¿QUÉ ES (DESDE UN PUNTO DE VISTA MICROSCÓPICO) EL AGUA? ¿POR QUÉ ES TAN IMPORTANTE PARA LA VIDA?
El pasado martes, y como cada 22 de marzo, se celebró el “Día Mundial del Agua”. La Organización de las Naciones Unidas (ONU) decidió instaurar un día de conmemoración del agua para recordar cada año la relevancia de este líquido esencial. Y es que a pesar de que todas las actividades sociales y económicas dependen en gran medida, directamente o indirectamente, del abastecimiento de agua dulce y de su calidad, a día hoy todavía hay 2200 millones de personas viven sin acceso a agua potable. Por ello, esta celebración ha de servir para concienciar acerca de la crisis mundial del agua y la necesidad de buscar medidas para abordarla de manera que alcancemos el objetivo de desarrollo sostenible n°6 (es uno de los 17 objetivos de desarrollo sostenible que la ONU ha establecido en la Agenda 2030 sobre Desarrollo Sostenible; (más información aquí https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/) y que no es otro que “llevar agua y saneamientos a todos los habitantes del planeta antes de 2030”. Por lo tanto, no hay mejor fecha para tratar el tema de la pregunta de hoy. La intención es tratar de profundizar en lo que es el agua desde un punto de vista molecular y repasar que propiedades tiene que la hace fundamental para que exista la vida en la Tierra.
Para empezar, definamos lo que es el agua. El agua es una sustancia que está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno que unidos dan lugar a una molécula cuya formula química es la famosa H2O. La composición química del agua fue descubierta por Henry Cavendish al estudiar cómo el hidrógeno reaccionaba con el aire. Para su sorpresa la reacción química generó agua descubriendo así que el agua estaba compuesta de dos partes de hidrógeno y una parte de oxígeno. Aunque la mayoría de las veces que pensamos en el agua se nos viene a la cabeza que es un líquido, también es de sobra conocido que puede existir en estado sólido (hielo) y gaseoso (vapor). La unión de los átomos de hidrógeno con el de oxígeno se da mediante lo que se conoce como enlace covalente. Este es un enlace químico entre átomos no metálicos al compartir uno o más electrones de la última capa electrónica para llegar a un estado mucho más estable que el del átomo por separado. Esta unión permite que átomos con electrones en la última capa “desparejados” se completen compartiendo los electrones del otro átomo. El resultado es un enlace bastante fuerte de tal forma que “romper” esta molécula es bastante difícil.
La molécula de H2O (ver imagen adjunta) formada como resultado de este enlace tiene unas propiedades microscópicas muy particulares y que la hacen especial. Una de sus primeras características y probablemente la más importante es su polaridad. La polaridad hace referencia a que, en una molécula, pese que su carga total pueda ser neutra (mismas cargas positivas y negativas o, lo que es lo mismo, mismo número de electrones y de protones), existen distribuciones de carga asimétricas, es decir, en cada región de la molécula la carga local no es cero, sino que puede ser positiva o negativa. Esto ocurre por la diferencia de electronegatividad entre el oxígeno y el hidrógeno. La electronegatividad cuantifica la capacidad de un átomo para atraer los electrones compartidos cuando forma parte de una molécula. El oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y, por lo tanto, atrae hacia si los electrones de la unión por lo que tenemos más electrones, que poseen carga negativa, más cerca del átomo de oxígeno que del de hidrógeno. Esto provoca que, como no tienen electrones a su alrededor, cada átomo de hidrógeno tenga una cierta carga positiva. De este modo, tenemos una carga parcial negativa en el oxígeno y una carga parcial positiva en los hidrógenos. El resultado final es que tenemos una asimetría eléctrica y lo que se conoce como un momento dipolar (dipole moment en la imagen adjunta). Esto significa que el agua es una molécula polar, pues tiene una parte o polo negativa y otra positiva, aunque el conjunto de la molécula es neutro. Una de las primeras consecuencias de esta polaridad es la capacidad de “agrupación” que tienen las moléculas de agua. Como hay una parte de la molécula con carga parcial positiva y otra parte con carga parcial negativa, cuando tenemos dos moléculas de agua juntas, tienden a unirse aproximando los átomos de hidrogeno (carga parcial positiva) a los de oxígeno (carga parcial negativa) formando lo que se conoce como puentes de hidrógeno. De esta manera, las moléculas de agua se agrupan unas con otras y es muy difícil separarlas. Esta capacidad de unión de las moléculas de agua es una propiedad llamada cohesión y es muy importante en ciertos procesos fisiológicos. Lo cierto es que, al margen de la capacidad para formar los puentes de hidrógeno, esta polaridad le confiere casi todas sus propiedades fisicoquímicas y biológicas pues determina cómo el agua interacciona con otras moléculas.
Una vez que conocemos sus propiedades moleculares, estamos en disposición de entender mejor porque el agua es tan importante para la vida. De hecho, el agua constituye 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. Todos estos datos hablan muy a las claras de la dependencia del agua de todas las formas de vida. Claramente, el agua es vital para la supervivencia, pero ¿qué la hace tan necesaria? Veámoslo.
Para empezar, el agua es el “disolvente universal”. Al ser una molécula polar, el agua interactúa mejor con otras moléculas polares, como ella misma. La mayoría de las moléculas biológicas también son polares y las moléculas de agua pueden formar enlaces con sus regiones positivas y negativas y “rodearlas”. Al rodearlas el agua es capaz de romper los enlaces de las moléculas consiguiendo disolverlas. Cuando pones cristales de azúcar en el agua, como tanto el agua como el azúcar son polares, las moléculas de agua individuales rodean a las moléculas de azúcar individuales, rompiendo el azúcar y disolviéndolo. Por otro lado, las moléculas que están hechas de iones o partículas con carga opuesta también se disuelven. El agua también rompe estas moléculas iónicas al interactuar con las partículas cargadas tanto positiva como negativamente. Esto es lo que sucede cuando pones sal en el agua, porque la sal está compuesta de iones de sodio (Na+) y cloruro (Cl-). La amplia capacidad del agua para disolver una variedad de moléculas le ha valido la designación de «disolvente universal», y es esta capacidad la que hace que el agua sea una fuerza tan valiosa para sustentar la vida. A nivel biológico, el papel del agua como disolvente 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 también tiene un papel estructural importante en la biología celular. Visualmente, el agua llena las células para ayudar a mantener la forma y la estructura de las células. El agua dentro de las células crea una presión que se opone a las fuerzas externas, similar a poner aire en un globo. El agua permite que todo dentro de las células tenga la forma correcta a nivel molecular. Dado que la forma es fundamental para los procesos bioquímicos, esta es también una de las funciones más importantes del agua. El agua también contribuye a la formación de membranas que rodean las células. Cada célula está rodeada por una membrana, la mayoría de las cuales están formadas por dos capas de moléculas llamadas fosfolípidos. Los fosfolípidos tienen dos componentes distintos: una «cabeza» polar y una «cola» no polar. Las cabezas polares interactúan con el agua, mientras que las colas no polares intentan evitar el agua e interactúan entre sí. Buscando estos “emparejamientos” favorables, los fosfolípidos forman espontáneamente bicapas con las cabezas mirando hacia afuera, hacia el agua circundante, y las colas hacia adentro, excluyendo el agua. La bicapa rodea las células y permite selectivamente que sustancias como sales y nutrientes entren y salgan de la célula. 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 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 los nutrientes y muchas otras funciones vitales. Sin la forma adecuada, las proteínas no podrían realizar estas funciones y una célula no podría sobrevivir. De manera similar, el ADN debe tener una forma específica para que sus instrucciones se decodifiquen correctamente. Las proteínas que leen o copian el ADN solo pueden unirse al ADN que tiene una forma particular. Las moléculas de agua rodean al ADN de forma ordenada para mantener su característica conformación de doble hélice. Sin esta forma, las células no podrían seguir las instrucciones detalladas codificadas por el ADN o transmitir las instrucciones a las células futuras, lo que haría inviable el crecimiento humano, la reproducción y, en última instancia, la supervivencia.
El agua está directamente involucrada en muchas reacciones químicas para construir y descomponer componentes importantes de la célula. La fotosíntesis, el proceso en que las plantas crean azúcares para todas las formas de vida, requiere agua. El agua también participa en la construcción de moléculas más grandes en las células. Las moléculas como el ADN y las proteínas están formadas por unidades repetitivas de moléculas más pequeñas. La unión de estas pequeñas moléculas ocurre a través de una reacción que produce agua. Por el contrario, se requiere agua para la reacción inversa que descompone estas moléculas, lo que permite que las células obtengan nutrientes o reutilicen piezas de moléculas grandes. Además, el agua protege a las células de los efectos peligrosos de los ácidos y las bases. Las sustancias muy ácidas o básicas, como la lejía o el ácido clorhídrico, son corrosivas incluso para los materiales más duraderos. Esto se debe a que los ácidos y las bases liberan hidrógenos en exceso o toman hidrógenos en exceso, respectivamente, de los materiales circundantes. Perder o ganar hidrógenos cargados positivamente 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 ácidos y bases. El agua hace esto al actuar como ácido y como base. Aunque los enlaces químicos dentro de una molécula de agua son muy estables, es posible que una molécula de agua ceda 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 amortiguación. En última instancia, esto protege las proteínas y otras moléculas en la célula.
Además, el agua facilita la eliminación de toxinas y el exceso de nutrientes por la orina; ayuda a mantener, la elasticidad, suavidad y tono de la piel; regula la temperatura corporal; mantiene hidratado el cerebro; funciona como lubricante y amortiguador en las articulaciones y ayuda a la normalización de la tensión arterial.
En definitiva y en resumen, el agua es vital para toda la vida. Pero no solo a nivel celular o del cuerpo humano. También para los ecosistemas y en las actividades económicas juega un papel fundamental. Y es que el conocido ciclo hidrológico o ciclo del agua es uno de los procesos bioquímicos más importantes y que determina en muchos casos que se puede hacer y que no en determinadas regiones. En este ciclo el agua sufre una serie de transformaciones y desplazamientos en los que va pasando por sus tres estados: solido, líquido y gaseoso (ver imagen adjunta del ciclo hidrológico). Este ciclo se compone de varias etapas, que se desarrollan de forma sucesiva y simultánea:
- Evaporación. El sol calienta los océanos y del resto de superficies acuáticas. Se produce la evaporación y el aire se carga de humedad. En esta misma fase del ciclo hidrológico estarían incluidas la transpiración y sudoración de los seres vivos y la sublimación (paso de solido a gas directamente sin pasar por el líquido) que se produce en la superficie de los glaciares.
- Condensación. Cuando las moléculas de agua reducen su movilidad y se unen sobre partículas sólidas suspendidas en el aire, se produce la condensación al enfriarse el agua. Así se forman las nubes.
- Precipitación. Según se enfrían y condensan las gotas, crecen de tamaño y acaban cayendo debido a su peso, produciéndose las lluvias.
- Derretimiento y y corrientes de agua. El agua que cae sobre tierra firme regresa a los ecosistemas acuáticos en forma de aguas filtradas hacia las superficies subterráneas, por medio del escurrimiento por acción de la gravedad y la topografía, o a través del derretimiento de los hielos en las estaciones cálidas
Todo esto nos debe servir para darnos cuenta que, aunque a veces podamos perder un poco la perspectiva considerando que el agua es infinita (en nuestro caso tenemos acceso a ella casi de forma ilimitada) el agua es un recurso extremadamente valioso pero que no es infinita y que debemos protegerla. De ello depende en gran manera en futuro de la civilización humana en los próximos siglos.
