Macromoléculas

PROTEÍNAS.
Por Eric E. Conn y P. K. Stumpf
Las proteínas son moléculas de elevado peso molecular, el cual varía entre unos cuantos millares y un millón o más. Contienen carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y con frecuencia azufre. La composición elemental de la mayoría de las proteínas es muy parecida; los porcentajes aproximados son: C=50-55, H= 6-8, O= 20-23, N= 15-18 y S= 0-4. Estos datos permiten calcular el contenido proteico de cada material biológico o de un alimento; el contenido proteico se puede estimar mediante la determinación cuantitativa de nitrógeno presente, en la mayoría de las proteínas corresponde a 16%. Las unidades fundamentales de las proteínas son los aminoácidos, con excepción del triptófano, todos los aminoácidos naturales son estables al tratamiento con ácidos fuertes.
En el estado sólido y en solución, los aminoácidos tienen dos propiedades fáciles de observar y que suministran información acerca de su estructura: los aminoácidos, con ciertas excepciones, son solubles en agua y bastante insolubles en los solventes orgánicos no polares del tipo del éter, del cloroformo y de la acetona. Esta observación está en contradicción con las propiedades conocidas de los ácidos carboxílicos y de las aminas orgánicas. La otra propiedad física de los aminoácidos que se relaciona con su estructura es su elevado punto de fusión, que con frecuencia determina su descomposición. Los puntos de fusión de los ácidos carboxílicos sólidos y de las aminas por lo general son bajos precisos. Las solubilidades y los puntos de fusión sugieren claramente que se trata de grupos cargados y altamente polares. Lo anterior nos llevará a considerar el comportamiento de los aminoácidos como electrolitos. Por ejemplo, la alanina, podrá reaccionar tanto con los ácidos como con los álcalis. Tales compuestos se consideran sustancias anfotéricas.
Los péptidos que se forman por uniones de aminoácidos mediante enlaces peptídicos, son compuestos de complejidad estructural intermedia entre los aminoácidos y las proteínas. Cuando dos aminoácidos se unen a través de un enlace peptídico, constituyen un dipéptido. Un péptido que contenga tres aminoácidos será un tripéptido, etc. si un péptido posee menos de 10 aminoácidos, se conoce como oligopéptido; los que exceden este tamaño son polipéptidos. Entre los péptidos naturales podemos citar al glutatión, la oxitocina y la vasopresina, éstas son hormonas de la glándula pituitaria. La oxitocina determina la contracción del músculo liso; la vasopresina induce la elevación de la presión sanguínea, por constricción de los vasos sanguíneos periféricos.
Varios antibióticos son polipéptidos de estructura relativamente simple: la gramicidina y la tirodicina, la penicilina (contiene residuos de valina y cisteína).
La hormona adenocorticotrófica (ACTH) contiene 39 residuos de aminoácidos, algunos de ellos son idénticos a los que estimulan la formación de melanocitos. La insulina (hormona que produce el páncreas) contiene 51 residuos de aminoácidos.
PROTEÍNAS: Varían en su peso molecular desde aproximadamente 5 000 hasta varios millones. A pesar de esta complejidad, se ha determinado la secuencia aminoácida de cierto número de proteínas. El bioquímico inglés Sanger recibió el premio Nobel de Química por haber aclarado la secuencia precisa de aminoácidos en la insulina, otras secuencias que se han determinado son de la ribonucleasa, la hormona adrenocorticotrófica y muchas otras proteínas.
TIPOS DE ESTRUCTURAS:
1) Estructura primaria. Este término indica que se conoce el número y la secuencia precisa de los aminoácidos en la proteína. Queda implícita la existencia de enlaces peptídicos, pero no se indican otros enlaces o fuerzas.
2) Estructura secundaria. Se refiere a la extensión en que un polipéptido o cadena proteíca posee una estructura helicoidal. Existen enlaces por puente de hidrógeno, además de los peptídicos; ello determina la secuencia regular a través de la cadena.
3) Estructura terciaria. Esta denominación alude a la tendencia de una cadena polipeptídica a sufrir dobleces o enrollamientos extensos y producir una estructura compleja y algo rígida. La conformación correcta de una proteína es de importancia capital en la determinación de la estructura fina de aquella y contribuye en gran medida a las propiedades catalíticas específicas de las proteínas biológicamente activas.
4) Estructura cuaternaria. Esta define el grado de asociación de una unidad proteíca. Por ejemplo, la enzima fosforilasa a contiene dos subunidades idénticas que son catalíticamente inactivas por separado, pero que, cuando se unen para formar un dímero, constituyen la enzima activa. La hemoglobina tiene este tipo de estructura.
PROTEÍNAS FIBROSAS: Están compuestas de cadenas filamentosas alargadas, separadas unas de otras, las cuales se unen lateralmente, para constituir una estructura bastante estable e insoluble. Ejemplos, la queratina, la miosina y la colágena. Se han identificado tres subclases: las queratinas, las fibras de seda y la colágena.
QUERATINAS: Las α-queratinas constituyen a las proteínas de los cuernos, uñas, pezuñas y plumas, como la fibra de la lana.
SEDA: Los estudios sobre la secuencia de la seda han demostrado una unidad de seis residuos que se repite: (Gli-Ser-Gli-Ala-Gli-Ala)n. La cristalografía con rayos X ha revelado cadenas polipéptidas extendidas, que se despliegan paralelamente al eje de las fibras y que se orientan en dirección opuesta a la de las cadenas vecinas; este arreglo asegura un máximo de unión por enlaces de hidrógeno entre los residuos peptídicos de una cadena y los de las vecinas. La seda no contiene residuos de cisteína, por lo que no se presentan puentes disulfuro transversales. Por tanto, la estabilidad de esta proteína se obtiene en virtud de los enlaces de hidrógeno masivos.
COLÁGENA: Es una proteína que se encuentra en la piel, en los cartílagos y en los huesos. Posee una muy notable fuerza tensora. Consta de haces paralelos de fibrillas lineales individuales muy solubles en agua. Su composición de aminoácidos es de 25% de glicina y otro 25% de prolina e hidroxiprolina; cada fibrilla lineal es un cordón formado por tres cadenas polipeptídicas, cada cadena se tuerce en una suave hélice enrollada a la izquierda, las tres cadenas se enrollan a la derecha, extremadamente fuerte, que se mantiene unida gracias a los enlaces de hidrógeno entre una cadena y otra.
PROTEÍNAS GLOBULARES: Son relativamente solubles y bastante compactas, debido al enrollamiento de la cadena polipéptida. Las proteínas biológicamente activas, como los antígenos y las enzimas, son del tipo globular. Ocupan un segundo lugar en importancia en la clasificación de las proteínas y desarrollan una multitud de funciones. Una proteína típica puede describirse como una cadena polipeptídica extensamente enrollada y compacta en cuyo interior hay poco espacio para moléculas de agua y a veces no lo hay. La mioglobina y el citocromo c son ejemplos de estas proteínas.
CITOCROMO C: Es una proteína ubicua, de la que se sabe bastante en cuanto a su estructura, se encuentra en todos los organismos aeróbicos. Su única función consiste en transportar un electrón desde un donante de potencial menor de óxido-reducción bajo, hasta un aceptor de potencial de óxido-reducción más alto. Se ha analizado el citocromo c de más de 35 especies de animales, plantas y bacterias, sólo contiene un grupo hemo y de 104 a 115 aminoácidos. La proteína sufre un cambio conformacional considerable cuando el fierro del grupo hemo se reduce o se oxida. Los citocromos c de los primates y del hombre son casi idénticos. Difieren en un promedio de 10 aminoácidos de otros mamíferos, tales como el perro o la ballena; en aproximadamente 15 residuos de los vertebrados de sangre fría; en unos 30 residuos de los insectos; y en cerca de 50 residuos de las plantas y los procariontes. El citocromo c se asocia siempre a las membranas internas de las mitocondrias en los eucariontes; en cambio, en los procariontes, se localiza en la membrana plasmática.
ANTICUERPOS: En el plasma sanguíneo se encuentra un grupo grande de proteínas clasificadas como globulinas. Algunas de estas proteínas se producen en el bazo y en las células linfáticas como respuesta a las sustancias llamadas antígenos. La proteína recién formada se denomina anticuerpo y se combina específicamente con el antígeno que dio lugar a su síntesis. Las inmunoglobulinas (anticuerpos) se clasifican en tres clases principales: IgG, IgA e IgM.
PROTEÍNAS DE LA SANGRE: Además de las inmunoglobulinas, otros tres tipos de proteínas desempeñan papeles extraordinariamente importantes para el mantenimiento de la vida de los vertebrados. El primer grupo corresponde a las albúminas, que constituyen aproximadamente el 50% de la proteína total del plasma. Sirven para controlar la presión osmótica de la sangre, así como para mantener la capacidad de regulación de su pH. La sero albúmina tiene un peso molecular de aproximadamente 67000. Es una proteína globular típica.
La segunda proteína importante es el fibrinógeno: constituye aproximadamente el 4% del plasma proteico total. Desempeña una función singularmente vital en el proceso de coagulación de la sangre.
La tercera proteína de la sangre es la hemoglobina: es la proteína respiratoria de todos los vertebrados, se localiza exclusivamente en los eritrocitos; es capaz de reaccionar reversiblemente con el oxígeno molecular, al cual transporta desde los pulmones hasta todas las partes del cuerpo. Esta es una proteína conjugada a cuatro grupos hemo, la parte proteica se denomina globina y su peso molecular es de aproximadamente 65 000.
HORMONAS: Estos polipéptidos y proteínas pequeñas que se encuentran en concentraciones relativamente bajas en los tejidos animales, desempeñan una función no siempre definidas en todos los casos, pero altamente importante para mantener un orden en las complejas reacciones metabólicas. Se incluyen a la oxitocina, pequeña hormona de la glándula pituitaria posterior (9 aminoácidos); la vasopresina (9 aminoácidos), el glucagon (29 aminoácidos) proteína un poco mayor; la hormona adrenocorticotrófica (39 aminoácidos) y la insulina (59 aminoácidos).
ENZIMAS: Catalizadores extremadamente importantes, son proteínas, sintetizadas por la célula viva que acelera una reacción termodinámicamente posible. De esta manera, la velocidad de la reacción resulta compatible con el proceso bioquímico esencial para el mantenimiento de la vida celular. La enzima no modifica en modo alguno a las sustancias participantes. Como son proteínas, todos los agentes capaces de desnaturalizar a éstas (como el calor, los ácidos y las bases fuertes, los solventes orgánicos y otros materiales) hacen perder a las enzimas sus propiedades catalíticas.
La elevada especificidad de la función catalítica de las enzimas se debe a su naturaleza proteica. Las enzimas catalizan solamente una reacción o un grupo limitado de ellas, que estén relacionadas entre sí. Por lo tanto se necesitan miles de ellas.
PROTEÍNAS NUTRIENTES: una función importante que con frecuencia se confunde es su papel de fuente de aminoácidos esenciales para el hombre y otros animales. Los aminoácidos esenciales son sintetizados por las plantas y el hombre debe consumirlos a través de la dieta, por lo general en forma de proteínas. El término proteína se deriva de la palabra griega proteicos, que significa, en “primer lugar”.

LÍPIDOS
Por Eric E. Conn y P. K. Stumpf
Los lípidos se caracterizan por ser generalmente insolubles en agua y muy solubles en solventes orgánicos. Esta propiedad física refleja la naturaleza hidrofóbica de su estructura hidrocarbonada. Los lípidos, una clase bastante heterogénea de compuestos, se han clasificado tradicionalmente en: a) acil gliceroles, b) fosfolípidos, c) esfingolípidos, d) glicolípidos y e) terpenoides, donde se incluyen a los carotenoides y los esteroides. Todas estas clase se encuentran ampliamente distribuidas en la naturaleza..
ACIL GLICEROLES. El acil glicerol que más abunda es el triacil glicerol denominado triglicérido o lípido neutro. Pueden existir en estado sólido o líquido, según la naturaleza de los ácidos grasos constitutivos. La mayoría de los triacilgliceroles vegetales tienen puntos de fusión bajos y son líquidos a la temperatura ambiente, debido a que contienen una gran proporción de ácidos grasos insaturados, del tipo de los ácidos oleico, linoleico y linolénico. En contraste, los triacil gliceroles animales contienen una mayor proporción de ácidos grasos saturados, tales como los ácidos palmítico y esteárico, lo que se traduce en puntos de fusión más elevados, que, a su vez, da lugar a que presenten carácter semisólido o sólido a temperatura ambiente
Ceras: Son muchas las ceras que sirven como películas protectoras de las frutas y de las hojas, o que secretan algunos insectos (como la cera de las abejas). En general, las ceras son una mezcla complicada de alcanos de cadena larga (con número non de átomos de carbono, que fluctúan entre C25 y C35) y derivados oxigenados. Estas ceras son químicamente inertes por su alta insolubilidad en agua y por sus cadenas hidrocarbonadas totalmente reducidas. En las superficies foliares sirven de manera admirable para proteger a las plantas contra pérdidas de agua y contra daños por abrasión. Las ceras desempeñan un papel importante al suministrar una barrera contra el agua a los insectos, aves y otros animales (como en el caso de los carneros). Esta propiedad ha tenido una demostración dramática en los años recientes. Los detergentes han sido utilizados a menudo para solubilizar el aceite cuando ocurren grandes derramamientos en el mar. En estas condiciones las aves han tenido grandes dificultades para mantener su característica flotabilidad, al desaparecer las capas de cera que cubren sus plumas, por la acción tanto del aceite como del detergente.
La actividad química de los triacil gliceroles refleja la reactividad de la unión éster, así como el grado de insaturación de la cadena hidrocarbonada. Los ácidos grasos libres existen en proporción limitada en la célula. La mayor parte de ellos se encuentran como ésteres (triacil gliceroles y fosfolípidos).
La unión éster es susceptible tanto a la hidrólisis ácida como a la alcalina. La primera es reversible, la segunda es irreversible. Así, las bases fuertes se utilizan en la saponificación para hidrolizar las uniones éster de los lípidos simples y complejos.
Es de interés recordar que las membranas celulares vegetales y animales son muy ricas en ácidos grasos poliinsaturados. Las bacterias no contienen estos ácidos grasos.
FOSFOLÍPIDOS. Se denominan así porque contienen un átomo de fósforo. Sus componentes fundamentales son el glicerol, los ácidos grasos y una base nitrogenada. Aparecen ampliamente distribuidos en las bacterias y en los tejidoa vegetales y animales. Se han denominado compuestos anfipáticos porque poseen funciones tanto polares como no polares.
ESFINGOLÍPIDOS. Comprenden un grupo importante de compuestos que están íntimamente relacionados con los tejidos y las membranas animales. El compuesto central se denomina 4-esfingenina (antes esfongosina).
GLICOLÍPIDOS. Otro grupo de compuestos se reúnen en la clase de los glicolípidos porque son derivados primarios carbohidrato-glicerol, y porque no contienen fosfato. Comprende a los galactolípidos y a los sulfolípidos que existen principalmente en los tejidos con funciones fotosintéticas.
TERPENOIDES. Constituyen un grupo muy grande e importante de compuestos, que realmente se forman a partir de una unidad simple que se repite: la unidad isoprenoide. Esta unidad, por ingeniosas condensaciones, crece hasta formar compuestos tales como el hule, los carotenoides, los esteroides y muchos terpenos más simples. El isopreno no existe en la naturaleza pero tiene su equivalencia real, biológicamente activa, en el isopentenil pirofosfato, que por transformaciones llega a escualeno, que a su vez, puede condensarse y constituir el colesterol. Otro terpenoide típico es el β-caroteno, que se degrada en el hígado para formar la vitamina A.
FUNCIONES DE LOS LÍPIDOS.
Desempeñan una función muy importante en la función normal de la célula; pues no sólo sirven como formas de energía de reserva altamente concentradas, sino que también están íntimamente ligados a la estructura de las membranas celulares y de los organelos.
Los lípidos participan directa o indirectamente en muchas actividades metabólicas como: a) activadores de las enzimas, b) componentes del sistema de transporte electrónico en las mitocondrias, c) sustratos, d) transportadores de grupos glicosídicos y e) sustratos en la descarboxilación indirecta de la serina a aminoetanol.
LIPOPROTEÍNAS.
Los lípidos no se transportan libres en el torrente sanguíneo, sino que se mueven como quilomicrones o como lipoproteínas, de baja o alta densidad. Además, las lipoproteínas estables existen casi exclusivamente en forma de componentes de los glóbulos grasos de las membranas. En la yema de los huevos de las aves, las lipoproteínas se relacionan con los requerimientos energéticos y con el transporte de lípidos del embrión en desarrollo. Las lipoproteínas también se encuentran en las membranas de las mitocondrias, en el retículo endoplásmico y en el núcleo.
CÉLULAS PROCARIÓTICAS: En forma general, puede decirse que las células bacterianas tienen más del 95% de su contenido lípido total asociado a su membrana celular; el restante 5% se distribuye entre su citoplasma y la pared celular. Estas células se distinguen por su absoluta ausencia de esteroides, pues son incapaces de sintetizarlas; con excepción de las micobacterias, las bacterias carecen de triacilgliceroles y con excepción de los bacilos, que contienen ácidos poliinsaturados, las demás están imposibilitadas de sintetizarlos.
CÉLULAS EUCARIÓTICAS.
VEGETALES: En general, las semillas de las plantas superiores tienen una composición bastante fija de ácidos grasos, lo cual constituye expresiones fenotípicas de sus genotipos. Los ácidos grasos “exóticos” se encuentran por lo común como triacil gliceroles en las semillas maduras. Rara vez aparecen en ciertos organelos como los cloroplastos.
ANIMALES: Los lípidos de las células animales son igualmente complejos y en particular su composición resulta característica de cada tipo de célula. Así, las células nerviosas son ricas en esfingolípidos, éteres glicéricos, plasmalógenos y fosfolípidos; las células adiposas se forman de triacil gliceroles. En general, las células animales sintetizan al ácido oleico. En los tejidos animales los ácidos grasos poliinsaturados son necesarios como requerimientos nutricionales en forma que aún no se comprende bien. Un cierto número puede servir como precursores de un nuevo grupo de hormonas denominadas prostaglandinas. Estos ácidos grasos oxigenados actúan en cantidades del orden de los microgramos como estimulantes de los músculos lisos, como depresivos de la presión sanguínea, como abortivos y como antagonistas de ciertas hormonas.

CARBOHIDRATOS
Por Eric E. Conn y P. K. Stumpf
Los carbohidratos pueden definirse como polihidroxialdehídos o cetonas, o bien como sustancias que rinden uno de estos compuestos al hidrolizarse. Muchos carbohidratos tienen la fórmula empírica (CH2O)n, en la que n corresponde a 3 o un número mayor. Esta fórmula contribuyó a la creencia de que este grupo de compuestos podría representarse como hidratos de carbono. Posteriormente resultó evidente que esta definición no correspondía a otros compuestos que, aún exhibiendo las propiedades generales de los carbohidratos, contenían nitrógeno o azufre en adición al carbono, el hidrógeno y el oxígeno. Por otra parte, la desoxirribosa (azúcar simple muy importante porque aparece en todas las células como un componente de los ácidos desoxirribonucleicos) tiene la fórmula molecular C5H10O4, diferente a la fórmula general C5H10O5.
Los carbohidratos pueden clasificarse en tres grupos principales: monosacáridos, oligosacáridos y polisacáridos.
Los monosacáridos son azúcares simples que no pueden hidrolizarse en unidades más pequeñas, en condiciones razonablemente normales. Los monosacáridos más simples que se ajustan a esta definición y a la fórmula empírica general son el gliceraldehído (una aldosa) y su isómero, la dihidroxiacetona (una cetosa). Ambos azúcares son triosas, pues contienen tres átomos de carbono. Los carbohidratos se pueden estudiar por grupo funcional y por el número de átomos de carbono que posean.
Son ejemplos el gliceraldehído y la dihidroxiacetona.
Los oligosacáridos son polímeros hidrolizables de los monosacáridos que contienen de dos a seis moléculas de estos azúcares simples. De esta manera, los disacáridos son oligosacáridos que, por hidrólisis, rinden dos moléculas de monosacáridos. En su mayor parte, los monosacáridos y oligosacáridos son compuestos cristalinos, solubles en agua, con frecuencia de sabor dulce.
Los polisacáridos son cadenas muy largas, o polímeros, de los monosacáridos, que pueden exhibir una estructura lineal o una ramificada. Si el polímero está construido con unidades de un mismo monosacárido, se le denomina homopolisacárido. Si en cambio, pueden encontrarse diferentes monosacáridos en un polímero, se le conoce con el nombre de heteropolisacárido. Algunos de los monosacáridos que se unen mediante enlaces glicosídicos para constituir polisacáridos son la glucosa, la xilosa y la arabinosa. Por lo general, los polisacáridos son compuestos insípidos, insolubles y de peso molecular elevado.
Los carbohidratos se cuentan entre las estructuras básicas más importantes de la biosfera -junto a los ácidos grasos, los aminoácidos y los mononucleótidos-, los cuales se unen para constituir los biopolímeros de las células: los polisacáridos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos.
Los carbohidratos se clasifican en azúcares simples, los carbohidratos de reserva y los polisacáridos estructurales. Los carbohidratos complejos pueden no solamente tener carácter estructural en las células, sino, además, servir como almacén de energía química, que aumenta o desaparece según los deseos del organismo. Se pueden citar ejemplos de carbohidratos estructurales a la celulosa (el componente estructural principal de las paredes celulares vegetales) y a los péptidoglicanos de las paredes celulares bacterianas. Entre los carbohidratos de reserva se incluyen al almidón y glicógeno (o glucógeno), que son polisacáridos que se producen y consumen en serie, de acuerdo a las necesidades energéticas de las células. El almidón consta de dos componentes: la amilosa y la amilopectina, las cuales aparecen en cantidades variables. El glucógeno es un polisacárido de reserva de los tejidos animales; su estructura es similar a la de la amilopectina, pero más profusamente ramificado, al hidrolizarse produce glucosa, maltosa y una dextrina límite.
Otro polisacárido nutritivo es la inulina, que se encuentra en los bulbos de muchas plantas (dalias, alcachofas de Jerusalén)
El polisacárido estructural más abundante, se encuentra en las paredes celulares de las plantas, donde contribuye en forma principal a la estructura de estos organismos. Las plantas superiores no poseen un esqueleto óseo que sostenga sus órganos y tejidos especializados. Sin embargo, ya sea que se trate de un girasol o de una sequoia, sus paredes celulares soportan su propio peso. La madera de los árboles se compone principalmente de celulosa y lignina. Las plantas también poseen pectinas (formada de arabinosa, galactosa y ácido galacturónico) y hemicelulosas. Los enlaces β-1-4 de la celulosa no pueden ser hidrolizados por las glicosidasas que existen en los tractos digestivos humanos o de animales superiores. Las serpientes secretan una celulasa que ataca a este polímero. Las termitas también contienen una enzima semejante. Además las bacterias del rumen (tracto intestinal de bovinos y otros rumiantes) pueden hidrolizar la celulosa y metabolizar la D-glucosa que se produce.
La quitina es homopolímero de la N-acetil-D-glucosamina, es el polisacárido estructural que constituye el caparazón de los crustáceos y la epidermis de los insectos.
Las cubiertas vegetales contienen glicolípidos, glicoproteínas y mucopolisacáridos. Los mucopolisacáridos son sustancias gelatinosas de pesos moleculares elevados, que lubrican y sirven como cementos. Uno de estos es el ácido hialurónico, formado por ácido D-glucorónico y N-acetil-D-glucosamina. Se encuentra en el humor vítreo de los ojos y del cordón umbilical. Es soluble en agua, pero las soluciones son viscosas. La condroitina también es un componente de las cubiertas celulares, con una estructura muy similar al ácido hialurónico pero el amino azúcar es N-acetil-D- galactosamina. Sus ésteres constituyen a los cartílagos, los tendones y los huesos.

El agua

Las células vivas contienen carbohidratos, lípidos, aminoácidos, proteínas, ácidos nucleícos, nucleótidos y compuestos relacionados, en cantidades variables. A pesar de que estas sustancias exhiben un número casi infinito de estructuras químicas, en conjunto, su masa la constituyen prácticamente sólo seis elementos: carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S). Dos de estos elementos, el hidrógeno y el oxígeno, se combinan entre sí para constituir el componente celular más abundante, H2O, que no se encuentra en ninguna de las categorías mencionadas. Más del 90 % del plasma es H2O; el músculo contiene alrededor de un 80% de H2O, y este líquido constituye más del 50 % de la mayoría de los tejidos tanto de plantas como de animales.
Pero el H2O no sólo es el componente celular más abundante, sino que tiene además carácter de compuesto indispensable para la vida. Así, los nutrientes que consume la célula, el oxígeno que emplea para oxidarlos, y sus propios productos de deshechos son todos transportados por el H2O. Por tanto, es conveniente hacer notar que esta sustancia importante y familiar presenta una serie propiedades excepcionales que, en forma peculiar, la facultan para desarrollar su tarea de “solvente de la vida”.
Algunas propiedades importantes del agua:
Muchas propiedades físicas del agua son singularmente excepcionales. Por ejemplo, estos compuestos pueden compararse con el agua, ya sea debido a sus propiedades, o bien porque tienen el mismo número de electrones (isoelectrónicos). Como puede verse, el agua tiene el punto de ebullición más alto, el calor específico de vaporización más elevado y, con mucho, el punto de fusión más alto también.
Para destacar el comportamiento anormal del agua, Pauling utiliza otros ejemplos: la compara con hidruros de los elementos que se encuentran en el grupo VI de la tabla periódica, como son H2S, H2Se y H2Te. De acuerdo con la comparación, se podría predecir que el agua debería tener un punto de ebullición de -100°C, en lugar de +100°C.
Punto de fusión Punto de ebullición Calor de vaporización Capacidad calórica Calor de fusión
Sustancia (°C) (°C) (cal/lg) (cal/lg) (cal/lg)
H2O 0 100 540 1.000 80
Etanol -114 78 204 0.581 24.9
Metanol -98 65 263 0.600 22
Acetona -95 56 125 0.528 23
Acetato de etilo -84 77 102 0.459 -
Cloroformo -63 61 59 0.226 -
NH3 -78 -33 327 1.120 84
H2S -83 -60 132 - 16.7
HF -92 19 360 - 54.7
Algunas propiedades físicas del agua y otros compuestos.
La molécula del agua está fuertemente polarizada debido a la electronegatividad del átomo de oxígeno, el cual tiende a atraer electrones de los átomos de hidrogeno, produciendo una carga electropositiva alrededor del protón. A causa de esta polarización las moléculas de agua se comportan como verdaderos dipolos, y pueden orientarse hacia iones positivos o negativos. Esta propiedad es causa del extraordinario carácter solvente del agua. Los iones positivos o negativos de una red cristalina son atraídos por las moléculas dipolares del agua, y de esta manera, se solubilizan. Ya en solución, los iones cargados tanto positiva como negativamente, se rodean de capas protectoras de moléculas de agua, las que permiten disminuir la interacción que se deriva de sus cargas de signo contrario.
Los elevados puntos de ebullición y de fusión del agua, así como su alto calor de vaporización son el resultado de una interacción entre las moléculas de agua que se conocen como “puente de hidrógeno”. Expresado en forma breve, el término “puente de hidrógeno” se refiere a la interacción de un átomo de hidrógeno –unido covalentemente a un átomo electronegativo- con un segundo átomo electronegativo. Los átomos de hidrógeno tienden a asociarse a este segundo átomo electronegativo, ya que pueden compartir el par electrónico. Dicha tendencia se traduce en un enlace débil de aproximadamente 4.5 cal/mol. (En los materiales biológicos los dos átomos que con mayor frecuencia aparecen en los enlaces de hidrógeno son el nitrógeno (N) y el oxígeno (O). En el agua líquida, esta interacción determina que se formen pequeñas cadenas de moléculas de agua, de vida transitoria.)
La energía necesaria para romper el enlace de hidrógeno (4-10 kcal/mol) es mucho menor que la que se requiere para separar un enlace covalente (O-H), por lo que los enlaces de hidrógeno en solución se están rompiendo y formando continuamente. El efecto aditivo de las uniones de este tipo es uno de los principales factores que permiten explicar muchas de las propiedades excepcionales del agua. Así, se atribuye a la existencia masiva de enlaces de hidrógeno la necesidad de energía adicional para hervir el agua, o bien, para fundir el hielo.
Existen otras propiedades extraordinarias del agua que la hacen un medio ideal para los organismos vivientes. Por ejemplo, la capacidad calórica específica del agua –el número de calorías necesarias para elevar la temperatura de un gramo de agua de 15° a 16° es de 1 000 y es el valor más alto entre todos los solventes considerados (etanol, 0.58; metanol, 0.6; acetona, 0.53; cloroformo, 0.23; acetato de etilo, 0.46). Solamente el amoníaco líquido es más alto, 1.12. Cuanto mayor sea el calor específico de una sustancia menor será el cambio de temperatura que resulta cuando dicha sustancia absorbe determinada cantidad de calor. Por ello, el agua conserva prácticamente constante la temperatura de los organismos vivos. Es esta propiedad la que hizo de los océanos un medio ideal para el origen de la vida y la evolución de las formas primitivas.
Como ya se ha mencionado, el calor de vaporización del agua es excepcionalmente alto. Expresado como calor específico de vaporización (calorías absorbidas por gramo vaporizado), el valor del agua es de 540 en su punto de ebullición, y aún más elevado a bajas temperaturas. Este valor es de gran utilidad para mantener constante la temperatura de los organismos vivos gracias a la gran cantidad de calor que se puede eliminar por vaporización del agua.
El elevado calor de fusión del agua (80 cal/g, comparado con 25 para el etanol, 22 para el metanol, 17 para el ácido sulfhídrico y 23 para la acetona) también es importante para estabilizar el medio ambiente biológico. Aun cuando el agua celular rara vez se congela en los organismos superiores, el calor liberado por el agua (al congelarse) es uno de los factores que disminuyen esa amenaza durante el invierno. Así, un gramo de agua, al congelarse a 0°C, debe perder 80 veces más calor que cuando su temperatura va disminuyendo de 1°C a 0°C, exactamente antes de congelarse.
Por último, puede citarse, otra propiedad del agua que tiene una gran importancia biológica: el hecho de que el agua posea su máxima densidad a 4°C. Esto hace que se expanda al solidificarse y, por lo tanto, que el hielo sea menos denso. Este fenómeno es muy raro, pero su importancia en biología ha sido reconocida desde hace tiempo. Si el hielo fuera más pesado que el agua, se debería hundir al congelarse. Esto significaría que los océanos, lagos y ríos se congelarían del fondo hacia la superficie y una vez congelados sería muy difícil que se fundieran. Esta situación sería incompatible con la manera en que sabemos que el agua sirve como hábitat para muchas formas vivientes. Lo que en realidad sucede es que el agua más caliente (líquida) se va al fondo, y el hielo flota en la superficie, donde el calor del medio ambiente puede fundirlo.
Otras propiedades fisicoquímicas del agua, muy importantes desde el punto de vista biológico, son su elevada tensión superficial y su elevada constante dieléctrica.