El Agua en Biología: Propiedades Esenciales e Interacciones Moleculares Clave

El Efecto Hidrofóbico y la Formación de Clatratos

Cuando una molécula apolar se introduce en un medio acuoso, las moléculas de agua forman clatratos. Los clatratos son estructuras en las que el agua forma una especie de estructura cristalina que rodea la molécula apolar. En estas estructuras, las moléculas de agua están inmóviles, formando puentes de hidrógeno.

Además, la formación de clatratos es la razón de la separación espontánea de agua y aceite. Este fenómeno se explica por los siguientes puntos:

1. Al agitar dicha mezcla, primero se forman numerosas gotas de aceite que luego se fusionan y forman gotas más grandes, separando así las dos fases.
2. Una gota grande tiene menor superficie que muchas gotas del mismo volumen. Por ello, al separarse, disminuye la superficie de contacto entre el aceite y el agua, lo que minimiza la formación de clatratos.
3. De esa forma, la ΔS (entropía) de este proceso es positiva y el término -TΔS hace que la separación sea exergónica (ΔG < 0), permitiendo que el proceso ocurra de manera espontánea.

Propiedades Fundamentales del Agua

El agua es el medio líquido fundamental en el que se desarrollan la mayor parte de las reacciones químicas de la célula. Por lo tanto, es el principal disolvente biológico.

La molécula de agua presenta la característica química de comportarse como un dipolo: el átomo de oxígeno, con una carga parcial negativa, y los dos átomos de hidrógeno, con carga parcial positiva. Esta disposición se debe a la diferencia de electronegatividad.

La distribución de la carga y la geometría de la molécula posibilitan la interacción entre una molécula y sus vecinas. Las interacciones débiles que establece una molécula de agua con su alrededor se realizan mediante puentes de hidrógeno.

En el agua líquida, los grupos de moléculas entrelazadas se organizan formando «clusters». Cuando se enfría el agua, aumenta el número de «clusters» hasta que a 0°C esta comienza a cristalizarse. En el hielo, la mayoría de las moléculas de agua están fijadas en una red cristalina hexagonal.

Como la distancia entre las moléculas individuales es mayor en estado sólido que en estado líquido, la densidad del hielo será menor que la densidad del agua líquida.

El agua posee propiedades únicas, esenciales para la vida, como:

• Elevada fuerza de cohesión y adhesión.
• Elevada tensión superficial.
• Elevado calor específico.
• Alto punto de fusión y ebullición.
• Baja viscosidad.

Interacciones Débiles de Naturaleza Electrostática

Estas interacciones son cruciales para la estructura y función de las biomoléculas.

1. Puente de Hidrógeno

Interacción relativamente fuerte, muy común entre moléculas polares en medio acuoso. Es responsable de las uniones entre las moléculas de agua. Se forma cuando un átomo de hidrógeno, unido covalentemente a un átomo electronegativo (como oxígeno o nitrógeno), interactúa con otro átomo electronegativo.

2. Enlace Iónico o Puente Salino

En la célula, los iones establecen entre sí interacciones electrostáticas (entre cargas opuestas).

3. Fuerzas de Van der Waals

Interacciones muy débiles que mantienen unidas temporalmente átomos o moléculas no polares.

Interacciones Débiles de Naturaleza Hidrofóbica

Interacción Hidrofóbica

Se da entre moléculas y grupos funcionales no polares. La unión se basa en la imposibilidad de la molécula hidrofóbica de interaccionar con el agua.

La fuerza que mantiene unidas a las moléculas hidrofóbicas se basa en la tendencia a expulsar el agua de su entorno, debido a la repulsión con los grupos polares del agua. Un ejemplo claro de esto son las membranas lipídicas que definen las células y sus orgánulos.