Propiedades biológicas del agua PDF

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Resumen general de ideas acerca de las propiedades del agua que fundamentan su rol en las funciones esenciales del organismo. Material recopilado de la facultad de ciencias médicas de la universidad nacional de Rosario....

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PROPIEDADES DEL AGUA QUE FUNDAMENTAN SU ROL EN LAS FUNCIONES ESENCIALES DEL ORGANISMO Prof. Dra. Marta Rasia. Prof. Dra. Gladis Hernández. JTP. Bioq. Adriana Bollini. Cátedra de Física Biológica. Facultad de Ciencias Médicas, UNR.

Índice ¿Qué es el agua? EL AGUA EN LA NATURALEZA:  ¿Cómo existe en la naturaleza?  ¿Cómo es utilizada por los seres vivos?  Ciclo del agua. Equilibrio hielo, agua, vapor  El agua y los seres vivos  La calidad del agua PROPIEDADES DEL AGUA  Resumen.  Referencias Bibliográficas. es el agua? ¿QuéAgua es el nombre común que se aplica al estado líquido del compuesto de hidrógeno y oxígeno: H2O. El átomo de oxígeno y los dos átomos de hidrógeno ocupan los vértices de un triángulo isósceles. Los electrones de la molécula se disponen de manera que se producen acumulaciones de cargas positivas y negativas dispuestas alternadamente en el espacio. Esta separación de cargas origina que la molécula constituya un dipolo eléctrico.

Los átomos tienen unas nubes de electrones que los rodean; al formarse la molécula de agua, estas nubes engloban los tres átomos dando lugar a la forma caprichosa que se muestra en la figura. Este es el origen de enlace o puente de hidrógeno, responsable de las propiedades del agua.

El carácter de polar hace que la molécula actúe en forma diferente a aquellas que no lo poseen. La disposición electrónica hace también que la molécula de agua pueda formar enlaces o puentes hidrógeno; enlace que se forma, en este caso, entre un grupo dador de protones y un grupo aceptor. El oxígeno actúa como dador (a lo largo de la línea OH) o aceptor (a lo largo de uno de sus vértices negativos). Este enlace afecta profundamente las propiedades fisicoquímicas del agua, y es la base de una serie de funciones esenciales para la vida.

Los átomos de los extremos (los hidrógenos) interactúan fuertemente con las moléculas de agua vecinas. En su fase gaseosa las moléculas están muy separadas para sentir entre ellas un efecto muy importante; así, encontramos normalmente moléculas aisladas y ocasionalmente dos moléculas unidas, pero en la fase líquida y en la sólida estas interacciones son muy importantes. El Agua en la Naturaleza ¿Cómo existe en la naturaleza? ¿Cómo es utilizada por los seres vivos? Algunos experimentos para conocerla Primera experiencia Calentemos el agua y observemos con atención. El recipiente ideal es uno de vidrio (cuide que sea resistente al fuego) pues así se podrá observar el fenómeno por todos los lados. Al poco rato de puesta en el fuego, la masa cristalina del agua empieza a agitarse, debido a que las capas inferiores al calentarse se deslizan hacia arriba y dejan caer a las superiores, que son más frías y pesadas. El movimiento, de tipo circular, se llama “convectivo” y sucede también en la atmósfera; es el origen de los espejismos. Más tarde empiezan a formarse burbujas, producto del desprendimiento de los gases disueltos en el agua (principalmente aire). El proceso se conoce como “desgasificación”. Y cuando entran en ebullición, las burbujas contienen agua que se ha evaporado en el interior del recipiente y forman borbotones. Si dejamos hervir el agua por un buen rato, ésta se enturbia, pues las sales que contiene disueltas se concentran en el líquido que queda. En resumen, el agua se mueve verticalmente por efecto del calentamiento, contiene gases disueltos, que son evidentes al desprenderse por causa del aumento de temperatura y también contiene sales (el agua pura no existe como tal en la naturaleza) que al hervir se concentran en el líquido, ya que el vapor está prácticamente libre de ellas. Esto último tiene gran importancia tecnológica, pues es una manera simple de obtener agua potable del agua de mar salada. Que el agua tiene movimientos convectivos y, sobre todo, que contiene oxígeno disuelto, es muy importante para la sustentación de la vida acuática. Segunda experiencia Juguemos con el hielo. Esta fase tiene interesantes propiedades. La más espectacular es que el líquido aumenta su volumen al congelarse. La prueba más sencilla es observar cómo el hielo desborda el nivel en una hielera (de las que hacen “cubitos” en el refrigerador). El aumento de volumen es tan grande y la presión ejercida

es tan intensa que una botella cerrada dejada en el congelador puede estallar (experimento peligroso y no recomendable). Al aumentar el volumen del agua congelada su densidad (relación masa/volumen) disminuye y por esto el hielo flota; si ello no sucediese, los lagos y estanques se congelarían del fondo a la superficie eliminando toda la vida acuática. En cambio, el hielo que se acumula en la superficie actúa como aislante de temperatura evitando que el agua de abajo se congele (Fig. 1). La presión ejercida por el hielo al expandirse puede romper un barco atrapado en los hielos del Ártico.

Figura 1. Muestra que –en un medio ambiente a -10°C- en primer lugar se enfría la capa superficial de agua y, dadas las diferentes densidades del sólido y el líquido, dicha capa permite la sobrevida de los peces.

Figura 2. Cambio de volumen del agua conforme aumenta la temperatura

La explicación de este comportamiento tiene que ver con la estructura cristalina del hielo (Fig. 3). Al congelarse, las moléculas de agua forman rápidamente estructuras ordenadas. A la presión atmosférica ordinaria, cuatro moléculas se asocian en la forma de un tetraedro, las que a su vez conforman una estructura de anillos hexagonales. Ésta, por cierto, es una estructura muy poco empacada (con muchos huecos); es por ello que el agua sólida es menos densa que el agua líquida y por eso el hielo flota en el agua ordinaria.

Estructura del agua en estado líquido y sólido

H2O líquido

H2O sólido

Figura 3. El hielo tiene una estructura cristalina muy ordenada en donde cuatro moléculas de agua forman tetraedros que se unen entre sí. Las cavidades de esta estructura explican por qué la fase sólida es menos densa que la líquida.

Ciclo del agua. Equilibrio, hielo, agua, vapor El agua existe en nuestro mundo en tres formas: sólida, líquida y gaseosa. Un elemento tan importante para la vida merece un nombre para cada presentación: el sólido es el “hielo”; el líquido es “agua”, así, nada más; y el gas es “vapor”, aunque de hecho no nos es desconocido que son lo mismo (químicamente la misma sustancia). El gas, al que llamamos comúnmente vapor, es una fase en donde las moléculas están muy distantes unas de otras. Prácticamente son ajenas a las interacciones moleculares y no existe orden. El sólido es la otra cara de la moneda: en él reina el orden. Los líquidos son estructuras intermedias entre el orden del sólido y el desorden total del gas. Si se calienta el sólido se derrite en un proceso llamado fusión, y llega a líquido. Normalmente el orden persiste tan sólo localmente, pero el agua es la gran excepción: su líquido tiene la mayor estructura de todas las sustancias normales. Las moléculas de agua se agrupan en estructuras bien definidas, normalmente hexagonales y sólo es posible una limitada agitación molecular. En la naturaleza existe un cambio continuo entre cada forma (o “fase”, como se le llama científicamente) del agua. Cuando llueve, el vapor se precipita en forma de líquido y cuando graniza el líquido, en su descenso a la Tierra, toma la fase sólida. Cuando nieva privan unas condiciones de humedad y de temperatura del aire tales que el vapor se precipita como sólido, en un proceso que los físicos llaman “sublimación” (en este caso inversa, ya que la sublimación es el paso de gas a sólido sin pasar por la fase líquida intermedia). Por efecto del calor, el agua líquida se evapora. En la naturaleza este continuo cambio es llamado el “ciclo hidrológico” Los seres vivos, las plantas y los animales, participan en el ciclo hidrológico global del planeta.

El agua y los seres vivos Biológicamente, el agua es un elemento maravilloso y constituye un campo fascinante para investigar. En el agua se originó la vida y de ella sigue dependiendo. Muchos seres vivos moran inmersos en el agua; los que no, (el ser humano incluido) en su interior contienen agua en gran medida. El agua es el constituyente necesario de todas las células, animales y vegetales y la vida no puede existir en su ausencia ni siquiera por un período limitado. El contenido de agua es variable de un organismo a otro. En general los tejidos jóvenes tienen más agua y se va perdiendo en los procesos de envejecimiento. Es el agua la que da la turgencia a las células. En el hombre adulto el contenido promedio del agua de su organismo constituye un 70% de su peso. En los fluidos biológicos, tales como la saliva, plasma y jugos gástricos, el contenido de agua es hasta de 99.5%. Aproximadamente el 50% del contenido de agua en los organismos se encuentra en las células, 35% en el espacio extracelular, 5% en el plasma y el 10% restante distribuido en otras estructuras. La ingestión de agua y su generación interna en las reacciones químicas que constituyen el metabolismo se acopla con la pérdida del agua por la excreción, transpiración y pérdida de vapor por la respiración para dar lugar al ciclo hidrológico propio de los organismos. Este, a su vez, se acopla al ciclo hidrológico de la naturaleza. La calidad del agua El agua no se encuentra en la naturaleza en su forma químicamente pura, compuesta solamente por moléculas H2O, ésta sólo se da en el laboratorio. Puesto que disuelve ávidamente a la mayoría de los compuestos sólidos, líquidos o gaseosos, en su forma natural se encuentra normalmente impregnada de ellos. Esto en sí es bueno, pues es precisamente el oxígeno disuelto el que permite la vida acuática; los sólidos en solución modulan su actividad química y son aprovechados por los seres vivos. Es interesante hacer notar que el agua químicamente pura no es apropiada para la vida. Pero esta propiedad de disolver compuestos es, al mismo tiempo, la que provoca serios problemas de contaminación: los desechos domésticos o industriales incorporados a las masas de agua llegan a hacerla inadecuada y hasta peligrosa para la vida. Conocer los límites de impurezas que para cada uso pueden aceptarse y estudiar la manera de eliminarlas es una tarea de higiene extremadamente importante para

conservar los recursos acuáticos. En medicina es importante conocer los peligros que se ocultan en el manejo descuidado del agua. Tomar conciencia del daño que podemos causar es también importante pues una vez contaminada, el costo de purificación del agua es muy alto. Pero no sólo nuestra vida; también nuestro estilo de vida depende de la disponibilidad de agua fresca en mayor medida de lo que nos gustaría admitir. Si por el motivo que fuera nuestras canillas dejaran de echar agua, nuestras rutinas domésticas se vendrían abajo, surgirían problemas sanitarios, las fábricas se detendrían y la agricultura estaría en apuros. En pocas palabras, todo el tejido social empezaría a deshacerse. El problema surge porque con el crecimiento de la población mundial y la industrialización, la demanda de agua crece; en un futuro próximo varias naciones padecerán escasez. El agua es uno de los problemas más urgentes de la humanidad. El consecuente problema de las aguas residuales es de magnitud comparable.

Propiedades del Agua El agua es el principal componente de nuestro organismo (60 – 70% de nuestra masa corporal) Sus propiedades fisicoquímicas son importantes porque esclarecen muchos de los misterios sobre el comportamiento de esta “nada común sustancia” y son la base de una serie de funciones esenciales para la vida. La investigación sobre la naturaleza molecular ha mostrado que una de las principales claves, quizás la más importante, es la ligadura de hidrógeno. No es el agua la única molécula que tiene ligaduras de hidrógeno, lo que parece ser único en su estructura es que las moléculas fácilmente se aglomeran en redes tridimensionales, con muchos huecos, cuya geometría depende del ángulo que forman los tres átomos componentes. Esto le confiere gran cohesión. Esta estructura, por cierto, se mantiene en las fases líquida y sólida y hace del agua una sustancia completamente fuera de lo común: es líquida en condiciones normales cuando, por el tamaño de sus moléculas, “debería” ser gaseosa; su forma sólida flota sobre su forma líquida, cuando “debería” ser al revés; el orden de sus moléculas en su forma líquida semeja más un sólido que un líquido ordinario. En términos generales podemos decir que: 1. Es el disolvente general en nuestros compartimentos corporales, condiciona los fenómenos osmóticos y permite el intercambio entre compartimentos (transporte de los nutrientes en un sentido y de los deshechos de la actividad celular en el otro). 2. Es el medio en el que se producen la inmensa mayoría de las reacciones químicas que constituyen la vida (reacciones metabólicas) participando en ellas directa o indirectamente. 3. Sus propiedades térmicas, diferentes de las de todos los demás líquidos la hacen insustituible para la regulación de la temperatura corporal. Si el agua no tuviera la estructura que tiene no podría almacenar el calor en tan grandes cantidades como lo hace (la propiedad se llama capacidad calorífica) y así no serviría para regular la temperatura de los seres que vivimos inmersos en un medio de aire, en donde las variaciones externas de temperatura son tan altas. 4. La tensión superficial del agua es la más alta, después del mercurio. 1) Con excepción de productos exóticos, el agua es el mejor disolvente que existe (de sólidos, de líquidos y de gases). Si no fuere así, no podría sustentar la vida, pues gracias a esta propiedad conduce los nutrientes a los seres vivos y elimina sus desechos; además, lleva el oxígeno disuelto en ella a los seres acuáticos. El contenido de sales, sin embargo, debe estar comprendido dentro de ciertos límites (agua potable), pues en exceso rompe el equilibrio celular y puede extraer las sales de las células y llegar a matarlas, paradójicamente deshidratándolas. Por ello, esta misma propiedad es la que hace que sea tan fácil contaminarla y hacerla inservible para la vida. El agua disuelve una gran variedad de sólidos sin reaccionar químicamente con ellos; por eso pueden purificarse las aguas contaminadas, aunque a expensas de mucha energía. 2) Es necesario aclarar que el agua químicamente pura no existe en la naturaleza y es inadecuada para la vida por varios motivos. En primer lugar, es extremadamente reactiva y ataca los delicados procesos vitales. Existe además un equilibrio de sales en las células que el agua químicamente pura rompería con consecuencias fatales, pues tendería a asimilar los sólidos disueltos, robándolos a las células. En el otro extremo, un agua con demasiadas sales tiene un efecto similar por la misma razón. Así, la salinidad tan alta del Mar Muerto no permite el desarrollo de vida en su seno.

3) Propiedades térmicas del agua El agua presenta: • Alta conductividad térmica Comprobemos que el agua conduce el calor mejor que el aire. Bastará con calentar de igual manera dos trozos de metal, por ejemplo las hojas de dos cuchillos. Si se deja uno en el aire y se sumerge el otro en el agua, se podrá comprobar que el segundo se enfría mucho más rápidamente. Gracias a esta característica: alta conductividad térmica, el agua iguala con rapidez la temperatura de todos los sectores del medio interno y contribuye a la termorregulación. Por su notable conductividad térmica distribuye el calor e impide que, en nuestro organismo, las zonas metabólicamente muy activas alcancen gran temperatura mientras otras estén demasiado frías. Por la misma propiedad nos refresca introducirnos en el agua aun cuando su temperatura sea superior a la del aire. • Alto calor específico: Calor específico: es la cantidad de calor necesaria para aumentar un grado la temperatura de un gramo de agua. Esta propiedad le permite absorber grandes cantidades de calor con sólo un grado de aumento de la temperatura y entregar grandes cantidades de calor por cada grado que disminuye su temperatura. Por lo tanto contribuye a estabilizar la temperatura del organismo, evitando que las grandes cantidades de calor que los seres vivos producimos con el metabolismo, lleve nuestra temperatura corporal alrededor de los 100º C, como sucedería si el solvente fuera cualquier otro. En la naturaleza, el agua de los mares y lagos amortiguan los cambios de temperatura favoreciendo la vida en su seno. • Alto calor latente de vaporización Calor latente de vaporización: Es la cantidad de calor que debe entregarse a un gramo de agua para que pase del estado líquido al de vapor. El agua, en su estado líquido se evapora constantemente, es decir, las moléculas en su seno tienden a escapar al gas, en donde hay menores atracciones entre ellas (más desorden), aunque las moléculas vecinas intentan por lo contrario retener a las prófugas. La vaporización del agua consume una gran cantidad de calor debido a que el agua tiene un alto calor latente de vaporización. En nuestro organismo se evapora constantemente agua en la piel y en los pulmones (perspiración) y este es otro mecanismo que frena la elevación de la temperatura corporal por el metabolismo y permite mantenerla más baja que la del ambiente. Durante el ejercicio intenso, la transpiración y su evaporación nos permite perder grandes cantidades de calor. Sin embargo, este mecanismo de pérdida de calor está altamente influenciado por la humedad ambiente. Cuanto mayor es el porcentaje de humedad, más dificultosa se hace la pérdida de calor por evaporación. La reserva de agua en un humano adulto es de unos 45 Kg., de los que se pierden entre 300 y 400 gramos por la respiración y entre 600 y 800 gramos por la evaporación cutánea. Ello disipa un 20% del calor producido por el cuerpo. 4) Otra propiedad del agua de importancia biológica es su • Alta tensión superficial Tensión superficial: es la tendencia a exponer la menor superficie libre posible. Las moléculas de agua poseen una particular tendencia a agruparse en una especie de “red” (a diferencia de un líquido normal), porque hay una gran atracción entre ellas. La medida de esta cohesión es la tensión superficial y requiere de energía para romperse. Esta atracción determina que la superficie libre del agua tienda a ser la menor posible. La explicación es

sobre una molécula de agua de la superficie líquida y una molécula del interior.

bastante sencilla: las moléculas del interior están rodeadas de otras moléculas de agua y experimentan el efecto de la fuerza de cohesión de un modo uniforme en toda su superficie, en cambio las moléculas en la superficie libre del líquido están sometidas a la atracción de las otras moléculas del líquido que no puede ser compensada por la débil fuerza atractiva de las moléculas en fase gaseosa (o aquella que esté en contacto con la superficie libre) (Fig. 4). El siguiente experimento pone esto en evidencia: tomemos un vaso y llenémoslo con agua. Ahora depositemos con cuidado una hojita de afeitar en la superficie: a pesar de su peso, flotará. La razón es la tendencia del agua a presentar la menor superficie en contacto con el aire. Hay insectos que pueden caminar por el agua aprovechando el efecto de cohesión. Si tratamos de repetir los anteriores experimentos con otro líquido, por ejemplo alcohol, encontraremos que no es tan fácil: la cohesión de sus moléculas es mucho menor. Asimismo es una experiencia cotidiana que dos pedazos de vidrio, colocados uno sobre otro, son virtualmente imposible de separar -sin deslizarlos- si están mojadas sus caras en contacto, pero si se dejan secar podrán separarse sin dificultad: la cohesión de las moléculas del agua actúa como fuerza sujetadora. La atracción hacia adentro de las moléculas de la superficie hace que ésta se comporte de una manera comparable a una membrana elástica. Una forma de disminuir la tensión superficial del agua es por la adición de un detergente o jabón que por este efecto son llamadas “sustancias tensoactivas”. Las moléculas de estas sustancias son menos “tironeadas” hacia el interior del agua, por lo que se acomodan en la superficie, reemplazando allí a las moléculas de agua. Esto hace al agua “más mojante” y por consiguiente más eficiente para...