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¿Por qué el agua es tan fundamental para la vida? Desde hace mucho tiempo se reconocen su estabilidad química, sus notables propiedades como disolvente y su participación como reactivo bioquímico...

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UNIVERSIDAD PABLO GUARDADO CHAVEZ

RESUMEN: EL AGUA: LA MATRIZ DE LA VIDA

MARIA FERNANDA CRUZ GOMEZ

1° A4

LA CONCORDIA, CHIAPAS. A 28 DE SEPTIEMBRE DEL 2020

Contenido INTRODUCCIÓN.......................................................................2 EL AGUA.................................................................................. 3 CONCLUSIÓN........................................................................... 7 BIBLIOGRAFIA.......................................................................... 7

INTRODUCCIÓN ¿Por qué el agua es tan fundamental para la vida? Desde hace mucho tiempo se reconocen su estabilidad química, sus notables propiedades como disolvente y su participación como reactivo bioquímico. Lo que no se ha apreciado en gran medida es la función crucial que la hidratación (la interacción no covalente de las moléculas de agua con los solutos) desempeña en la arquitectura, la estabilidad y la dinámica funcional de macromoléculas como las proteínas y los ácidos nucleicos.

A fin de entender cuán

esencial es el agua para los procesos de la vida a continuación revisaremos su estructura molecular y las propiedades físicas y químicas que resultan de esta estructura.

EL AGUA El agua es un compuesto que se forma a partir de la unión, mediante enlaces covalentes, de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno; su fórmula molecular es H2O y se trata de una molécula muy estable. El agua posee varias propiedades poco habituales que la hacen muy adecuada para ser la matriz de la vida. Entre estas características se encuentran sus cualidades térmicas y sus características solventes poco comunes. ESTRUCTURA MOLECULAR DEL AGUA La molécula de agua (H2O) está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. El agua tiene una geometría tetraédrica debido a la hibridación sp3 de su átomo de oxígeno situado en el centro del tetraedro. Dos de las esquinas están ocupadas por átomos de hidrógeno, cada uno de los cuales está unido al átomo de oxígeno por un enlace covalente sencillo. Esta disposición otorga a la molécula de agua una geometría flexionada. Las otras dos esquinas están ocupadas por los pares de electrones no apareados del oxígeno. El oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno PROPIEDADES TERMICAS DEL AGUA Quizá la propiedad más singular del agua sea que es un líquido a temperatura ambiente. Cada molécula de agua puede formar enlaces de hidrógeno con otras moléculas de agua que, a su vez, pueden formar enlaces de hidrógeno con otras moléculas de agua. El número máximo de enlaces de hidrógeno se forma cuando el agua se congela y se convierte en hielo. El agua es un modulador eficaz de la temperatura climática a causa de su alto calor de vaporización (la energía que se requiere para evaporar un mol de un líquido bajo la presión de una atmósfera) y de su alta capacidad calorífica (la energía que debe añadirse o extraerse para cambiar la temperatura un grado Celsius). El agua también tiene una función importante en la regulación térmica de los seres vivos. La evaporación del agua sirve como mecanismo de enfriamiento. Un ser humano adulto puede eliminar hasta 1 200 g de agua cada día en el aire espirado, en el sudor y en la orina. La pérdida de calor asociada puede representar cerca de 20% del calor total generado por los procesos metabólicos.

PROPIEDADES DISOLVENTES DEL AGUA El agua es el disolvente biológico ideal. Disuelve con facilidad una gran diversidad de constituyentes de los seres vivos. A continuación se describe el comportamiento en el agua de las sustancias hidrófilas e hidrófobas. Éstas son propiedades físicas que se ven afectadas, no por la estructura específica de los solutos disueltos sino por su número. Moléculas hidrófilas, estructuración del agua celular y transiciones sol-gel Dado que las moléculas de agua son polares, experimentan atracción hacia iones cargados como el Na+ y el Cl−. Alrededor de los iones positivos y de los negativos se forman capas de moléculas de agua, denominadas esferas de solvatación. El tamaño de la esfera de solvatación depende de la densidad de carga del ion (p. ej., tamaño de la carga por unidad de volumen). Al hidratarse los iones, se reduce la fuerza de atracción entre ellos y la forma cargada se disuelve en el agua. AGUA ESTRUCTURADA La disposición de las moléculas de agua en los seres vivos es peculiar. Si bien esta agua se encuentra en forma líquida, la mayor parte de tales moléculas no está en el estado de “masa de agua” (p. ej., no fluye libremente). En cualquier momento, la mayor parte de los miles de millones de moléculas de agua de una célula están unidas de manera no covalente con las macromoléculas y las superficies de membrana densamente compactadas en todo su interior. En los agregados celulares, numerosas capas de agua cubren el espacio entre macromoléculas adyacentes. Además, las moléculas de agua en estas capas, denominadas en conjunto agua estructurada, están en movimiento perpetuo y se reconfiguran de manera constante. En otras palabras, cuanto más cerca esté una molécula de agua de una superficie polar, más lento será su movimiento. TRANSICIONES SOL-GEL El citoplasma, como cualquier material basado en agua que contenga polímeros, tiene las propiedades de un gel . Un gel es una mezcla coloidal; en el caso de las células, consiste en biopolímeros con superficies polares vinculadas con agua adsorbida. Los cambios de temperatura (y, por tanto, del movimiento molecular), la arquitectura de la matriz y la inclusión de solutos pueden causar una transición de gel a “sol” o líquido. Las células se comportan de modo similar debido a que las superficies de solvatación de las proteínas poliméricas están muy estructuradas. Las transiciones de gel a sol (de mayor a menor solidez) contribuyen a muchos aspectos del funcionamiento de la célula, en especial al movimiento celular.

Los mecanismos principales que originan este tipo de transiciones son la polimerización reversible de la actina G para formar actina F, y la formación subsiguiente de enlaces cruzados entre los Filamentos de actina. Moléculas hidrófobas y efecto hidrofóbico La red de solvatación del agua excluye pequeñas cantidades de sustancias apolares mezcladas con agua; es decir, éstas se agrupan en pequeñas gotas. Dicho proceso se denomina efecto hidrofóbico. Las moléculas hidrófobas como los hidrocarburos, son virtualmente insolubles en agua. Su asociación en gotas pequeñas (o, en cantidades grandes, en una capa separada) es consecuencia de las propiedades disolventes del agua, no de la atracción relativamente débil entre las moléculas apolares que se asocian. Moléculas anfipáticas Un gran número de biomoléculas denominadas anfipáticas contienen grupos polares y apolares. Esta propiedad afecta de forma significativa su comportamiento en el agua. Presión osmótica Ósmosis es el paso espontáneo de moléculas de disolvente a través de una membrana semipermeable que separa una disolución con menor concentración de soluto de una disolución con mayor concentración La presión osmótica es la presión que se requiere para detener el flujo neto del agua a través de la membrana. Como causa principal del flujo de agua a través de las membranas celulares, la presión osmótica es una fuerza impulsora en numerosos procesos vitales. La concentración de una disolución (solución) puede expresarse en términos de osmolaridad. La unidad de osmolaridad es osmoles/litro. La presión osmótica crea algunos problemas importantes para los seres vivos. En general las células contienen concentraciones bastante elevadas de solutos (es decir, moléculas orgánicas y sales iónicas pequeñas) y concentraciones menores de macromoléculas. Por consiguiente, las células pueden ganar o perder agua debido a la concentración de soluto de su ambiente. Si las células se colocan en una solución isotónica (p. ej., la concentración de soluto y de agua es la misma a ambos lados de la membrana plasmática de permeabilidad selectiva) no hay movimiento neto de agua en ninguna dirección a través de la membrana. En soluciones hipertónicas, aquellas con mayores concentraciones de soluto, las células se encogen porque existe un movimiento neto de agua hacia el exterior celular.

IONIZACIÓN DEL AGUA Las moléculas de agua en estado líquido poseen una capacidad limitada de ionización para formar un protón, o ion hidrógeno (H+), y un ion hidróxido (OH−). Los protones no existen realmente en solución acuosa. En el agua, un protón se combina con una molécula de agua para formar H3O+, denominado usualmente ion hidronio. Cuando una solución contiene cantidades iguales de H+ y OH−, se dice que es neutra. Cuando una sustancia iónica o polar se disuelve en agua, puede cambiar los números relativos de H+ y de OH−. Las soluciones con exceso de H+ son acidas, mientras que las que tienen un número mayor de OH− son básicas. La concentración del ion hidrógeno varía en un intervalo muy amplio: en general entre 100 y 10−14 M, lo cual proporciona la base de la escala de pH (pH = −log [H+]). Se dice que un grupo lateral de una molécula es ácido si actúa como donante de protones, y básico si lo hace como aceptor. Amortiguadores Los amortiguadores ayudan a mantener una concentración de iones hidrógeno relativamente constante. Los amortiguadores

(disoluciones amortiguadoras)

más

habituales consisten en ácidos débiles y sus bases conjugadas. Los tres amortiguadores más importantes del organismo son el bicarbonato, el fosfato y las proteínas. TAMPÓN BICARBONATO El amortiguador de bicarbonato, uno de los sistemas amortiguadores más importantes de la sangre, posee tres componentes. El primero de ellos, el dióxido de carbono, reacciona con el agua para formar ácido carbónico: CO2 + H2O 7 H2CO3 Después, el ácido carbónico se disocia muy rápido para formar iones H+ y HCO3 H2CO3 7 H+ + HCO3 Dado que la concentración de H2CO3 en sangre es muy baja, las ecuaciones anteriores pueden simplificarse a: CO2 + H2O 7 H+ + HCO3 AMORTIGUADOR DE FOSFATO El sistema tampón fosfato consta de un par ácido débilbase conjugada H2PO4 = H+ + HPO4 2− AMORTIGUADOR DE PROTEÍNAS Las proteínas son una fuente significativa de capacidad amortiguadora. Formadas por aminoácidos unidos mediante enlaces peptídicos, las proteínas contienen varias clases de grupos ionizables en las cadenas laterales, que pueden ceder o aceptar protones.

CONCLUSIÓN En conclusión el agua es fundamental para la vida, sin esta es imposible vivir por lo antes visto, es un componente indispensable de procesos biológicos tan diversos como el plegamiento de proteínas y el reconocimiento biomolecular en mecanismos de transducción de señales, el autoensamblaje de estructuras supramoleculares como los ribosomas, y la expresión génica. Este tema fue de gran importancia, ya que me ayudo a comprender muchas cosas que en su momento desconocía, como el tema de los amortiguadores y los enlaces del agua, el explicar a este gran componente parte por parte.

BIBLIOGRAFIA Rudy Mckee/James R. Mckee. 2020. BIOQUÍMICA Las bases moleculares de la vida, Séptima edición. McGRAW-HILL INTERAMERICANA EDITORES, S.A. de C.V. ISBN: 978607-15-1440-0...