Introducción El agua constituye el 50-90 % del peso de todo ser vivo funcionante. El contenido del agua en la célula es la suma de una porción libre y de otra ligada. El agua libre representa el 95 % del agua total y se usa como solvente de solutos y como medio dispersante del sistema coloidal del citoplasma. El agua ligada es el 5 % restante, encontrándose ligada laxamente a proteínas por puentes de H. Estructura Molecular H H O O 105 º H H La molécula de H 2 O tiene dos átomos de H y un átomo de O. Cada H está unido al O por un enlace covalente : el único e - del H forma un par de e - con uno de los e - del O. En conjunto, la molécula de H 2 0 es neutra : mismo número de protones que electrones. Sin embargo, la molécula es polar. Debido a la fuerte atracción del núcleo del O sobre los e -, los del enlace covalente pasan más tiempo cerca del núcleo del O que del H, así la región próxima al H es débilmente positiva Además, el átomo de O posee 4 e - no compartidos en su nivel externo, esta zona es débilmente negativa. En términos de polaridad, cada molécula de H 2 O posee 4 vértices : 2 con carga positiva y 2 con carga negativa. Recordemos que existen 2 clases de enlaces químicos : el covalente, fuerte y el no covalente, débil. Este último, determina la arquitectura tridimensional de grandes moléculas biológicas. Los 4 tipos de enlaces no covalentes son : enlace de H, enlace iónico, fuerzas de Van der Waals y enlace hidrofóbico. Un enlace de H se establece entre un vértice negativo de una molécula y el vértice positivo de otra molécula. Cada molécula de agua puede establecer enlaces de H con 4 moléculas de agua. Los enlaces de H son débiles y de duración corta (1/100.000 millones de seg.), pero al romperse se forma otro.
En el agua líquida, cada molécula de agua, aparentemente, forma enlaces de H transitorios con varias otras moléculas creando una trama fluída de moléculas unidas por H. En condiciones de temperatura y presión ordinarias, las moléculas están adheridas y, como consecuencia de esta adhesión, tenemos fenómenos de tensión superficial, capilaridad e imbibición. A. PROPIEDADES FISICAS 1. Tensión superficial. La tensión superficial es la cohesión de moléculas de agua entre ellas o con otras sustancias. El Hg es el único líquido con tensión superficial superior al agua. La molécula de agua al poseer cargas positiva y negativa se adhiere a otras moléculas cargadas o a superficies cargadas. La propiedad humectante (propiedad de cubrir superficies) se debe a estructura polar y cohesividad. Ejemplos : gota esférica goteando desde un grifo, insectos que caminan sobre el agua. 2. Capilaridad Es la propiedad de las moléculas de agua de adherirse a superficies y ascender por espacios reducidos. Esta propiedad aumenta con la reducción del espacio. Ejemplo : el agua asciende por un papel poroso, asciende por conductos vegetales (floema, xilema); dos portaobjetos secos en íntimo contacto, al sumergirlos en agua por uno de sus vértices, el agua asciende entre ellos. 3. Imbibición. Es la penetración de moléculas de agua por capilaridad en sustancias como madera o gelatina, las cuales se hinchan con enorme presión. Ejemplos : semillas duras al germinar se dilatan y revientan. En Medicina, se dan situaciones en las cuales los embriones (antes de la 8ª semana) o fetos (después de la 9ª semana) mueren dentro del útero y no son expulsados espontánea-mente, por lo cual deben ser extraídos. La vía de acceso al útero es el cuello del útero, el cual en este tiempo del embarazo se encuentra cerrado. Con el fin de disminuir las lesiones potenciales sobre el cuello por una dilatación mecánica, frecuentemente se utiliza un trozo cilíndrico (3-5 cm. de largo por 0.3 cm. de diámetro) de una alga seca denominada laminaria que se inserta en el canal cervical. Permanece allí por varias horas y el cuello llega a
dilatarse por expansión de la laminaria que ha aumentado de volumen debido a una imbibición del agua de las secreciones cervicales. Las moléculas polares de sustancias que se disuelven en agua son hidrófilicas, atraen a moléculas de agua más que lo que ellas se atraen entre sí. Moléculas apolares (grasas) tienden a ser insolubles y a aglomerarse entre sí formando gotas cuando están en agua. Estas son hidrófobas y las aglomeraciones de moléculas apolares se conoce como interacciones hidrofóbicas. 2. Ionización del agua. En el agua líquida hay tendencia a que un H de una molécula sea atraído por otra molécula. H 2 O + H 2 O OH - + H 3 O + PROPIEDADES QUIMICAS 1. Propiedad disolvente Muchas sustancias de los seres vivos están en solución. La solución es una mezcla uniforme de moléculas de 2 ó más sustancias, la sustancia más abundante es el solvente y la menos abundante es el soluto. La polaridad de las moléculas de agua es responsable de la capacidad para actuar como solvente. Las moléculas polares del agua separan iones (caso del NaCl) enfrentando el polo contrario al ión. Otras moléculas tienen áreas de carga + ó. La cantidad de moléculas ionizadas es igual a las no ionizadas; así, mientras unas moléculas se ionizan, una cantidad igual está formándose por unión de sus iones : es el equilibrio dinámico. Por convención, la ionización del agua se expresa : H OH H + + OH - en donde los iones se llaman productos de disociación del agua. Así, el agua es un ejemplo de molécula anfotérica, puede ser ácida o básica. Actúa como un ácido cuando dona un protón quedando como ión hidroxilo o como base cuando acepta un protón.
C.PROPIEDADES TERMODINAMICAS 1. Calor específico Es la cantidad de calor que una cantidad dada de sustancia debe recibir para que ocurra un aumento dado de temperatura. En la práctica, se traduce en una caloría : es la cantidad de calor necesario para elevar en 1 ºC la temperatura a 1 gr de agua. Ejemplos : SUSTANCIA CALOR ESPECIFICO (en calorías) agua 1.00 sal 0.21 alcohol 0.60 amoníaco líquido 1.23 hierro 0.10 plomo 0.03 Para aumentar la temperatura del agua se requiere de un gran aporte de energía. Este gran calor específico se debe a los enlaces de H que tienden a restringir los movimientos de las moléculas. El calor suministrado al agua sirve para romper los enlaces de H y una pequeña parte de él para acelerar el movimiento de las moléculas. En términos biológicos : al ocurrir un aporte de calor, la temperatura del agua sube con lentitud y al retirar el calor, también desciende con lentitud. Esta constancia en la temperatura del agua es crucial para la célula, puesto que las reacciones químicas tienen lugar dentro de estrechos rangos de temperatura. 2. Calor de vaporización Es el cambio del estado líquido al estado gaseoso, se llama también evaporación. El agua tiene un gran calor de vaporización, ya que necesita más de 500 calorías para que un gramo de agua líquida se convierta en vapor. Ejemplos : LIQUIDO Agua ( 0 ºC) Agua (100 ºC) Amoníaco líq. Alcohol Éter CALOR REQUERIDO (en calorías) 596 540 295 236 9 El calor aportado acelera el movimiento de las moléculas de agua y las de la superficie se desprenden con facilidad pasando al aire. Cuando el agua se evapora, las moléculas que escapan se llevan consigo una gran cantidad de calor : la evaporación produce enfriamiento. La importancia biológica de este fenómeno es que se requiere mucho calor para que se pierdan moléculas de agua desde la superficie. (ver dibujo siguiente página)
aire agua Flechas = calor 3. Congelación Moléculas de agua gaseosa Moléculas de agua líquida Es el cambio del estado líquido al sólido. En la mayoría de los líquidos la densidad aumenta al descender la temperatura. Se debe a que las moléculas se mueven con lentitud y disminuyen los espacios entre ellas. Con el agua sucede lo mismo hasta los 4 ºC, al descender más la temperatura, las moléculas se ordenan espacialmente formando estructuras hexagonales cristalinas, mediante enlaces de H. En consecuencia, el agua sólida ocupa más volumen que el agua líquida, pero es menos densa. Además, esta disposición tridimensional cristalina explica las figuras hexagonales exhibidas por los copos de nieve. Importancia biológica : mares, lagos y ríos con vida acuática, al congelarse lo hace la superficie solamente, dejando el resto líquido. La disolución de sustancias en agua disminuye la temperatura a la cual se congela. En peces de agua dulce, con líquidos corporales salados en comparación con el medio, no se congelan cuando el agua del medio llega a cero grado. Por el contrario, peces de agua salada con líquidos corporales menos salados que el medio deberían congelarse antes que el medio, pero ellos producen una proteína, que contiene glicerol, que actúa como anticongelante. ph El principal solvente dentro de la célula y en todos los fluidos extracelulares es el agua. Una característica importante de cualquier solución acuosa es la concentración de iones hidrógenos cargados positivamente (H + ) y iones hidroxilos cargados negativamente (OH - ).
Debido a que estos iones son el producto de la disociación del agua, ellos están formando parte de todos los sistemas vivientes. Para poder determinar la concentración de iones H+ en una solución, se utiliza la escala del ph. Esta escala va desde el cero (0) hasta el 14, donde el 7 se considera neutro, menor a 7 es ácido y mayor de 7 es básico (alcalino). Conc.H + ph Ejemplo 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 10 11 10 12 10 13 10 14 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Jugo gástrico Jugo limón Vinagre Destapa cañerías Lisosomas Citoplasma Agua pura Agua de mar Lagos alcalinos Amoníaco casero Cal Blanqueador En reglas generales, cualquier ión o molécula cargada que pueda liberar H + es llamada ácida y aquella que pueda captar H + es llamada básica. Las células de los organismos superiores contienen organelas, por ejemplo los lisosomas, que contienen enzimas catalíticas que solo funcionan a un ph cercano a 5, muy por debajo del ph del citoplasma circundante (7.2). IMPORTANCIA MÉDICA DEL AGUA El contenido de agua corporal total en un adulto normal varía entre el 55 al 65 % de su peso corporal. Estos porcentajes varían según la edad de la persona : en recién nacidos y lactantes el porcentaje es mayor y en los ancianos en mucho menor. Para que un ser humano mantenga el agua corporal total dentro de un rango de normalidad debe tener ingresos normales, que están dados por la ingesta de líquidos y en el agua contenida en los alimentos; así como pérdidas normales, como la eliminación de agua a través de orina, heces y pérdidas insensibles (sudor y espiración). Si un ser humano sufre pérdidas anormales de líquidos, como por ejemplo los vómitos, diarrea, fiebre y otros signos de enfermedades tan frecuentes en nuestra sociedad, como la gastroenteritis o el cólera, entonces las pérdidas de líquidos superan en gran medida a los ingresos y el paciente llega a un estado de deshidratación.
En niños pequeños, esta condición es muy delicada, ya que desde el punto de vista clínico, en ellos se puede apreciar : sed intensa, piel seca, hundimiento de las fontanelas, letargia, somnolencia y hasta puede causar shock y luego la muerte, si no se trata a tiempo. El principio físico que produce la osmosis es la presión osmótica, que se define como la presión hidrostática necesaria para detener el flujo de agua que atraviesa una membrana que separa 2 soluciones de diferentes composiciones. En este aspecto, la palabra membrana podría corresponder a una membrana celular real o a varias capas de células, que podrían actuar como una membrana. A B Dónde están mis fontanelas? Señálalas con una flecha. MENOS concentración de soluto MAS concentración de soluto Movimiento del agua Movimiento del agua Existen 2 fenómenos aparentemente no relacionados : la regulación del volumen del agua en las células y el flujo masivo del agua a través de una o más capas de células. Ejemplos : el paso del agua desde la sangre al lumen gástrico atravesando varias capas de células y el paso del agua a través de la membrana de una célula. El fenómeno físico responsable de ambos fenómenos es la osmosis, que consiste en el movimiento del agua desde una solución con menor concentración de soluto a otra con mayor concentración de soluto. En A ó en B hay más agua? En A ó en B hay menos soluto? En A ó en B hay más presión osmótica? La membrana de una célula está fundamentalmente formada por una doble capa de lípidos, esta bicapa es algo permeable al agua, sin embargo, los volúmenes de movimiento de agua no pueden ser explicados por el simple movimiento a través de la bicapa, lo cual presupone la existencia de ciertos canales que permitirían el paso del agua a través de la membrana. El agua podría atravesar sola o acompañando a algunos solutos (glucosa, cloruro).
Las demostraciones evidentes de la presión osmótica ocurren cuando células animales son colocadas en medios de mayor o menor concentración de solutos que el citoplasma. En el primer caso, se dice que la célula se encuentra en un medio hipertónico y en el segundo en un medio hipotónico. Cuando la célula se encuentra en un medio hipertónico, el agua del citoplasma sale al exterior y la célula se encoge. Cuando se encuentra en un medio hipotónico, entra agua a la célula y llega a hincharse. hipertónico isotónico hipotónico Las células del organismo están permanentemente sometidas a estas variaciones en el medio ambiente, lo cual deduce la existencia de mecanismos reguladores de la tonicidad interna. Podría explicar qué mecanismos usaría una célula al encontrarse en un medio hipertónico y en otro hipotónico? 1. Qué tipo de enlace se establece entre el H y el O de una molécula de agua? 2. Explique cada uno de los tipos de enlaces no covalentes. 3. La molécula de agua, puede considerarse como un dipolo?. Justifique su respuesta. 4. Si llena un vaso de agua hasta el borde y lo observamos desde un lado, vemos que se forma una cúpula en su superficie. Explique este fenómeno. 5. Se sabe que el organismo está compuesto por un gran porcentaje de agua y queremos disolver un medicamento en éste, qué característica química debe tener este medicamento? 6. Relacione el calor de vaporización del agua con la función del sudor en los seres humanos y su importancia fisiológica. 7. (Complete con las palabras hipertónico o hipotónico) : Si tenemos un paciente que sufre de diarrea aguda y llega al estado de deshidratación, su medio interno llega a un estado, pero si le administramos excesiva cantidad de líquidos podemos llevar el medio interno a un estado.