El
agua es la sustancia más abundante en la biosfera, dónde la encontramos en sus
tres estados y es además el componente mayoritario de los seres vivos,
pues entre el 65 y el 95% del peso de de la mayor parte de las formas vivas es
agua.BIOMOLÉCULAS
INORGÁNICAS
Los bioelementos se combinan entre sí para formar las moléculas que componen la materia viva. Estas moléculas reciben el nombre de biomoléculas o principios inmediatos.
Las
biomoléculas se clasifican, atendiendo a su composición: las biomoléculas inorgánicas
son las que no están formadas por cadenas de carbono e hidrógeno, como son el agua, las sales
minerales o los gases. Las moléculas orgánicas
están formadas por cadenas de carbono y se denominan glúcidos, lípidos,
proteínas y ácidos nucleicos.
Las biomoléculas orgánicas, atendiendo a la longitud y complejidad de su cadena, se pueden clasificar como monómeros o polímeros. Los monómeros son moléculas pequeñas, unidades moleculares que forman parte de una molécula mayor. Los polímeros son agrupaciones de monómeros, iguales o distintos, que componen una molécula de mayor tamaño.
1. EL
AGUA
La vida se apoya en el comportamiento anormal del agua.
El
agua es la sustancia más abundante en la biosfera, dónde la encontramos en sus
tres estados y es además el componente mayoritario de los seres vivos,
pues entre el 65 y el 95% del peso de de la mayor parte de las formas vivas es
agua.
En las medusas, puede alcanzar el 98% del volumen del animal y en la lechuga, el 97% del volumen de la planta. Estructuras como el líquido interno de animales o plantas, embriones o tejidos conjuntivos suelen contener gran cantidad de agua. Otras estructuras, como semillas, huesos, pelo, escamas o dientes poseen poca cantidad de agua en su composición.
El agua fue además el soporte donde surgió la vida. Molécula con un extraño comportamiento que la convierten en una sustancia diferente a la mayoría de los líquidos, posee unas extraordinarias propiedades físicas y químicas que son responsables de su importancia biológica.
Durante la evolución de la vida, los organismos se han adaptado al ambiente
acuoso y han desarrollado sistemas que les permiten aprovechar las inusitadas
propiedades del agua.
La molécula de agua está formada por dos átomos de H unidos a un átomo de O por medio de dos enlaces covalentes. La disposición tetraédrica de los orbitales sp3 del oxígeno determina un ángulo entre los enlaces H-O-H aproximadamente de 104’5º, además el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y atrae con más fuerza a los electrones de cada enlace.
El resultado es que la molécula de agua aunque tiene una carga total neutra (igual número de protones que de electrones), presenta una distribución asimétrica de sus electrones, lo que la convierte en una molécula polar, alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa, mientras que los núcleos de hidrógeno quedan desnudos, desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad de carga positiva. Por eso en la práctica la molécula de agua se comporta como un dipolo (como un imán molecular).
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a) Acción disolvente
El agua es el líquido que más sustancias disuelve, por eso decimos que es el disolvente universal. Esta propiedad, muy importante para la vida, se debe a la polaridad de la molécula de agua y su capacidad para interaccionar con otras sustancias que presenten grupos polares o con carga iónica (alcoholes, azúcares con grupos -OH, aminoácidos y proteínas con grupos que presentan cargas positivas y negativas), lo que da lugar a disoluciones moleculares. También las moléculas de agua pueden disolver sustancias salinas que se disocian formando disoluciones iónicas.
En el caso de las disoluciones iónicas, los iones de las sales son atraídos por los dipolos del agua, quedando "atrapados" y recubiertos de moléculas de agua en forma de iones hidratados o solvatados.
La capacidad disolvente es la responsable de dos funciones:
ü Ser el medio donde ocurren las reacciones del metabolismo.
ü
Servir como sistema de transporte.
b) Elevada fuerza de cohesión
Los puentes de hidrógeno mantienen las moléculas de agua
fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido
casi incompresible. Al no poder comprimirse puede funcionar en algunos
animales como un esqueleto hidrostático, como ocurre en algunos gusanos
perforadores capaces de agujerear la roca mediante la presión generada por sus
líquidos internos.
c) Elevada fuerza de adhesión
Esta
fuerza está también en relación con los puentes de hidrógeno
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. Cuando se introduce un capilar (tubo muy delagado) en un
recipiente con agua, ésta asciende por el capilar como si trepase agarrándose
por las paredes, hasta alcanzar un nivel superior al del recipiente, donde la
presión que ejerce la columna de agua, se equilibra con la presión capilar.
A este fenómeno se debe en parte la ascensión de la savia bruta desde
las raíces hasta las hojas, a través de los vasos leñosos.
d) Alta tensión superficial
Las
moléculas de agua, como se ha visto, están muy cohesionadas por acción de los
puentes de hidrógeno. Esto produce una película de agua en la zona de
contacto del agua con el aire, que cuesta relativamente de romper.
Esto es utilizado por algunos organismos para desplazarse por la superficie del agua sin hundirse.
e) Gran calor específico
También esta propiedad está en relación con los puentes de hidrógeno que se forman entre las moléculas de agua. El agua puede absorber grandes cantidades de "calor" que utiliza para romper los puentes de hidrógeno por lo que la temperatura se eleva muy lentamente. Esto permite que el citoplasma acuoso sirva de protección ante los cambios de temperatura. Así se mantiene la temperatura constante.
f) Elevado calor de vaporización
Sirve el mismo razonamiento, también los puentes de hidrógeno
son los responsables de esta propiedad. Para evaporar el agua , primero hay que
romper los puentes y posteriormente dotar a las moléculas de agua de la
suficiente energía cinética para pasar de la fase líquida a la gaseosa.
Para evaporar un gramo de agua se precisan 540 calorías, a una temperatura de
20º C.
g) La “irregularidad” en la densidad del agua
En
estado líquido, el agua es más densa que en estado sólido. Por ello, el
hielo flota en el agua. Esto es debido a que los puentes de hidrógeno
formados a temperaturas bajo cero unen a las moléculas de agua ocupando mayor
volumen.
h)
Bajo grado de ionización
La
mayor parte de las moléculas de agua no están disociadas. Sólo un reducido número
de moléculas sufre disociación, generando iones positivos (H+) e
iones negativos (OH-). En el agua pura, a 25ºC, sólo una molécula
de cada 10.000.000 está disociada, por lo que la concentración de H+
es de 10-7. Por esto, el pH
del agua pura es igual
a 7 (neutro). Más adelante se ampliará este punto.
H2O
H3O+
+ OH-
Las funciones del agua se relacionan íntimamente con las propiedades anteriormente descritas. Se podrían resumir en los siguientes puntos:
Disociación del agua
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El agua pura tiene la capacidad de disociarse en iones, por lo que en realidad se puede considerar una mezcla de :
· agua molecular (H2O )
· protones hidratados (H3O+ )
· iones hidroxilo (OH-)
En realidad esta disociación es muy débil en el agua pura, y así el producto
iónico del agua a 25º es:
Este producto iónico es constante. Como en el agua pura la concentración de hidrogeniones y de hidroxilos es la misma, significa que la concentración de hidrogeniones es de 1 x 10 -7. Para simplificar los cálculos Sorensen ideó expresar dichas concentraciones utilizando logaritmos, y así definió el pH como el logaritmo cambiado de signo de la concentración de hidrogeniones. Según esto:
· disolución neutra pH = 7
· disolución ácida pH < 7
· disolución básica pH > 7
En general hay que decir que la vida se desarrolla a valores de pH próximos a la neutralidad.
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Los organismos vivos no soportan variaciones del pH mayores de unas décimas
de unidad y por eso han desarrollado a lo largo de la evolución sistemas de
tampón o buffer, que mantienen el pH constante mediante mecanismos
homeostáticos. Los sistemas tampón consisten en un par ácido-base
conjugada que actúan como dador y aceptor de protones respectivamente.
El tampón bicarbonato es común en los líquidos intercelulares, mantiene el pH en valores próximos a 7,4, gracias al equilibrio entre el ión bicarbonato y el ácido carbónico, que a su vez se disocia en dióxido de carbono y agua:
Si aumenta la concentración de hidrogeniones en el medio por cualquier
proceso químico, el equilibrio se desplaza a la derecha y se elimina al
exterior el exceso de CO2 producido.
Si por el contrario disminuye la concentración de hidrogeniones del medio, el
equilibrio se desplaza a la izquierda, para lo cual se toma CO2
del medio exterior.
a) Ósmosis y presión osmótica
Si tenemos dos disoluciones acuosas de distinta concentración separadas por una membrana semipermeable (deja pasar el disolvente pero no el soluto), se pruduce el fenómeno de la ósmosis que sería un tipo de difusión pasiva caracterizada por el paso del agua (disolvente) a través de la membrana semipermeable desde la solución más diluida (hipotónica) a la más concentrada (hipertónica), este trasiego continuará hasta que las dos soluciones tengan la misma concentración (isotónicas o isoosmóticas).
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Y se entiende por presión osmótica la presión que sería necesaria para detener el flujo de agua a través de la membrana semipermeable.
La membrana plasmática de la célula puede considerarse como semipermeable, y por ello las células deben permanecer en equilibrio osmótico con los líquidos que las bañan.
A continuación vemos los efectos que producen los procesos osmóticos sobre un glóbulo rojo cuando se introduce en diferentes concentraciones salinas:
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Cuando las concentraciones de los fluidos extracelulares e intracelulares es igual, ambas disoluciones son isotónicas.
Si los líquidos extracelulares aumentan su concentración de solutos se hacen hipertónicos respecto a la célula, y ésta pierde agua, se deshidrata y mueren (plamólisis).
Y si por el contrario los medios extracelulares se diluyen, se hacen hipotónicos respecto a la célula, el agua tiende a entrar y las células se hinchan, se vuelven turgentes (turgencia), llegando incluso a estallar.
b) Difusión y diálisis
Los líquidos presentes en los organismos son dispersiones de diversas sustancias en el seno del agua. Según el tamaño de las partículas se formarán dispersiones moleculares o disoluciones verdaderas como ocurre con las que se forman con las sales minerales o por sustancias orgánicas de moléculas pequeñas, como los azúcares o aminoácidos.
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Las partículas dispersas pueden provocar además del movimiento de ósmosis, éstos otros dos fenómenos:
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Así se realizan los intercambios de gases y de algunos nutrientes entre la célula
y el medio en el que vive.
Además del agua existe otras biomoléculas inorgánicas como las sales minerales. En función de su solubilidad en agua se distinguen dos tipos: insolubles y solubles.
1.
Sales insolubles en agua
Forman estructuras sólidas, que suelen tener función de sostén o protectora, como:
2.
Sales solubles en agua
Se encuentran disociadas en sus iones (cationes y aniones) que son los responsables de su actividad biológica. Desempeñan las siguientes funciones:
La mioglobina tiene como núcleo central al Fe
