Bioquímica del Agua y Sistemas Tampón: Propiedades Físico-Químicas y Regulación del pH

Sistemas Amortiguadores (Tampón) en Biología

Los sistemas tampón son cruciales para mantener el pH constante en los fluidos biológicos, contrarrestando los cambios generados por el metabolismo.

Tampón Bicarbonato Extracelular

Es el sistema más importante en el plasma sanguíneo y el líquido intersticial. Regula el pH mediante el equilibrio entre el ácido carbónico y el bicarbonato.

Reacción de Equilibrio:

$$\text{HCO}_3^- + \text{H}^+ \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$$

El sistema funciona captando o liberando iones hidrógeno ($ ext{H}^+$) según la necesidad del medio, siendo la eliminación de $\text{CO}_2$ (gas) un mecanismo clave de regulación pulmonar.

Tampón Monofosfato-Bifosfato Intracelular

Este sistema es especialmente relevante en el interior de las células y en la orina, debido a que su pK está cerca del pH intracelular.

Reacción de Equilibrio:

$$\text{H}_2\text{PO}_4^- \rightleftharpoons \text{HPO}_4^{2-} + \text{H}^+$$

• Si el medio es ácido: $\text{HPO}_4^{2-} + \text{H}^+ \rightarrow \text{H}_2\text{PO}_4^-$ (El fosfato capta el exceso de $\text{H}^+$).
• Si el medio es básico: $\text{H}_2\text{PO}_4^- \rightarrow \text{HPO}_4^{2-} + \text{H}^+$ (El fosfato libera $\text{H}^+$).

Propiedades Físico-Químicas del Agua y su Relevancia Biológica

1. Estado Líquido en un Margen Amplio de Temperatura (0-100 °C)

A pesar de su bajo peso molecular (P.M.), el agua no es un gas a temperatura ambiente, manteniéndose líquida debido a la existencia de puentes de hidrógeno que se forman y destruyen rápidamente.

Función Biológica:

• Permite la vida en multitud de ambientes y temperaturas distintas.
• Actúa como lubricante en articulaciones y entre órganos.
• Permite que las reacciones químicas ocurran en su seno y facilita el transporte de sustancias.

2. Elevado Calor Específico y Conductividad Calorífica

Esta propiedad está directamente relacionada con los puentes de hidrógeno. El agua puede absorber grandes cantidades de calor, que utiliza para romper estos puentes, por lo que su temperatura se eleva muy lentamente.

Función Biológica:

• Acción termorreguladora: Los seres vivos ganan o pierden calor lentamente.
• Distribución eficiente del calor corporal.
• El citoplasma acuoso sirve de protección ante los cambios bruscos de temperatura, ayudando a mantener la temperatura interna constante.

3. Elevado Calor de Vaporización

Los puentes de hidrógeno son también los responsables de esta propiedad. Para evaporar el agua, primero hay que romper los puentes y, posteriormente, dotar a las moléculas de agua de la suficiente energía cinética para pasar de la fase líquida a la gaseosa. Para evaporar un gramo de agua se precisan aproximadamente 540 calorías (a 20 °C).

Función Biológica:

• Influye en la acción termorreguladora que realizan los pulmones o las glándulas sudoríparas en la piel, al evaporar superficialmente el agua por cambio de estado (refrigeración por sudoración).

4. Elevada Constante Dieléctrica y Acción Disolvente

El agua es conocida como el disolvente universal, una propiedad fundamental para la vida. Se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con otras sustancias que presentan grupos polares o carga iónica, como azúcares, aminoácidos o proteínas, permitiendo su disolución.

Las moléculas de agua también disuelven sustancias salinas, las cuales se disocian al ser atraídas por los dipolos del agua, formando las llamadas capas de hidratación o solvatación alrededor de cada ion separado.

Función Biológica:

• Medio donde ocurren todas las reacciones del metabolismo.
• Sistema de transporte y disolución de compuestos orgánicos e inorgánicos.
• Facilita el movimiento de iones a través de las membranas.
• Vehículo de excreción de productos tóxicos.

5. Elevada Fuerza de Cohesión y Adhesión

La fuerza de cohesión se debe a que los puentes de hidrógeno mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible.

Función Biológica:

• Funciona como un esqueleto hidrostático en algunos animales (ej. gusanos perforadores), utilizando la presión generada por sus líquidos internos para agujerear la roca.
• En las células carentes de paredes rígidas, actúa como esqueleto interno, manteniendo la forma celular.

6. Menor Densidad en Estado Sólido que Líquido

A diferencia de la mayoría de las sustancias, el agua sólida (hielo) es menos densa que el agua líquida.

Función Biológica:

• Permite la vida en ecosistemas acuáticos bajo los hielos, ya que el hielo flota y aísla térmicamente el agua inferior, evitando que se congele completamente.

Ionización del Agua

El agua pura experimenta una ligera autoionización, un proceso crucial para la definición del pH y la homeostasis celular.

Productos de Ionización:

Solo una de cada 555.555.555 moléculas de agua está disociada en iones $\text{H}_3\text{O}^+$ (ion hidronio) y $\text{OH}^-$ (ion hidroxilo).

$$\text{2 H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{OH}^-$$