AGUA: EL LÍQUIDO DE LA VIDA

En el estudio de la bioquímica es importante comprender al agua y sus propiedades ya que los componentes macromoleculares (proteínas, polisacáridos, acidos nucleicos y membranas) de las células asumen su forma características como respuesta al agua.

Algunas propiedades importantes del agua se deben a la forma angulada y a los enlaces intermoleculares que puede formar. En una molécula de agua, existe una distribución desigual de cargas con el oxígeno e hidrógeno, esta distribución se llama dipolo y su enlace es polar. La polaridad de una molécula depende tanto de la polaridad de sus enlaces covalentes como de su geometría. Ejemplo, una molécula de amoniaco también es polar y es soluble en agua, por ello se dice que “lo semejante disuelve a lo semejante; sin embargo, no todas las moléculas son polares, por ejemplo, el dióxido de carbono no lo es, esto se debe a que, a pesar que contiene enlace covalente, estos enlaces están alineados y opuesto y hace que sus polaridades se anulen.

Un puente de hidrógeno es el producto de la atracción entre uno de los átomos de hidrógeno y los pares de electrones. En los puentes de hidrógeno, la orientación es importante ya que es más estable cuando el átomo de hidrógeno y los dos átomos electronegativos asociados a él forman casi una línea recta.

La capacidad que tienen las moléculas de agua en el hielo para formar puentes de hidrógeno y su fuerza, determinan que su punto de fusión es anormalmente alto debido a la gran cantidad de energía que necesita para destruir la red cristalina. Esta característica se relaciona con dos propiedades del agua: el calor específico y su calor de evaporación.

estructura cristalina (Hielo)

Las propiedades físicas del agua hacen que éste sea un excelente disolvente, por ejemplo: El agua puede interactuar y disolver otros compuestos polares y compuestos que se ionizan, este último se relaciona con la ganancia o pérdida de un electrón y estas sustancias se llaman electrolitos. Los electrolitos se puede disolver ya que las moléculas del agua son polares y se alinean entre sí en torno a los electrolitos y ésta hace su unión.

Los hidrocarburos y otras sustancias no polares presentan una solubilidad muy baja en agua porque las moléculas de agua tienden a interactuar con otras moléculas de agua y no con moléculas no polares. El resultado es que las moléculas de agua excluyen a las sustancias no polares forzándolas a asociarse entre sí. Estas moléculas no polares son hidrofóbicas y el efecto de exclusión de sustancias no polares se le llama efecto hidrofóbico, este efecto es crítico para el plegamiento de las proteínas y el autoensamblaje de las membranas biológicas.

Además de los puentes de hidrógeno e interacciones hidrofóbicos, existen otras clases de interacciones no covalentes: interacciones carga-carga, fuerzas de Van Der Waals. Todas estas también se denominan interacciones electrostáticas:

·         Las interacciones carga-carga o apareamiento de iones son potencialmente las fuerzas covalentes más grandes y se pueden extender a mayores distancias que otras interacciones no covalente; ejemplo, NaCl. Debemos recalcar que, aunque el agua debilita estas interacciones, estas desempeñan un papel importante en el reconocimiento de una molécula; por ejemplo, la atracción de los sitios aniónicos o catiónicos que se unen a reactivos con cargas opuestas en las enzimas (también llamadas puentes salinos).

·         Las fuerzas de Van Der Waals son atracciones dipolares o electrostáticas entre los núcleos de átomos o moléculas y los electrones de átomos o moléculas. solo se producen cuando los átomos están muy cercas. Estas fuerzas pueden ser tanto de repulsión como atracción, ésta última llamadas también fuerzas de dispersión de London que se originan en el dipolo infinitesimal generado en los átomos de por el movimiento aleatorio de los electrones en torno a los núcleos.

El agua es nucleofílico porque el oxígeno, rico en electrones o llamado también nucleófilo, determina gran parte de la reactividad del agua en las reacciones químicas.

El agua pura no está formada solo por  H20 sino también por concentraciones bajas de iones hidronio e hidróxido, formadas por un ataque nucleofílico del oxígeno contra uno de los protones en una molécula adyacente de agua. Cabe destacar que la reacción de ionización es una reacción reversible típica.

El pH se define como el logaritmo negativo de la concentración de iones hidrógeno. Se usa esta cantidad logarítmica como medida de la concentración de iones hidrógeno debido a que el intervalo de concentración de iones hidrógeno en soluciones acuosas es enorme, aunque esta concentración en las células es pequeña en relación con la concentración del agua.

Las soluciones neutras tienen un valor de pH igual a 7.0.

Las soluciones ácidas tienen un exceso de iones hidrógeno debido a la presencia de soluto disuelto que suministra iones hidrógeno y las soluciones básicas, viceversa.

Las soluciones básicas tienen valores de pH mayores que 7.0 y las soluciones ácidas tienen valores de pH menores que 7.0.

Los ácidos y bases que se disocian por completo en agua, se llaman ácidos o bases fuertes. Por ejemplo, el ácido clorhídrico y el hidróxido de sodio.

La constante de equilibrio para la disociación de un protón de un ácido en agua se llama constante de disociación del ácido Ka. Cuando la reacción llega al equilibrio, lo que sucede con mucha rapidez, la constante de disociación del ácido es igual a la concentración de los productos dividida entre la concentración de los reactivos.

La ecuación de Henderson-Hasselbalch define al pH de una solución en función del  pKa del ácido débil en el par acido-base y del logaritmo de la relación de las concentraciones de la especie disociada (base conjugada) entre la especie protonada (ácido débil). Además, Las soluciones amortiguadoras resisten a los cambios de pH.