El Agua

MARCO TEÓRICO 1. Importancia del agua en los procesos vitales. En la Tierra, ningún organismo vivo puede funcionar sin agua. Es, en palabras de Albert Szent-Györgyi, la matriz de la vida. Pero, ¿es razonable suponer que esta máxima se mantiene también en otros mundos? ¿Es posible la vida sin agua? La NASA ha declarado explícitamente que su estrategia en la búsqueda de vida extraterrestre es "seguir el agua". Pero, ¿la agencia espacial está por lo tanto pasando por alto otros entornos potencialmente fértiles? Una reciente reunión * de físicos, químicos, bioquímicos y microbiólogos abordó la cuestión de si la vida sin agua es factible. Nadie puede dar una respuesta negativa definitiva, y tampoco podemos esperar que el problema se resuelva con una demostración de manos. Sin embargo, ¿cómo pueden las moléculas que han evolucionado en el agua decirnos qué es posible sin ella? Podrían al menos ayudar a reducir la pregunta: si se encontrara una enzima totalmente libre de agua, podríamos sentirnos seguros de que al menos este aspecto molecular de la vida no tiene que depender de la singularidad del agua. La importancia del agua en los procesos vitales deriva no sólo de su capacidad para establecer enlaces

de hidrógeno con otras moléculas de agua, sino

también de su capacidad para interaccionar con una amplia diversidad de biomoléculas. Por su naturaleza polar, el agua interacciona con otras moléculas polares (ácidos, sales, azúcares y las distintas regiones de proteínas y ADN). 2. Propiedades distintivas del agua Una molécula solitaria de agua (H2O) presenta geometría tetraédrica, con un átomo de oxígeno en el centro del tetraedro, dos átomos de hidrógeno en dos de los cuatro vértices y nubes de carga negativa en los otros dos. Las nubes de carga negativa son el resultado de la unión de las estructuras atómicas de oxígeno e hidrógeno. De un modo muy simplificado, digamos que el oxígeno tiene ocho electrones, dotados de carga negativa, que giran en torno al núcleo, portador de carga positiva: dos electrones en una corteza interior y los seis restantes en la corteza exterior. La corteza interior admite sólo dos electrones; está, pues, completa. Pero la corteza exterior puede albergar hasta ocho.

El hidrógeno posee un electrón Cuando el oxígeno se combina con dos hidrógenos, atrae a sus electrones para completar la corteza exterior. Puesto que cada electrón del hidrógeno pasa más tiempo alrededor del átomo de oxígeno que en torno a su propio núcleo cargado positivamente, la molécula de agua es polar: tiene dos nubes con una ligera carga negativa alrededor del átomo de oxígeno, mientras que sus dos átomos de hidrógeno soportan cargas ligeramente positivas. Sin embargo, estos dos tipos de cargas se compensan entre sí y, en consecuencia, las moléculas de agua son eléctricamente neutras. 3. Descubrimiento de las acuaporinas El descubrimiento del primer canal de agua en la membrana celular, la acuaporina-1 (AQP1), el estudio de su distribución en los tejidos y la investigación de sus propiedades estructurales y funcionales le valieron a Peter Agre el premio Nobel de química de 2003. Agre y su equipo, de la Universidad Johns Hopkins, estudiaban en 1988 las proteínas de la membrana de los eritrocitos. Durante sus trabajos de purificación de la proteína de 32 kilodalton que determina el grupo sanguíneo Rh, encontraron un polipéptido de peso molecular inferior (28 kilodalton) que copurificaba con su proteína de interés. Pensaron que correspondía a un subproducto de la hidrólisis de la proteína Rh. Pero el análisis estructural de la molécula de 28 kilodalton, abundante en glóbulos rojos y en células del túbulo proximal del riñón, reveló que se trataba de una nueva proteína integral de membrana. Sin relación alguna con la proteína Rh.

Hasta 1992 no descifraron la función de la proteína. Denominada en un comienzo CHIP28, abreviación de proteína integral de 28 kilodalton formadora de canales, recibiría más tarde el nombre de AQP1. Se percataron entonces de que habían descubierto, por fin, la proteína del canal de agua. La presencia de AQP1 justifi caba la elevada permeabilidad al agua de la membrana del hematíe y del túbulo proximal renal. Pero, ¿cómo explicar la reabsorción de agua dependiente de la hormona vasopresina en el segmento más distal de la nefrona, el túbulo colector y en otros tejidos que no poseen esta proteína? La identificación molecular de AQP1 fue el detonante de la búsqueda que condujo al descubrimiento de las trece acuaporinas que hoy se conocen en humanos.

INTRODUCCIÓN: El "agua "Uno de los compuestos más importantes para la vida del planeta y del universo, el cual, podemos encontrar en diferentes estados como líquido, sólido y gaseoso. Este compuesto es una sustancia líquida formada por la combinación de dos volúmenes de hidrógeno y un volumen de oxígeno, que constituye el componente más abundante en la superficie terrestre. Hasta el siglo XVIII se creyó que el agua era un elemento. Fue el químico ingles Cavendish quien sintetizó agua a partir de una combustión de aire e hidrógeno. Sin embargo los resultados de este experimento no fueron interpretados hasta años más tarde, cuando Lavoisier propuso que el agua no era un elemento sino un compuesto formado por oxígeno y por hidrógeno, siendo su fórmula H2O. Alrededor del 70% de la superficie de la Tierra está ocupada por agua. Es indispensable para todas las formas de vida, sin ella, el fenómeno de la vida no hubiera ocurrido. Agua y vida establecen una relación indisoluble; esta fuerte y total dependencia hacia el agua se refleja en el hecho de que los seres vivos están, mayoritariamente, formados por agua. Es esencial para la vida; como importante reguladora de la temperatura corporal, como disolvente y vehículo portador de nutrientes y productos catabólicos, como reactante, medio de reacción y como lubricante. Es verdaderamente sorprendente que íntimamente de esta pequeña molécula.

la vida

orgánica

dependa

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Cuestionario 1. ¿Cuáles son las características físico químicas del agua?

El agua presenta las siguientes características físico-químicas: a) Acción disolvente. El agua es el líquido que más sustancias disuelve (disolvente universal), esta propiedad se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con otras sustancias, ya que estas se disuelven cuando interaccionan con las moléculas polares del agua.

La capacidad disolvente es la responsable de dos funciones importantes para los seres vivos: es el medio en que transcurren las mayorías de las reacciones del metabolismo, y el aporte de nutrientes y la eliminación de desechos se realizan a través de sistemas de transporte acuosos. b) Fuerza de cohesión entre sus moléculas. Los puentes de hidrógeno mantienen a las moléculas fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. c) Elevada fuerza de adhesión. De nuevo los puentes de hidrógeno del agua son los responsables, al establecerse entre estos y otras moléculas polares, y es responsable, junto con la cohesión de la capilaridad, al cual se debe, en parte, la ascensión de la sabia bruta desde las raíces hasta las hojas.

d) Gran calor específico. El agua absorbe grandes cantidades de calor que utiliza en romper los puentes de hidrógeno. Su temperatura desciende más lentamente que la de otros líquidos a medida que va liberando energía al enfriarse. Esta propiedad permite al citoplasma acuoso servir de protección para las moléculas orgánicas en los cambios bruscos de temperatura. e) Elevado calor de vaporización. A 20ºC se precisan 540 calorías para evaporar un gramo de agua, lo que da idea de la energía necesaria para romper los puentes de hidrógeno establecidos entre las moléculas del agua líquida y, posteriormente, para dotar a estas moléculas de la energía cinética suficiente para abandonar la fase líquida y pasar al estado de vapor. f) Elevada constante dieléctrica. Por tener moléculas dipolares, el agua es un gran medio disolvente de compuestos iónicos, como las sales minerales, y de compuestos covalentes polares como los glúcidos.

g) Bajo grado de ionización. De cada 107 de moléculas de agua, sólo una se encuentra ionizada. H2O

H3O+ + OH-

Esto explica que la concentración de iones hidronio (H3O+) y de los iones hidroxilo (OH-) sea muy baja. Dado los bajos niveles de H3O+ y de OH-, si al agua se le añade un ácido o una base, aunque sea en poca cantidad, estos niveles varían bruscamente.

2. ¿Cuáles son las propiedades del agua? Estas son algunas de las propiedades de este elemento, algunas de ellas altamente conocidas por la mayoría de personas y otras más técnicas y menos tenidas en cuenta.           

Es incolora. No tiene sabor ni olor Se encuentra en la naturaleza en los tres estados Posee una temperatura de transformación fija Compuesto y no elemento. Posee una carga eléctrica neutra Densidad estable Difícil de comprimir Baja conductividad eléctrica Ph relativamente neutro Participa en múltiples reacciones químicas

3. ¿Cómo se distribuye el agua en la naturaleza? El agua es la fuente de toda la vida en la Tierra. Su distribución es muy variable: en algunas regiones es muy abundante, mientras que en otras escasea. El agua se encuentra en la Naturaleza en estado sólido en los casquetes polares y en las nieves, líquido en los océanos y en las aguas continentales, vapor en la atmósfera. En conjunto forma la Hidrosfera. El volumen de agua en la Tierra es aproximadamente de 1.500 millones de km. De esa cantidad, aproximadamente un 97 por 100 es el agua salada de los mares y océanos y sólo el 3 por 100 es agua dulce. La mayor parte del agua dulce se halla en forma de hielos perpetuos en los casquetes polares y glaciares. El resto constituye las aguas continentales y el vapor atmosférico. Comparativamente, esta porción gaseosa es muy pequeña.

4.- ¿Cómo se distribuye el agua en el ser humano dependiendo de la etapa de vida en que se encuentre? El agua es el constituyente más abundante en los seres vivos. Ella representa en un individuo adulto entre el 50 y el 60% de su peso corporal, el porcentaje restante, entre 40 y 50%, corresponde al tejido adiposo y a los tejidos de sostén. El agua se Distribuye en: •En la Etapa Fetal: Se encuentra en promedio un 90%, con un rango entre 85 y 95%. •En el recién nacido: El agua corporal total tiene un valor medio de 75% y su rango oscila el 60 y el 85%. •En los Primeros Meses: Debido al incremento del número de células, del tamaño de los tejidos y del contenido graso, elcontenido de agua co rporal total acentúa su disminución encontrándose al final del tercer mes de vida un valor promedio de 70% entre 65 y 75%. •En el primer año de vida: La disminución del agua corporal total es alrededor de un 10%, alcanzando al final del año las mismas proporciones del adulto. •En el Adulto: Aparece la diferencia por sexo en el contenido de agua corporal total, en promedio un 60% (55-65%) en el hombre y un valor medio de 50% (45 y 55%) en mujeres. Distribución en el cuerpo: -El 99% del plasma sanguíneo, saliva y jugos gástricos son agua -El 84% del peso del tejido nervioso es agua -El 73% del hígado es agua -El 71% de la piel es agua -El 60% del tejido conectivo es agua -El 30%del tejido adiposo es agua

5.- Describa el Ciclo del agua. •Evaporación: En este proceso, el sol emite una energía solar, a la cual calienta el agua de los ríos, de los mares y de las plantas; hasta llegar a su punto de ebullición y al llegar al máximo punto el agua tiende a evaporarse. •Condensación: Cuando el vapor de agua llega a las capas altas de la atmósfera se enfría, se condensa. Es decir, ese vapor forma pequeñas gotas de agua. Así se forman las nubes. •Precipitación: El viento arrastra las nubes y al enfriarse, producen lluvia, nieve o granizo que cae a la tierra. La lluvia devuelve al agua o a la tierra y a las plantas. •Infiltración: El agua que viene de las montañas forma ríos o se infiltra en el terreno formando aguas subcutáneas. Al final del camino, esas aguas llegan a los ríos y al mar.

6. ¿Cómo participa el agua en las reacciones químicas?

Su excepcional importancia, desde el punto de vista químico, reside en que casi la totalidad de los procesos químicos que ocurren en la naturaleza, no solo en organismos vivos, sino también en la superficie no organizada de la tierra, así como los que se llevan a cabo en el laboratorio y en la industria, tienen lugar entre sustancias disueltas en agua, esto es en disolución. Normalmente se dice que el agua es el disolvente universal, puesto que todas las sustancias son de alguna manera solubles en ella. No posee propiedades acidas ni básicas, combina con ciertas sales para formar hidratos, reacciona con los óxidos de metales formando ácidos y actúa como catalizador en muchas reacciones químicas. La atracción entre las moléculas de agua tiene la fuerza suficiente para producir un agrupamiento de moléculas. La fuerza de atracción entre el

hidrógeno de una molécula con el oxígeno de otra es de tal magnitud que se puede incluir en los denominados enlaces de PUENTE DE HODRÓGENO. Estos enlaces son los que dan lugar al aumento de volumen del agua sólida.

7.- ¿Cómo interactúa el agua con las moléculas de la vida? Entre las propiedades del agua destaca la extraordinaria capacidad que presenta para disolver una amplia gama de sustancias, dado que la gran mayoría de las biomoléculas se encuentran en las células en disolución acuosa. 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: sustancias hidrofílicas, hidrofóbicas y anfipaticas. SUSTANCIAS HIDROFILICAS: Son solubles en agua. Entre ellas podemos diferenciarlas sustancias iónicas, como las biomoléculas inorgánicas (sales minerales), biomoléculas orgánicas (aminoácidos) que poseen carga eléctrica neta; y las sustancias polares, como las biomoléculas orgánicas (azucares) que presentan en su molécula cargas parciales. SUSTANCIAS HIDROFOBICAS: 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 favorables con las moléculas de agua, es más, interfieren con los puentes de hidrógeno por lo que, cuando se encuentran en medio acuoso, tienden a agregarse y precipitar. 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 B2, que son muy poco solubles en agua. SUSTANCIAS ANFIPATICAS: 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: las 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. Algunas biomoléculas importantes son sustancias antipáticas; entre ellas se encuentran los ácidos grasos, las proteínas globulares y una amplia categoría de lípidos llamados lípidos de membrana.

8. Agua a nivel celular, ¿mediante qué mecanismos el agua ingresa o sale de la célula?

El mecanismo principal por el que el agua ingresa y sale de la célula, es el transporte pasivo, específicamente ósmosis. Cuando hablamos de transporte pasivo hablamos de difusión simple, difusión facilitada y ósmosis: -En la difusión simple se da el transporte de moléculas gracias al gradiente de concentración, que no es nada más que la diferencia de concentraciones de solutos al interior y exterior de la célula. -En la difusión facilitada se da el transporte gracias a proteínas transportadoras, que llevan moléculas a través de la membrana celular al interior de la célula. -En la ósmosis, que es el mecanismo por el que la célula transporta el agua, se da un paso de moléculas gracias a una membrana semipermeable/permeable selectiva, que permite el paso de estas a través de poros. Las estructuras que permitirán el paso del agua a través de la membrana celular son las acuaporinas. Son poros especializados en dar paso al agua y a otras sustancias importantes para el metabolismo celular.

9. ¿Qué son las aquaporinas? Las acuaporinas son canales que pasan a través de la membrana celular, para dar paso a moléculas de importancia celular. La principal molécula es el agua, pero ciertas acuaporinas pueden también transportar otros solutos como úrea y glicerol. Pertenecen a una familia de proteínas integrales de membrana (PIM), con las cuales comparten aminoácidos en tripletes e individuales; se cree que tienen un “ancestro” en común, el cual se duplica génicamente para dar como producto proteínas con más funciones, según la necesidad que tuviera el tipo de célula. Se estructuran mediante segmentos de α-hélice, siendo estos muy hidrofóbicos; se pliegan hacia la membrana y en su parte central se juntan, formando el poro. Su existencia es fundamental y de suma importancia biológica, ya que le da la propiedad a las membranas celulares de ser permeables a la molécula vital, el agua.

OBJETIVOS

-Comprender la importancia del agua como molécula vital de todo organismo vivo. -Dar a conocer los aspectos y propiedades del agua que hacen que esta sea conocida como la molécula de la vida. -Exponer los puntos relatados en las preguntas del cuestionario, siendo claros y precisos en las respuestas a estas. -Informar sobre las acuaporinas como importantes estructuras que permiten el transporte del agua a nivel celular.