de Molly Sargen
figuras de Daniel Utter

El agua representa el 60-75% del peso corporal humano. Una pérdida de solo el 4% del agua corporal total conduce a la deshidratación, y una pérdida del 15% puede ser mortal. Del mismo modo, una persona podría sobrevivir un mes sin comida, pero no sobreviviría 3 días sin agua. Esta dependencia crucial del agua rige ampliamente todas las formas de vida. Es evidente que el agua es vital para la supervivencia, pero ¿qué la hace tan necesaria?

La composición molecular del agua

Muchas de las funciones del agua en el soporte de la vida se deben a su estructura molecular y algunas propiedades especiales. El agua es una molécula simple compuesta por dos pequeños átomos de hidrógeno con carga positiva y un átomo de oxígeno con carga negativa grande. Cuando los hidrógenos se unen al oxígeno, se crea una molécula asimétrica con carga positiva en un lado y carga negativa en el otro lado (Figura 1). Este diferencial de carga se llama polaridad y dicta cómo el agua interactúa con otras moléculas.

El agua es el»solvente universal»

Como molécula polar, el agua interactúa mejor con otras moléculas polares, como ella misma. Esto se debe al fenómeno en el que las cargas opuestas se atraen entre sí: debido a que cada molécula de agua individual tiene una porción negativa y una porción positiva, cada lado es atraído por moléculas de la carga opuesta. Esta atracción permite que el agua forme conexiones relativamente fuertes, llamadas enlaces, con otras moléculas polares a su alrededor, incluidas otras moléculas de agua. En este caso, el hidrógeno positivo de una molécula de agua se unirá con el oxígeno negativo de la molécula adyacente, cuyos propios hidrógenos son atraídos al oxígeno siguiente, y así sucesivamente (Figura 1). Es importante destacar que esta unión hace que las moléculas de agua se peguen en una propiedad llamada cohesión. La cohesión de las moléculas de agua ayuda a las plantas a absorber agua en sus raíces. La cohesión también contribuye al alto punto de ebullición del agua, lo que ayuda a los animales a regular la temperatura corporal.

Además, dado que la mayoría de las moléculas biológicas tienen cierta asimetría eléctrica, también son polares y las moléculas de agua pueden formar enlaces con y rodear sus regiones positivas y negativas. En el acto de rodear las moléculas polares de otra sustancia, el agua se abre paso en todos los rincones y grietas entre las moléculas, rompiéndolas de manera efectiva, lo disuelven. Esto es lo que sucede cuando pones cristales de azúcar en el agua: tanto el agua como el azúcar son polares, lo que permite que moléculas de agua individuales rodeen moléculas de azúcar individuales, rompan el azúcar y lo disuelvan. Al igual que la polaridad, algunas moléculas están hechas de iones, o partículas con carga opuesta. El agua también rompe estas moléculas iónicas al interactuar con las partículas cargadas positiva y negativamente. Esto es lo que sucede cuando pones sal en agua, porque la sal está compuesta de iones de sodio y cloruro.

La amplia capacidad del agua para disolver una variedad de moléculas le ha valido la designación de «solvente universal», y es esta capacidad la que hace que el agua sea una fuerza vital invaluable. A nivel biológico, el papel del agua como solvente ayuda a las células a transportar y utilizar sustancias como el oxígeno o los nutrientes. Las soluciones a base de agua, como la sangre, ayudan a transportar las moléculas a los lugares necesarios. Por lo tanto, el papel del agua como solvente facilita el transporte de moléculas como el oxígeno para la respiración y tiene un gran impacto en la capacidad de los medicamentos para alcanzar sus objetivos en el cuerpo.

El agua es compatible con la Estructura celular

El agua también tiene un papel estructural importante en la biología. Visualmente, el agua llena las celdas para ayudar a mantener la forma y la estructura (Figura 2). El agua dentro de muchas células (incluidas las que componen el cuerpo humano) crea presión que se opone a las fuerzas externas, similar a colocar aire en un globo. Sin embargo, incluso algunas plantas, que pueden mantener su estructura celular sin agua, aún necesitan agua para sobrevivir. El agua permite que todo lo que hay dentro de las células tenga la forma correcta a nivel molecular. Como la forma es fundamental para los procesos bioquímicos, este es también uno de los roles más importantes del agua.

El agua también contribuye a la formación de membranas que rodean a las células. Cada célula en la Tierra está rodeada por una membrana, la mayoría de las cuales están formadas por dos capas de moléculas llamadas fosfolípidos (Figura 3). Los fosfolípidos, como el agua, tienen dos componentes distintos: una «cabeza» polar y una «cola» no polar.»Debido a esto, las cabezas polares interactúan con el agua, mientras que las colas no polares tratan de evitar el agua e interactúan entre sí en su lugar. Buscando estas interacciones favorables, los fosfolípidos forman espontáneamente bicapas con las cabezas mirando hacia afuera hacia el agua circundante y las colas mirando hacia adentro, excluyendo el agua. La bicapa rodea las células y permite de forma selectiva que sustancias como sales y nutrientes entren y salgan de la célula. Las interacciones involucradas en la formación de la membrana son lo suficientemente fuertes como para que las membranas se formen espontáneamente y no se interrumpan fácilmente. Sin agua, las membranas celulares carecerían de estructura, y sin una estructura de membrana adecuada, las células no podrían mantener moléculas importantes dentro de la célula y moléculas dañinas fuera de la célula.

Además de influir en la forma general de las células, el agua también afecta a algunos componentes fundamentales de cada célula: el ADN y las proteínas. Las proteínas se producen como una larga cadena de bloques de construcción llamados aminoácidos y necesitan plegarse en una forma específica para funcionar correctamente. El agua impulsa el plegamiento de las cadenas de aminoácidos a medida que los diferentes tipos de aminoácidos buscan y evitan interactuar con el agua. Las proteínas proporcionan estructura, reciben señales y catalizan reacciones químicas en la célula. De esta manera, las proteínas son los caballos de batalla de las células. En última instancia, las proteínas impulsan la contracción de los músculos, la comunicación, la digestión de nutrientes y muchas otras funciones vitales. Sin la forma adecuada, las proteínas no podrían realizar estas funciones y una célula (y mucho menos un ser humano completo) no podría sobrevivir. Del mismo modo, el ADN debe estar en una forma específica para que sus instrucciones sean decodificadas correctamente. Las proteínas que leen o copian el ADN solo pueden unirse al ADN que tiene una forma particular. Las moléculas de agua rodean el ADN de manera ordenada para apoyar su conformación característica de doble hélice. Sin esta forma, las células no podrían seguir las instrucciones cuidadosas codificadas por el ADN o pasar las instrucciones a las células futuras, haciendo inviable el crecimiento humano, la reproducción y, en última instancia, la supervivencia .

Reacciones químicas del agua

El agua está directamente involucrada en muchas reacciones químicas para construir y descomponer componentes importantes de la célula. La fotosíntesis, el proceso en las plantas que crea azúcares para todas las formas de vida, requiere agua. El agua también participa en la construcción de moléculas más grandes en las células. Moléculas como el ADN y las proteínas están hechas de unidades repetitivas de moléculas más pequeñas. Juntar estas pequeñas moléculas se produce a través de una reacción que produce agua. Por el contrario, se requiere agua para la reacción inversa que descompone estas moléculas, permitiendo a las células obtener nutrientes o reutilizar piezas de moléculas grandes.

Además, el agua amortigua las células de los efectos peligrosos de los ácidos y las bases. Las sustancias muy ácidas o básicas, como el lejía o el ácido clorhídrico, son corrosivas incluso para los materiales más duraderos. Esto se debe a que los ácidos y las bases liberan el exceso de hidrógenos o absorben el exceso de hidrógenos, respectivamente, de los materiales circundantes. Perder o ganar hidrógenos con carga positiva altera la estructura de las moléculas. Como hemos aprendido, las proteínas requieren una estructura específica para funcionar correctamente, por lo que es importante protegerlas de los ácidos y las bases. El agua hace esto actuando como ácido y como base (Figura 4). Aunque los enlaces químicos dentro de una molécula de agua son muy estables, es posible que una molécula de agua renuncie a un hidrógeno y se convierta en OH–, actuando así como una base, o acepte otro hidrógeno y se convierta en H3O+, actuando así como un ácido. Esta adaptabilidad permite que el agua combata cambios drásticos de pH debido a sustancias ácidas o básicas en el cuerpo en un proceso llamado tampón. En última instancia, esto protege las proteínas y otras moléculas de la célula.

En conclusión, el agua es vital para toda la vida. Su versatilidad y adaptabilidad ayudan a realizar reacciones químicas importantes. Su estructura molecular simple ayuda a mantener formas importantes para los componentes internos y la membrana externa de las células. Ninguna otra molécula coincide con el agua cuando se trata de propiedades únicas que sustentan la vida. De manera emocionante, los investigadores continúan estableciendo nuevas propiedades del agua, como los efectos adicionales de su estructura asimétrica. Los científicos aún no han determinado los impactos fisiológicos de estas propiedades. Es increíble cómo una molécula simple es universalmente importante para organismos con necesidades diversas.

Molly Sargen es estudiante de primer año de Doctorado en el Programa de Ciencias Biológicas y Biomédicas de la Escuela de Medicina de Harvard.

Dan Utter es un estudiante de doctorado de quinto año en Biología Organizacional y Evolutiva en la Universidad de Harvard.

Para Más Información:

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• Consulte estos artículos para obtener más información sobre las proteínas y cómo afecta el agua a su plegado.
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• Obtenga más información sobre los efectos del agua en la estructura del ADN aquí.
• Obtenga más información sobre ácidos y bases aquí.
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Este artículo es parte de nuestra edición especial sobre el agua. Para leer más, echa un vistazo a nuestra página de inicio de la edición especial!