bicarbonato y el par monofosfato-bifosfáto. El pH normal de los fluidos corporales suele oscilar alrededor de 7, Plasma sanguíneo7,4 ; Saliva:6,35-6,95 ; Orina 5,8; jugo gástrico:2,1 etc.
Los sistemas tampón consisten en un par ácido-base conjugada 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 ión 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.


1. 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 pruduce 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 ).



Figura 11

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.



Figura 12
Cuando las concentraciones de los fluidos extracelulares e intracelulares es 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 (plamólisis).
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 (turgescencia), llegando incluso a estallar (Figura 12).
2. La difusión y la 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.

Figura 13

Las partículas dispersas pueden provocar además del movimiento de ósmosis , estos otros dos:
La diálisis. En este caso pueden atravesar la membrana además del disolvente, moléculas de bajo peso molecular y éstas pasan atravesando la membrana desde la solución más concentrada a la más diluida. (Figura 13). Es el fundamento de la hemodiálisis que intenta sustituir la filtración renal deteriorada.
La difusiónsería el fenómeno por el cual las moléculas disueltas tienden a distribuirse uniformemente en el seno del agua. Puede ocurrir también a través de una membrana si es lo suficientemente permeable.
Así se realizan los intercambios de gases y de algunos nutrientes entre la célula y el medio en el que vive.


2.4 FUNCIONES DEL AGUA EN LOS ORGANISMOS

Los seres vivos se han adaptado para utilizar químicamente el agua en dos tipos de reacciones:
a) En la fotosíntesis en la que las enzimas utilizan el agua como fuente de átomos de hidrógeno.
b) En las reacciones de hidrólisis, en que los enzimas hidrolíticos han explotado la capacidad del agua para romper determinados enlaces hasta degradar los compuestos orgánicos en otros más simples, durante los procesos digestivos.
El agua es el componente principal de la estructura celular de los seres vivos el agua constituye de 70 a 85% del peso de muchas células, además, los fluidos extracelulares como la sangre, el líquido cefalorraquídeo, la saliva, la orina y las lágrimas están hechos a base de agua.
El protoplasma, que es la materia básica de las células vivas, consiste en una disolución en agua, de sustancias grasas, carbohidratos, proteínas, sales y otros compuestos químicos similares. El agua desempeña también un papel importante en la descomposición metabólica de moléculas tan esenciales como las proteínas y los carbohidratos. Este proceso, llamado hidrólisis, se produce continuamente en las células vivas.
El agua constituye más del 80% del cuerpo de la mayoría de los organismos, e interviene en la mayor parte de los procesos metabólicos que se realizan en los seres vivos. Desempeña de forma especial un importante papel en la fotosíntesis de las plantas y, además, sirve de hábitat a una gran parte de los organismos.

El agua desempeña también un papel importante en la digestión y absorción de los alimentos ingeridos, y una vez conducidos a los niveles de los tejidos, en la descomposición metabólica de moléculas nutrientes, tan esenciales para el mantenimiento de lo seres vivos, como las proteínas y los carbohidratos; lo que permite su incorporación al cuerpo o su utilización como elementos energéticos. Este proceso, llamado hidrólisis, se produce continuamente en las células vivas.
En los seres humanos y otros organismos biológicamente superiores, el agua está presente en numerosos procesos fisiológicos.
Si los pulmones no estuvieran siempre húmedos, no sería posible la respiración. La humedad de la nariz facilita el filtrado del polvo que se respira y el calentamiento del aire. La transpiración y su consiguiente evaporación, conjuntamente con el vapor de agua eliminado en la respiración, contribuye a mantener regulada la temperatura del cuerpo evitando en ciertos casos que alcance valores excesivos.
En materia de eliminación, además de los elementos residuales de la combustión fisiológica, como las ureas - fundamentalmente eliminadas en la orina - también se producen eliminaciones mediante la transpiración. Por otra parte, al constituir una sustancia ambiental para la vida, el agua es el hábitat de una parte fundamental de la flora y fauna del planeta.
Dada la importancia del agua para la vida de todos los seres vivos, y debido al aumento de las necesidades de ella por el continuo desarrollo de la humanidad, el hombre está en la obligación de proteger este recurso y evitar toda influencia nociva sobre las fuentes del preciado líquido.




CONTESTA TU EXAMEN
1. Los enlaces por puente de Hidrógeno son

a) Más débiles que los covalentes
b) Más fuertes que los covalentes
c) Igual de fuertes que los covalentes

2. El agua es un líquido casi incompresible debido a:

a) Elevada fuerza de adhesión
b) La fuerza de cohesión entre sus moléculas
c) Elevado grado de ionización

3. En el agua la concentración de iones OH- y H+ es :

a) Muy alta
b) Baja
c) Muy Baja

4. ¿Cuál es el productor iónico del agua?

a) [H+]•[OH-]= 10-14
b) [H-]•[OH+]= 10-14
c) [H+]•[OH-]= 7

5. ¿Para qué utilizan los seres vivos los sistemas tampón?

a) Para elevar o bajar su pH.
b) Para que su pH varié con el medio.
c) Para mantener su pH constante.

6. Entendemos por presión osmótica ....

a) La presión de la atmósfera sobre los seres vivos.
b) La necesaria para detener el flujo de agua a través de la membrana semipermeable.
c) La necesaria para aumentar el flujo de agua a través de la membrana semipermeable.






ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE

1.- Explica, ayudándote de un dibujo, una de las propiedades más importantes del agua: la fuerte cohesión entre sus moléculas.
2.- Funciones del agua en los seres vivos.
3.- Relaciona los términos turgencia y plasmólisis.
4.- Explica las razones por las que consideramos el agua como disolvente universal. ¿Por qué es tan importante esta función en los seres vivos?
5.- Importancia de la ósmosis en los seres vivos. Citar ejemplos.
6.- Solubilidad en el agua. Moléculas hidrófilas e hidrófobas.
7.- Concepto de sistema tampón. Citar algún ejemplo.

Secado de alimentos
http://www.epsea.org/esp/alimentos.html

Datos generales sobre el agua
http://www.fortunecity.com/campus/dawson/196/agua.htm