ESTRUCTURA DE LA MOLÉCULA DE AGUA Y CARÁCTER DIPOLAR El extraordinario comportamiento del agua reside, en último término, en la disposición tetraédrica de los orbitales del oxígeno que determina un ángulo entre los enlaces H-O-H aproximadamente de 104,5º, además el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno, y atrae con más fuerza a los electrones de cada enlace. La consecuencia de esta conformación espacial, como se muestra en el modelo molecular de la figura, es que la molécula de agua, aunque tienen una carga total neutra (mismo número de protones y electrones) presenta una distribución asimétrica de sus electrones, lo que la convierte en una molécula polar. El agua es una molécula polar: en la nube electrónica alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa (δ-) mientras los núcleos de hidrógeno quedan desnudos, desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad de carga positiva (δ+).
Enlaces por puentes de hidrógeno El marcado carácter dipolar de las moléculas de agua permite que se produzcan interacciones con otras moléculas polares o con iones cargados eléctricamente. Se establecen interacciones entre las propias moléculas de agua, que pertenecen a un tipo de uniones electrostáticas denominadas puentes de hidrógeno. La carga parcial negativa del oxígeno de una molécula ejerce atracción electrostática sobe las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otras moléculas adyacentes, de manera que una molécula de agua puede participar hasta en cuatro puentes de hidrógeno a la vez.
Estructura reticular del
agua líquida
Aunque los enlaces mediante puentes de hidrógeno son uniones débiles, el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se disponga un promedio de 3,4 moléculas de agua, unidas por puentes de hidrógeno, permite que se forme en el seno del agua (líquida o sólida) una estructura perfectamente ordenada de tipo reticular, responsable, en gran parte, de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de sus propiedades fisicoquímicas.
PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS Y FUNCIONES BIOLÓGICAS. Las propiedades fisicoquímicas del agua, derivadas de su peculiar estructura molecular, también determinan su función biológica y justifican la importancia del ambiente acuoso en la aparición y mantenimiento de la vida sobre la Tierra. Acción disolvente El agua es el líquido que más sustancias disuelve, lo que le ha valido el calificativo de 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 se disuelven cuando interaccionan con las moléculas polares del agua. Las sustancias que se disuelven en medios acuosos se denominan hidrófilas, las que no lo hacen son hidrófobas, mientras que las que se disuelven tanto en disolventes acuosos como en disolventes orgánicos se denominan anfipáticas. Sustancias hidrofílicas, las moléculas polares, como la glucosa, se disuelven debido a que establecen puentes de hidrógeno con las moléculas de agua y se “alojan” en el seno de su estructura reticular. Sustancias hidrofóbicas, las moléculas que no son polares, como los hidrocarburos, no pueden establecer puentes de hidrógeno, por lo que interrumpen la estructura reticular del agua, que se reorganiza alrededor de cada molécula apolar y forma estructuras altamente organizadas en forma de jaulas. Sustancias antipáticas, muchas moléculas biológicas, como los ácidos grasos y los fosfolípidos, son antipáticas, es decir tienen regiones polares que se disuelven en medios acuosos y zonas apolares que no se disuelven. La capacidad disolvente es responsable de dos importantes funciones que el agua posee en los seres vivos: Es el medio donde transcurre la mayoría de las reacciones del metabolismo, pues el requisito indispensable para que dos sustancias reaccionen es que se encuentren disueltas en el mismo medio y puedan interaccionar. Los líquidos del medio interno y el citoplasma celular son fundamentalmente acuosos y las actividades metabólicas responsables de la vida celular, dependen casi todas ellas de las sustancias disueltas que contienen.
El aporte de nutrientes y la eliminación de los productos de desecho se realizan a través de sistemas de transporte acuosos (sangre y savia)
Elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas. La fuerza de cohesión mantiene unidas las moléculas de agua. Los puentes de hidrógeno mantienen las moléculas de agua fuertemente cohesionadas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. Al no poder comprimirse llega a actuar como esqueleto hidrostático en algunos animales invertebrados y del mismo modo, permite la turgencia en las plantas. La fuerza de cohesión también es responsable de la elevada tensión superficial del agua, una fuerza de atracción que tira de las moléculas de la superficial del agua hacia el interior del líquido y hace que las gotas de agua adopten la forma esférica. Elevada fuerza de adhesión. La adhesión es la fuerza que mantiene unidas las moléculas de sustancias diferentes. 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. A este fenómeno se debe, en parte, la ascensión de a savia bruta desde las raíces hasta las hojas, a través de los delgados vasos leñosos. Elevado calor específico. Se denomina calor específico a la capacidad de almacenar energía para un aumento determinado de la temperatura. El agua puede absorber grandes cantidades de calor, que se utiliza en romper la infinidad de puentes de hidrógeno, por lo que, proporcionalmente, su temperatura solo se eleva ligeramente. Del mismo modo, su temperatura desciende con más lentitud que la de otros líquidos a medida que va liberando energía al enfriarse. Esta propiedad permite que el citoplasma acuoso sirva de protección a las sensibles moléculas orgánicas ante los cambios bruscos de temperatura por actuar como un tampón térmico que mantiene la temperatura del organismo relativamente constante a pesar de las variaciones de la temperatura externa. Elevado calor latente de vaporización. El calor latente de vaporización del agua es la energía necesaria para evaporar un gramo de agua, a 20ºC son precisas 540 calorías. Esto da idea de la energía necesaria, primero, para romper los puentes de hidrógeno establecidos entre las moléculas de agua líquida y, posteriormente, para dotar a estas moléculas de la energía cinética suficiente para abandonar la fase líquida y pasar al estado de vapor. Por esta razón, cuando se evapora el agua o cualquier otro liquido, disminuye la temperatura, lo que constituye un método eficaz en los vertebrados para disipar calor por
sudoración, también las plantas utilizan este sistema de refrigeración mediante la transpiración por las hojas evaporando sustancias volátiles. Menor densidad del hielo que del agua líquida El agua permanece líquida en un amplio margen de temperaturas, entre 0ºC y 100ºC que son las más adecuadas para los procesos biológicos. Cuando el agua se enfría se contrae su volumen, como sucede en todos los cuerpos, pero al alcanzar los 4ºC cesa la contracción y su estructura se dilata hasta transformarse en hielo en el punto de congelación, que es menos denso que el agua líquida y flota sobre ella. Función bioquímica del agua. Los seres vivos se han adaptado para utilizar químicamente el agua en dos tipos de reacciones fundamentales: la fotosíntesis y las reacciones de hidrólisis. En la fotosíntesis, las enzimas utilizan el agua como fuente de átomos de hidrógeno. Para que un cultivo vegetal produzca aproximadamente cinco toneladas de materia seca se necesitan fijar y transformar unas tres toneladas de agua. En las reacciones de hidrólisis, las enzimas han explotado la capacidad del agua de romper determinados enlaces para degradar los compuestos orgánicos en otros más simples como en los procesos digestivos.
FUNCIONES S e mantiene líquida entre 0º C y 1 00ºC
Amplio rango de temperaturas idóneo para la aparición y el mantenimiento de la vida en la T ierra.
Acción dis olvente
E levada fuerza de cohes ión
E levada fuerza de adhes ión
Los medios acuos os (s angre, s avia,..) facilitan el trans porte de s us tancias en dis olución (nutrientes y des echos ). Es el medio en el que trans curre gran parte de las reacciones metabólicas . E l agua actúa como es queleto hidros tático en algunos organismos e incrementa la turgencia en las plantas . E s res pons able del fenómeno de la capilaridad que facilita el ascens o de la s avia bruta a través de los vas os leños os . J unto con la cohes ión, es res pons able del fenómeno de la capilaridad que facilita el as cens o de la s avia bruta a través de los vas os leños os .
G ran calor es pecífico
E levado calor latente de vaporización
E l agua actúa como amortiguador térmico evitando variaciones brus cas de la temperatura.
Menor dens idad del hielo que del agua líquida
La evaporación del agua cons tituye un eficaz s is tema de refrigeración en plantas (trans piración) y animales ( s udoración).
Acción bioquímica del agua
E l hielo es menos dens o que el agua, lo que permite la vida bajo las aguas heladas . Los s eres vivos utilizan químicamente el agua en las reacciones de fotos íntes is e hidrólisis