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.