El agua: Capacidad disolvente de las biomoléculas
Entre
las excepcionales propiedades físicas del agua destaca
por su importancia biológica la extraordinaria capacidad que presenta
para disolver una amplia gama de sustancias. Otras propiedades son
aprovechadas por algunos seres vivos en los que el agua desempeña
funciones específicas, sin embargo, dado que la gran mayoría de las
biomoléculas se encuentran en las células en disolución acuosa, las
propiedades disolventes del agua son de importancia capital para todas
las formas de vida.
Al igual que las demás propiedades físicas, la capacidad
disolvente del agua está basada en su naturaleza dipolar, que le permite
establecer interacciones electrostáticas con determinados tipos de
solutos.
Podemos considerar tres tipos de sustancias en lo que se
refiere a su solubilidad en agua: sustancias hidrofílicas,
sustancias hidrofóbicas, y sustancias anfipáticas.
a) Sustancias hidrofílicas
(del griego "amantes del agua").- Son netamente solubles en agua.
Entre ellas podemos diferenciar las sustancias iónicas, que poseen carga
eléctrica neta, y las sustancias polares, que presentan en su molécula
cargas parciales. Muchas biomoléculas son sustancias iónicas, como las
sales minerales y las biomoléculas orgánicas poseedoras de grupos
funcionales ionizados al pH de la célula (por ejemplo los aminoácidos).
Otras muchas son sustancias polares, como las biomoléculas orgánicas con
grupos funcionales capaces de formar puentes de hidrógeno (por ejemplo
los azúcares).
El agua es un buen disolvente de este tipo de sustancias
porque su molécula, al presentar cargas parciales, puede establecer
interacciones electrostáticas con las moléculas de soluto: cuando una
sustancia iónica o polar se disuelve en agua las interacciones
agua-soluto sustituyen de manera energéticamente favorable a las
interacciones soluto-soluto de la red cristalina. En el caso de las sustancias polares estas interacciones son
del tipo que conocemos con el nombre de puentes de hidrógeno.
La siguiente animación ilustra este fenómeno.
La capacidad del agua para disolver sustancias hidrofílicas tiene su expresión matemática en su elevada constante dieléctrica. En la siguiente expresión
F
es la fuerza con la que se atraen dos cargas eléctricas Q1
y Q2 separadas por una distancia r en un medio
cuya constante dieléctrica es D. Cuanto mayor es el valor de D
menor es la fuerza atractiva. Entre todos los líquidos conocidos el agua
es el que tiene una mayor constante dieléctrica. Por lo tanto, cuando
una sustancia iónica se encuentra en medio acuoso, las fuerzas
electrostáticas que mantienen unidas sus moléculas en una red cristalina
se debilitan considerablemente, lo que favorece en gran medida el
proceso de disolución. En realidad, el elevado valor de la constante
dieléctrica del agua no es más que una consecuencia de su carácter
dipolar.
b) Sustancias hidrofóbicas
(del griego "miedo al agua").- Son totalmente insolubles en agua.
Se caracterizan por no poseer cargas eléctricas netas ni parciales, es
decir, son totalmente apolares. Este carácter apolar les impide
establecer interacciones energéticamente favorables con las moléculas de
agua, es más, interfieren con los puentes de hidrógeno entre ellas, por
lo que, cuando se encuentran en medio acuoso, tienden a agregarse y
precipitar. De este modo ofrecen al agua la mínima superficie de
contacto posible, y así se minimizan también las interferencias que
ejercen sobre los puentes de hidrógeno entre sus moléculas. Algunas
biomoléculas como las grasas neutras y las ceras son de naturaleza
hidrofóbica; también lo son los gases biológicamente importantes, como
el O2, el CO2 y el N2, que son muy poco
solubles en agua.
c) Sustancias anfipáticas.-
Son sustancias que presentan en su molécula una parte polar (o cargada)
y otra no
polar. Cuando estas sustancias se mezclan con el agua las dos
zonas de su molécula experimentan tendencias contrapuestas: la zonas
polares tienden a establecer interacciones electrostáticas con las
moléculas de agua mientras que las zonas no polares tienden a agregarse
para ofrecer la mínima superficie de contacto con ella. El resultado de
estas dos tendencias contrapuestas es que las moléculas anfipáticas se
asocian para constituir unas estructuras estables denominadas micelas
(Figura
4.5) en las que las zonas polares se disponen hacia el exterior, en
contacto con el agua, mientras que las zonas no polares lo hacen hacia
el interior, aisladas del contacto con el agua y unidas entre sí por
unas atracciones débiles llamadas interacciones hidrofóbicas. En
determinadas condiciones las sustancias anfipáticas en el seno del agua
pueden dar lugar a bicapas cerradas sobre sí mismas que
constituyen la base estructural de las membranas celulares. Algunas
biomoléculas importantes son sustancias anfipáticas; entre ellas se
encuentran los ácidos grasos, las proteínas globulares y una amplia
categoría de lípidos llamados lípidos de membrana.
polar. Cuando estas sustancias se mezclan con el agua las dos
zonas de su molécula experimentan tendencias contrapuestas: la zonas
polares tienden a establecer interacciones electrostáticas con las
moléculas de agua mientras que las zonas no polares tienden a agregarse
para ofrecer la mínima superficie de contacto con ella. El resultado de
estas dos tendencias contrapuestas es que las moléculas anfipáticas se
asocian para constituir unas estructuras estables denominadas micelas
(Figura
4.5) en las que las zonas polares se disponen hacia el exterior, en
contacto con el agua, mientras que las zonas no polares lo hacen hacia
el interior, aisladas del contacto con el agua y unidas entre sí por
unas atracciones débiles llamadas interacciones hidrofóbicas. En
determinadas condiciones las sustancias anfipáticas en el seno del agua
pueden dar lugar a bicapas cerradas sobre sí mismas que
constituyen la base estructural de las membranas celulares. Algunas
biomoléculas importantes son sustancias anfipáticas; entre ellas se
encuentran los ácidos grasos, las proteínas globulares y una amplia
categoría de lípidos llamados lípidos de membrana.
Fuente: http://www.bionova.org.es/biocast/tema04.htm