Papel del agua en los procesos biológicos

Importancia del agua en los sistemas biológicos. El agua como solvente y regulador de la temperatura.



El agua es Vida

Composición y estructura del agua

El agua es una molécula sencilla formada por átomos pequeños, dos de hidrógeno y uno de oxígeno, unidos por  enlaces covalentes muy fuertes que hacen que la molécula sea muy estable.
La molécula de agua (H2O) tiene una forma de V y el ángulo entre los dos enlaces covalente O-H es de 104.5°. Algunas propiedades importantes del agua se deben a la forma angulada y a los enlaces intermoleculares que pueden formar.
En el agua, los enlaces covalente implican a dos átomos distintos de hidrógeno, cada uno de los cuales comparte su único electrón con el átomo de oxígeno. Los átomos de oxigeno son más electronegativos que los de hidrogeno. El resultado es que se suscita una distribución desigual de cargas dentro de cada enlace O-H en la molécula de agua, con el oxígeno teniendo una carga negativa parcial.

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. La atracción entre uno de los átomos de hidrogeno, ligeramente positivo, de una molécula de agua y los pares de electrones parcialmente negativos es uno de los orbitales híbridos sp3, produce un puente de hidrógeno.
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 hidrogeno. Al mismo tiempo, está unido a otro átomo de oxígeno, llamado aceptor de hidrogeno. De hecho, el átomo de hidrogeno está compartido (en forma desigual) entre los dos átomos de oxígeno. La distancia del átomo de hidrogeno al átomo de oxígeno aceptor tiene más o menos una longitud del doble que la del enlace covalente.

Miles han vivido sin amor y ni uno solo sin agua.” Es una frase que mencionó Wystan Huhg Auden (1903- 1973) hace pocos años, y hace referencia a la importancia vital que tiene el agua.

El agua es un compuesto extraordinariamente simple, con propiedades excepcionales y únicas como  consecuencia de su composición y estructura y que sin ella sería imposible la vida.

La vida en la Tierra se suele describir como un fenómeno basado en el carbono, pero sería igualmente correcto llamarlo un fenómeno basado en el agua. Es probable que la vida se haya originado en el agua, hace más de tres millones de años, y que todas las células vivientes sigan dependiendo del agua para existir. En la mayor parte de las células el agua es la molécula más importante y forma de 60 a 90% se su masa.

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, mientras que sus propiedades químicas condicionan que forme enlaces débiles con otros compuestos, incluso otras moléculas de agua. Las propiedades químicas del agua se relacionan también con las funciones de las macromoléculas de las células y de los organismos completos.

El agua es fundamental para prácticamente todas las funciones del organismo sobre todo en las relacionadas con su capacidad solvente, de transporte, estructural y termorreguladora, además de ser  su componente más abundante, en otras palabras el agua es en el hombre, el líquido en el que se produce el proceso de la vida y, de hecho, la supervivencia de las células depende de su capacidad para mantener el volumen celular y la homeostasia.

El agua (aceptando o donando protones) también contribuye en el mantenimiento del pH, esencial para la vida, ya que la actividad de muchos procesos, como por ejemplo la actividad enzimática, es pH dependiente. Mantiene el volumen vascular y permite la circulación de la sangre. Es el medio en el que funcionan todos los sistemas de transporte, permitiendo el intercambio de sustancias. Es el río fisiológico en el que navegan los nutrientes de la vida, transportando también hormonas, metabolitos y otras muchas sustancias necesarias para la célula, así como los productos de desecho a los pulmones, riñones, intestino o piel para ser eliminados.
Finalmente el agua, junto con sustancias viscosas, actúa como lubricante: la saliva lubrica la boca y facilita la masticación y la deglución, las lágrimas lubrican los ojos y limpian cualquier impureza; el líquido sinovial baña las articulaciones; las secreciones mucosas lubrican el aparato digestivo, el respiratorio, el genito-urinario. Mantiene también la humedad necesaria en oídos, nariz o garganta. Proporciona flexibilidad, turgencia y elasticidad a los tejidos. El líquido del globo ocular, el cefalorraquídeo, el líquido amniótico y en general los líquidos del organismo amortiguan y nos protege de traumatismos.

El agua como solvente

Las propiedades físicas del agua se combinan para hacerla un excelente solvente. El agua puede interactuar y disolver otros compuestos polares y compuestos que se ionizan. La ionización se relaciona con la ganancia o pérdida de un electrón que da lugar a un átomo o compuesto que presenta una carga neta. Las moléculas que se pueden disociar y formar iones se llaman electrolitos. Las sustancias que se disuelven con facilidad en agua se llaman hidrofílicas o amantes del agua.
Las moléculas polares se intercalan con facilidad entre las moléculas de agua, al interactuar sus dipolos con ellas, de manera semejante a la que actúan entre sí, las mismas moléculas de agua. En algunos casos los solutos polares funcionan como donadores o como receptores, en los puentes de Hidrogeno  que se establecen entre sus moléculas y las del agua. Las sustancias iónicas se disuelven en el agua porque sus moléculas atraen electrostáticamente a los iones que las forman. La interacción con los iones positivos se establece en el polo negativo de la molécula de agua, mientras que la interacción con los iones negativos se produce con el polo positivo de la molécula de agua.

El agua como regulador de la temperatura

El comportamiento térmico del agua es único y gracias a ello el agua es el principal responsable del sistema termorregulador del organismo, manteniendo la temperatura corporal constante, independientemente del entorno y de la actividad metabólica. Esta es una de sus funciones más importantes. Tiene una alta conductividad térmica que permite la distribución rápida y regular del calor corporal, evitando gradientes de temperatura entre las diferentes zonas del organismo y favoreciendo la transferencia de calor a la piel para ser evaporada.

Su alto calor específico [1 kcal/kg º C = 4180 J/kg ·K], consecuencia de la gran capacidad para almacenar energía en los puentes de hidrógeno, la convierte en un excepcional amortiguador y regulador de los cambios térmicos. Aunque acepte o ceda una gran cantidad de calor, su temperatura se modifica muy poco, gracias a su gran capacidad para almacenar calor.

Un ejemplo de la termorregulación es durante el ejercicio, cuando la necesidad de utilizar energía mecánica aumenta, la producción de calor también es mayor. En estos casos, para prevenir un peligroso aumento de temperatura, el agua absorbe el calor allí donde es generado y lo disipa en los compartimentos líquidos del organismo, minimizando el riesgo de daño localizado por calor a enzimas o estructuras proteicas.

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