Cuantitativamente el agua es el principal componente de los seres
vivos, ya que por término medio representa aproximadamente el 70% del peso de
la materia viva (aunque esa proporción varía según los organismos y los
órganos, como puede apreciarse en las tablas).
Porcentaje de agua en
diferentes seres
vivos
Porcentaje de agua en
Diferentes
órganos
Animales
Hombre........................65%
Medusa.........................96%
Caracol.........................80%
Insecto..........................72%
Animales
Cerebro...........................85%
Sangre............................79%
Músculos........................75%
Hígado............................70%
Cartílagos.......................55%
Huesos............................22%
Dientes...........................10%
Vegetales y hongos
Algas.............................98%
Hongos...........................91%
Zanahorias.....................87%
Alfalfa............................75%
Líquenes.........................55%
Vegetales
Patatas............................78%
Granos
de trigo...............11%
Semillas
de garbanzo......11%
Semillas
de guisante.......11%
Granos
de arroz..............10%
En los organismos la proporción de agua depende, entre otras cosas,
del medio en el que viven. Dentro de la misma especie la proporción de agua es
mayor en los individuos jóvenes y disminuye conforme envejecen. En cada
organismo, cuanto más actividad vital desarrolla un
órgano, más rico es en agua.
Algunos organismos inferiores reducen temporalmente la cantidad de
agua en todo el organismo o en algunos órganos hasta casi la desecación, y
reducen sus funciones vitales a la mínima expresión. Se dice entonces que
adoptan el estado de vida latente. Esto sucede en protozoos, esporas y
semillas.
1.4.1. Estructura de la
molécula de agua
La molécula de agua está constituida por 1 átomo de O y 2 de H: H2O.
El O presenta una hibridación sp3, tetraédrica.
La repulsión electrostática de los pares electrónicos no enlazantes (rayado), produce un aumento en el ángulo de los
2 orbitales híbridos que ocupan esos electrones y una disminución del ángulo
H-O-H con relación al ángulo tetraédrico (109'5 0).
Datos de la estructura molecular:
-Longitud de enlace O-H: 0'96
A.
-Ángulo de enlaces H-O-H:
104'5 0.
La diferente electronegatividad de H y O crea momentos dipolares de enlace. La molécula de agua presenta un
elevado momento dipolar (1'85 D). Además se comporta
como dador electrónico.
1.4.2. Propiedades
físico-químicas del agua
*Punto de ebullición
elevado (100 ºC):
debido a que en estado líquido las moléculas de agua se unen entre sí por
puentes de H, a causa de la elevada electronegatividad del O. Coexisten las
moléculas unidas por puentes de H y las libres.
Hidruros del grupo VI B
Punto de ebullición
H2O
H2S
H2Se
H2Te
100
-60’75
-41’50
-1’8
ºC
ºC
ºC
ºC
*Punto de fusión
elevado (0 ºC).
*Calor de vaporización
elevado (539'5 cal/g):evita
la evaporación masiva y la consiguiente deshidratación de los organismos vivos.
*Calor de fusión
elevado (79'7 cal/g): dificulta la congelación
y los los trastornos biológicos que ésta traería
consigo.
*Calor específico
elevado (1 cal/gºC):
hace que el agua actúe como tampón o regulador de la temperatura en los seres
vivos.
*Elevada tensión
superficial.
*Menor densidad del
hielo que del agua líquida: en el hielo, cada
átomo de O se rodea tetraédricamente de 4 de H: de
dos le separa una distancia de 1'00 A, y de los otros dos una de 1'76 A. Por
eso, entre los O hay una distancia de 2'76 A, tal y como representa la fig.
Por su estructura poco compacta, el hielo es menos denso que el agua
líquida y flota sobre ésta.
Los enlaces por puentes de H se rompen paulatinamente al ascender la
temperatura, por lo que se aproximan entre sí las moléculas de H2O y
aumenta su densidad. Pero simultáneamente la expansión térmica disminuye la
densidad. A los 4 ºC se equilibran ambos efectos.
La máxima densidad del agua líquida se alcanza a los 4 ºC. A partir de los 4 ºC
predomina la expansión térmica y al elevarse la temperatura disminuye la
densidad del agua.
Consecuencias:
-A baja temperatura la congelación empieza por la superficie, lo cual
permite la supervivencia de muchos seres de vida acuática en climas muy fríos.
-Circulación del agua (corrientes de convección) debida a los cambios
de densidad por calentamiento y enfriamiento.
* Escala de pH
El agua sufre espontáneamente una reacción de disociación reversible:
El valor de la conc. de
H2O será 1 debido al pequeño valor de Kd.
Como las concentraciones de H+ y de OH-
serán iguales, el valor de ambas será 10-7.
Si denominamos pH al -log [H+], el agua pura tendrá un pH=
7.
Si se añade al agua un ácido (que desprende H+),
[H+] subirá y [OH-] descenderá.
Por eso el valor del pH descenderá.
Todo lo contrario sucede cuando añadimos al medio una sustancia
alcalina o básica.
El pH de un medio puede oscilar entre 0 y
14.
pH:0pH
ácido 7pH básico
ó alcalino14
|||
[H+]: 10010-710-14
El pH excesivamente ácido o excesivamente
básico influye en la ionización de los aminoácidos de las proteínas y altera su
estructura. Además, un pH extremo actuará como agente
corrosivo de la materia orgánica.
En algunos procesos vitales se
requiere momentáneamente un pH ácido (p. ej. en la digestión gástrica) o un pH
alcalino (p. ej. en las secreciones que se realizan
en el intestino delgado, con objeto de neutralizar el pH
ácido del estómago). Pero los tejidos que se ponen en contacto con esos pH se encuentran protegidos (por mucosas, etc.).
1.4.3. Funciones
biológicas del agua
Como consecuencia de sus propiedades -que hemos estudiado con
anterioridad-, el agua desempeña las siguientes funciones en la materia viva
(entre las que destaca su papel como disolvente y termorregulador):
*Disolvente. Se conoce al agua como el disolvente universal. En realidad es el
disolvente más universal de las sustancias nutritivas, tanto orgánicas
como inorgánicas. Así actúa como vehículo para dichas sustancias.
La naturaleza bipolar del agua hace de ella el disolvente ideal para
los compuestos iónicos (alrededor de cada ión se forma una
"nube" de moléculas de agua que lo aísla del ión de signo contrario),
así como para las sustancias no iónicas pero con polaridad molecular (es
el caso de azucares, alcoholes, aldehídos, etc).
Las sustancias no solubles (algunas proteínas y polisacáridos,
y las grasas) forman dispersiones coloidales con el agua.
*Termorregulador. Tiene el agua un importante papel como agente regulador de la
temperatura en los seres vivos por:
-su elevado calor específico que la convierte en amortiguador
de los bruscos cambios térmicos.
-su gran conductividad térmica, por la que distribuye
las temperaturas en los seres vivos.
-su calor de vaporización elevado que frena la
elevación de la temperatura corporal.
*Reactivo. Todas las reacciones metabólicas se realizan en presencia de agua.
Pero además ella actúa como reactivo químico (como ácido o como base, como
oxidante o como reductor).
*Estructural. Por su elevada tensión superficial provoca cambios en el citoplasma:
deformaciones y movimientos protoplasmáticos que se dan en las células; y
mantiene el volumen y la forma celular.
*Mecánica-amortiguadora. Su reducida viscosidad favorece el desplazamiento de órganos
lubricados por líquidos ricos en agua (en músculos y articulaciones).
*Transporte. El transporte de nutrientes y de otras sustancias (también de
desecho) en la materia viva se desarrolla a través del agua:
-Difusión: de gases y de moléculas sólidas por el citoplasma
celular.
-Intercambio gaseoso: en aparatos respiratorios adaptados al
agua (branquias) y en aparatos aéreos (pulmones y tráqueas) que deben
permanecer húmedos para desarrollar su función.
-Circulación: por sistemas circulatorios, abiertos o cerrados,
que transportan sustancias a distintas partes del organismo gracias al agua.
-Excreción: del N formando parte de moléculas (ác. úrico, urea y amoniaco) cuya toxicidad queda remitida
al encontrarse disueltas en agua.
1.4.4. Disoluciones acuosas de sales minerales
Dentro de los seres vivos se encuentran importantes cantidades de
sales minerales. Éstas se consideran dentro de los principios inmediatos
inorgánicos ya que no son exclusivas de los seres vivos.
Cabe destacar los cloruros, fosfatos, carbonatos y bicarbonatos de
sodio, potasio, calcio y magnesio. En las plantas y en algunos animales
también son importantes los nitratos, sulfatos y silicatos.
a) Sustancias salinas
insolubles y sus funciones
Algunas sales son insolubles y precipitan. Forman parte de órganos
esqueléticos que, por tanto, tienen función estructural: esqueletos internos
(huesos), esqueletos externos (caparazones), dientes colmillos, etc. Este es el
caso del fosfato cálcico y del carbonato cálcico.
En vegetales (diatomeas, gramíneas, etc.) y protozoos (heliozoos y radiolarios) también se deposita la sílice (SiO2), que forma esqueletos o endurece las
hojas.
Otros vegetales forman cristales de oxalato en el interior de las
vacuolas.
En los poríferos o esponjas hay células que sintetizan espículas
calcáreas (de CO3Ca) o silíceas (de SiO2).
b) Sustancias salinas
solubles y sus funciones
Cuando las sales están disueltas, se encuentran disociadas en iones.
Los principales aniones y cationes que se forman como consecuencia de esta
ionización son:
Aniones: Cl-, PO4H=, PO4H2-,
CO3H-, CO3=, SO4=
y NO3-
Cationes: Na+, K+, Ca++, Mg++ y NH4+
Estos iones mantienen unas concentraciones constantes y un equilibrio
entre ellos dentro de los organismos. Las alteraciones en esos valores producen
desequilibrios importantes en el medio interno del organismo.
Entre las funciones que desempeñan las sales ionizadas dentro de los
seres vivos destacan las siguientes:
-Regulan los fenómenos osmóticos y, con ellos, el trasiego de agua.
-Regulan el equilibrio ácido-base y mantienen constante el pH del organismo.
-Mantienen la salinidad del medio interno.
-Los cationes intervienen en funciones específicas variadas: enzimáticas, transmisión del impulso nervioso y contracción
muscular, transporte de electrones, etc.
-También hay sales minerales asociadas a moléculas orgánicas: los
fosfatos forman parte de los adenosín-fosfatos (ADP,
ATP, AMPc), ácidos nucléicos,
fosfolípidos, etc.
Nosotros vamos a considerar aquí las 2 primeras funciones:
*Regulación osmótica u osmorregulación.
La ósmosis es un fenómeno por el cual, cuando una membrana semipermeable
(es decir, que sólo deja pasar a través de ella el agua y no los solutos)
separa dos disoluciones con distinta concentración de soluto, el agua tiende a
pasar de la menos a la más concentrada para equilibrar ambas disoluciones.
La osmorregulación se encamina a mantener
dentro de ciertos límites el contenido en agua y la concentración de los
solutos. Para estudiar este proceso podemos considerar esquemáticamente tres
tipos de medio o hábitat: el agua salada, el agua dulce y el medio terrestre,
aunque existen situaciones intermedias tanto de hábitat (aguas salobres) como
del propio ser vivo (animales que viven en distintos medios según la etapa de
su ciclo vital, o que alternan diferentes medios a lo largo de su vida).
-El agua salada: tiene una concentración de sales muy elevada.
Los seres que viven en este medio tienen el problema de la pérdida de agua y de
la acumulación de sales en el medio interno. Las soluciones son muy diversas:
unos toleran grandes concentraciones de urea que les confieren un carácter hiperosmótico, otros tienen mecanismos para reducir las
pérdidas de agua pese a ser hipoosmóticos, y otros hipoosmóticos beben agua del mar y eliminan el exceso de
sales absorbidas con el agua.
-El agua dulce: tiene una salinidad variable, pero normalmente
baja. Presenta el peligro de la entrada de agua en el organismo y la dilución
del medio interno. Junto a la ingestión de sales en el alimento y la relativa
impermeabilidad de la membrana externa de algunos grupos, está el mecanismo de
la captación activa de iones (fundamentalmente a través de las branquias).
-El medio terrestre: ofrece el problema de una posible
deshidratación. Las soluciones varían desde los seres que viven en estrecha
dependencia del agua (en zonas húmedas) para conservar su piel húmeda, hasta
los que viven en zonas áridas. Junto a la ingestión de agua, se procura
eliminar pérdidas mediante cubiertas externas muy impermeabilizadas.
La ósmosis interviene en el intercambio de agua entre las células y su
medio externo en los distintos seres vivos (no podemos olvidar que las
membranas biológicas son semipermeables) y es determinante en la funcionalidad
de la célula y de los distintos orgánulos celulares membranosos.
Los fenómenos osmóticos son también vitales en el proceso de
elaboración de la orina.
*Regulación del equilibrio ácido-base. Llamamos mecanismos
de regulación del equilibrio ácido-base a los procesos que mantienen la
concentración del ión hidrógeno (H+) en
los líquidos orgánicos dentro de niveles compatibles con la vida y con el
correcto funcionamiento del organismo.
Concretamente en el hombre el pH normal del
plasma es de 7'4, y valores de pH por debajo de 7'0 o
por encima de 7'7 producen la muerte en pocos minutos.
Los mecanismos básicos de regulación del equilibrio ácido-base son
tres: sistemas tampón de los líquidos orgánicos; regulación respiratoria; y
regulación renal.
-Sistemas tampón o amortiguadores. En química se conoce como
sistema tampón a un conjunto de dos sustancias relacionadas entre sí, capaces
de amortiguar los cambios de pH que se producen al
añadir hidrogeniones (H+)
o hidroxiliones (OH-) al medio. En el
organismo existen 3 sistemas tampón:
. CO2 / CO3H-(El CO2 y el CO3H2
están en equilibrio: H2O + CO2<==> CO3H2)
. PO4H2- / PO4H=
. Distintos grupos funcionales de proteínas.
1) Sistema
tampón carbónico-bicarbonato. Ante un exceso de hidrogeniones,
H++ CO3H-===========> CO2 +H2O
con lo que el hidrogenión es sustituido por un ácido débil como el
carbónico.
Ante un exceso de hidroxiliones,
OH- +
CO2 ==============> CO3H-
elhidroxilión se
incorpora a la base débil que es el ión bicarbonato.
[A-]
Como pH = pK +
log-------(siendo AH un ácido débil y A-
su base conjugada)
[AH]
para el sistema CO2
/ CO3H-
[CO3H-]
pH = 6'1 + log---------, y para
un pH = 7'4 la concentración de bicarbonato es unas
20 [CO2]
veces la de CO2
El pK del sistemaCO2 / CO3H-es 6'1 frente a un valor medio del pH extracelular de 7'4. Y el poder amortiguador de un
sistema tampón es máximo cuando el pH coincide con el
pK. Por eso la eficacia como amortiguador del sistema
CO2 / CO3H- por sí mismo es reducida. Pero su
actuación fisiológica es muy eficaz, debido a la cuidadosa regulación a la que
se encuentra sometida la concentración de CO2 por el sistema
respiratorio y de CO3H- por el riñón.
2) Sistema tampón de
fosfatos. Actúa de forma similar al anterior. El pK
es 6'8, más próximo al fisiológico. Pero la concentración de iones fosfato en
líquidos extracelulares es muy inferior a la de CO2 y CO3H-.
Su importancia es mayor en los líquidos intracelulares (donde es más
abundante). También actúa en los túbulos renales.
3) Sistema tampón de
proteínas. Es el más poderoso en el organismo. Las proteínas pueden ser
responsables de más de la mitad de la capacidad amortiguadora total.
-Regulación respiratoria. Como el aumento de [CO2]
en los líquidos orgánicos acidifica el medio interno, el aumento en la
ventilación pulmonar, al eliminar CO2 contrarresta esa
acidificación.
-Regulación renal. Incide en el equilibrio ácido-base mediante
cambios en la concentración de bicarbonato en los líquidos extracelulares.