Estructura y propiedades del agua

La vida, tal como se conoce en la Tierra, se desarrolla siempre en medio acuoso. Incluso en  los seres no acuáticos el medio interno es básicamente hídrico. La inmensa mayoría de las reacciones bioquímicas se desarrollan en el seno del agua y obedecen las leyes fisicoquímicas de las disoluciones acuosas. Por todo ello no es de extrañar que el agua sea el principal componente de los seres vivos en cuanto a su cantidad. El cuerpo humano, por ej., está formado por término medio por un 75% de agua, aunque los tejidos que necesitan mucha actividad como el nervioso son agua en un 90%. Sólo los tejidos esqueléticos y las semillas de las plantas presentan una baja proporción de agua.

El agua reúne una serie de características que la convierten en un disolvente único e insustituible en la Biosfera. En cuanto a sus propiedades fisicoquímicas cabe destacar:

1.- La molécula de agua tiene un marcado carácter dipolar. Aunque tiene una carga total neutra (posee el mismo número de protones y de electrones), presenta una distribución asimétrica de sus electrones: alrededor del O se concentra una densidad de carga negativa (d^-) debido a que es un elemento mucho más electronegativo que el H, por ello los núcleos de H quedan desnudos, desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad de carga positiva (d⁺). Este carácter dipolar de la molécula de agua es de trascendental importancia y tiene múltiples consecuencias: La más relevante es que se pueden establecer interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua formando uniones electrostáticas llamadas puentes o enlaces de H: la carga parcial negativa del O de una molécula ejerce atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los  átomos de H de otras moléculas adyacentes. Aunque son uniones débiles, el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan otras 3 moléculas unidas por puentes de H permite que se forme en el agua (líquida o sólida) una estructura reticular, responsable de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de sus propiedades fisicoquímicas. Todas las restantes propiedades del agua son, pues, consecuencia de ésta. 

 

2.- El amplio margen de temperaturas en que permanece en fase líquida (0º-100º) proporciona variadas posibilidades de vida, desde los organismos psicrófilos que pueden desarrollarse a temperaturas próximas a 0º, hasta los termófilos que viven a 70º-80º.

3.- La anómala variación de la densidad con la temperatura, con una densidad máxima a 4ºC, determina que el hielo flote en el agua líquida actuando como aislante térmico y, en consecuencia, posibilitando el mantenimiento de la gran masa de agua de los océanos en fase líquida albergando a la mayor parte de la Biosfera.

4.- El agua es el líquido que más sustancias disuelve (disolvente universal). Esta propiedad, tal vez la más importante para la vida, se debe a su capacidad para formar puentes de H, además de con otras moléculas de agua como se dijo anteriormente, con otras sustancias polares (grupos -OH de alcoholes y azúcares, grupos -NH₂ de aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos, etc.), pues se disuelven cuando interaccionan con las moléculas del agua. 

  

Compuestos iónicos, como las sales cristalizadas; por ser el agua dipolar se interpone entre los compuestos iónicos disminuyendo la fuerza de atracción de los iones y provocando su separación y por tanto su disolución.

 Compuestos orgánicos neutros que poseen grupos funcionales polares (hidroxilo, aldehído cetona, carboxilo, amina, amida, sulfhidrilo); son solubles en el agua, pues no interrumpen su estructura al formar enlaces de hidrógeno con ella. A estos compuestos se les llama hidrófilos o polares.

 Compuestos orgánicos no polares (radicales alifáticos); son insolubles en agua porque interrumpen su estructura, al no formar enlaces de hidrógeno con ella. A estos compuestos se les llama hidrófobos o apolares.

 

 Substancias anfipáticas (poseen a la vez grupos hidrófilos e hidrófobos); son dispersadas por el agua. Por ejemplo, un ácido graso de cadena larga forma unos agregados denominados micelas, en las que los grupos carboxilo polares están en contacto con el agua y forman enlaces hidrógeno con ella, mientras que las cadenas hidrocarbonadas insolubles, hidrófobas y apolares se ocultan del medio acuoso mediante interacciones hidrofóbicas.
Otra manera de disponerse las substancias anfipáticas cuando se añaden en pequeña cantidad al agua, es formando una monocapa en la superficie, y las cabezas polares se disponen en contacto con la superficie de ésta. Sobre esta monocapa puede disponerse una segunda capa con las colas apolares sobre la primera, formando una bicapa lipídica. En ella las cabezas polares forman enlaces de hidrogeno con el agua y los grupos apolares se mantienen unidos por interacciones hidrofóbicas.
De todo ello, se deduce, que una de las primordiales funciones del agua es la de actuar como disolvente de la mayoría de las moléculas y dado que es condición imprescindible, que para que una reacción química tenga lugar, que los reactivos se encuentren disueltos, podemos deducir que el agua, al permitir la disolución de los compuestos biológicos, actúa como el medio donde se realizan todas las reacciones metabólicas características de la actividad vital.
Así mismo, sirve de vehículo de entrada y salida de las distintas substancias disueltas en ella, a través de la membrana, en la célula.

 

5.- El agua posee un 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, mientras que, proporcionalmente, su temperatura sólo 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 contenido acuoso de las células sirva de protección a las sensibles moléculas orgánicas ante los cambios bruscos de temperatura. Además, el calor que se desprende en los procesos metabólicos no se acumula en los lugares donde se produce, sino que se difunde en el medio acuoso y se disipa finalmente hacia el medio externo.

6.- El agua posee una elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas. Los puentes de H mantienen a las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. Gracias a esta propiedad algunos seres vivos utilizan el agua como esqueleto hidrostático.

7.- El agua posee una elevada fuerza de adhesión. Esta fuerza está también en relación con los puentes de H 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, es decir, el ascenso de agua a través de las paredes de un capilar (delgado tubo de vidrio).

Los seres vivos van renovando continuamente su contenido en agua, ingiriéndola con la alimentación y perdiéndola con la respiración como vapor y con la excreción (orina, sudor, etc.)