El agua

El agua

Está en  todas las células vivientes y forma de 60% a 90% de su masa, aunque hay excepciones que expulsan agua. En la bioquímica es importante entender el agua y sus propiedades .Los componentes macromoleculares como las proteínas, polisacáridos, ácidos nucleicos y membranas; asumen sus formas como respuesta al agua. Otras interaccionan con el agua haciéndolas solubles.

Las propiedades físicas le permiten funcionar como solvente de sustancias iónicas y polares, mientras que las propiedades químicas condicionan a enlaces débiles con otros compuestos.

La molécula de agua es polar

La molécula de agua tiene forma de V y el ángulo de los dos enlaces covalentes es de 104.5°.Sus propiedades se deben en su gran mayoría a su forma angulada. En el agua, los enlaces covalentes implican a dos átomos distintos de hidrogeno, cada uno comparte su único electrón con el átomo de oxígeno. El ángulo en el agua es de 104.5° pero si los electrones apuntaran a las cuatro esquinas de un tetraedro el ángulo seria de 109.5°. Esto es debido a una fuerte fuerza de repulsión entre pares de electrones solitarios y esa repulsión trata de unir enlaces covalentes, con reducción de ángulo a 104.5°.

La polaridad de una molécula depende de la polaridad de sus enlaces covalentes como de su geometría. La disposición angulada de los enlaces polares del agua produce un dipolo permanente para toda la molécula.

Puentes de hidrógeno en el agua

 

La atracción entre uno de los átomos de hidrógeno, ligeramente positivo, de una molécula de agua y los pares de electrones parcialmente negativos en uno de los orbitales híbridos sp³, produce un puente de hidrógeno.

En un puente de hidrógeno entre dos moléculas de agua, el átomo de hidrógeno permanece enlazado covalentemente a su átomo de oxigeno que es el donador de hidrógeno.

El agua no es la única molécula capaz de formar puentes de hidrógeno; esas pueden existir en cualquier átomo electronegativo y un átomo de hidrógeno unido a otro átomo electronegativo. Los puentes de hidrógeno son más débiles que los enlaces covalentes típicos.

En los puentes de hidrógeno, la orientación es importante. Un puente de hidrógeno es más estable cuando el átomo de hidrógeno y los dos átomos electronegativos asociados a él forman casi una línea recta. Una sola molécula de agua puede formar puentes de hidrógeno hasta con cuatro moléculas de agua.

El agua como solvente

Las propiedades físicas se combinan para hacer al agua un solvente excelente. El pequeño tamaño de las moléculas de agua determina que puedan asociarse con partículas de soluto y hacerlas más solubles.

A.   Las sustancias iónicas y polares se disuelven en agua: El agua puede interactuar y disolver otros compuestos polares y compuestos que se ionizan. Las moléculas que se pueden disociar y formaciones se llaman electrolitos. Las sustancias que disuelven fácilmente en agua son denominadas electrofilicas o amantes del agua. Los electrolitos no son las únicas sustancias hidrofilicas que son solubles en agua. Toda  molécula polar también tendrá tendencia a solvatarse por moléculas de agua. Los compuestos orgánicos iónicos, como los carboxilatos y las aminas, deben su solubilidad en agua a sus grupos funcionales polares. La cantidad de grupos polares en una molécula afectan su solubilidad en agua.

B.   Concentraciones celulares y difusión: hay tres razones por la cual los solutos se disuelven con más lentitud en las células la viscosidad del citoplasma es mayor que la del agua, las moléculas con carga se enlazan automáticamente entre si dentro de las células y ello restringe su movilidad, los choques con moléculas de agua inhiben la difusión a causa de hacinamiento molecular.

C.   Presion osmótica: es la presión necesaria para evitar flujo de solvente que depende de la concentración molar total del soluto y no de su naturaleza química. Las membranas permeables al agua separan el citosol del medio externo.

Interacciones no covalentes

Se presentan clases de interacciones no covalentes:

·         Puentes de hidrogeno.

·         Interacciones hidrofóbicas.

·         Interacción carga – carga

·         Fuerza de van der Waals

A.   Interacciones carga- carga: son interacciones electrostáticas entre dos partículas cargadas. Son interacciones covalentes más grandes.

B.   Puentes de hidrogeno: En general cuando un átomo de hidrogeno está unido de forma covalente a un átomo fuertemente electronegativo se puede formar un puente de hidrogeno.

C.   Fuerza van der Waals: interacción entre dipolos permanentes de dos enlaces polarizados sin carga, o las interacciones entre un dipolo permanente y un dipolo transitorio, inducido en una molécula vecina. Son fuerzas de atracción como repulsión.

D.  Interacciones hidrofóbicas: Asociación de una molécula o grupo relativamente no polar con otras moleculas no polares.

El agua es nucleofilica

A las sustancias ricas en electrones se les llama nucleofilico (“amantes” del núcleo) porque buscan especies con carga positiva, o con deficiencia en electrones llamadas electrófilos (“amantes” del electrón). Los nucleofilicos pueden tener carga negativa o contar con pares no compartidos de electrones.

Ionización del agua

Una de las propiedades importantes del agua es su pequeña tendencia a ionizarse. La reacción de ionización es una reacción reversible típica. Las reacciones de protonación y desprotonación son muy rápidas.

La escala de pH

Existen varios procesos bioquímicos —como el transporte de oxígeno en la sangre, la catálisis de reacciones con enzimas y la generación de energía metabólica durante la respiración o la fotosíntesis— que están muy influidos por la concentración de protones.

Ecuacion de Henderson- hasselbalch que define al pH de una solución.

Se dice que el agua pura es “neutra” con respecto a la carga iónica total ya que la concentración de los iones hidrógeno con carga positiva y la de los iones hidróxido con carga negativa es igual.

También las soluciones acuosas pueden contener menos iones H⁺ que el agua pura.

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

El valor normal de pH en la sangre humana es 7.4, que con frecuencia se llama pH fisiológico. La sangre de pacientes que padecen ciertas enfermedades, como diabetes, puede tener menor pH, condición que se llama acidosis. El estado en el que el pH de la sangre es mayor que 7.4 se llama alcalosis.