Propiedades, Funciones y Estructura del Agua y Biomoléculas

El Agua: Propiedades y Funciones Biológicas

El agua es la molécula más abundante en la materia viva. Los organismos pueden obtener el agua directamente del medio ambiente (**agua exógena**) o generarla a partir de otras moléculas orgánicas mediante diferentes reacciones bioquímicas.

Características de la Molécula de Agua

La molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, unidos por **enlaces covalentes simples**
Es eléctricamente neutra, aunque sus átomos tienen diferentes valores de **electronegatividad**, o capacidad para atraer a los electrones.
El átomo de oxígeno es más electronegativo que el de hidrógeno; por ello, los electrones de los enlaces entre estos dos átomos están desplazados hacia el oxígeno.
Este desplazamiento da lugar a un exceso de carga negativa sobre el átomo de oxígeno, y un exceso de carga positiva sobre los dos átomos de hidrógeno; esto recibe el nombre de **densidad de carga**.
Esta distribución espacial de cargas eléctricas se define como **momento dipolar** y da lugar a una molécula caracterizada por la ausencia de carga neta en la que se establece un dipolo, además adquiere **carácter polar**.
Debido a su carácter polar, las moléculas de agua pueden interaccionar entre sí mediante alteraciones electrostáticas, estableciendo **enlaces de hidrógeno**.
Cada átomo de oxígeno, con densidad de carga negativa, ejerce atracción sobre cada una de las cargas parciales positivas de dos átomos de hidrógeno de otras moléculas.
Así, cada molécula de agua puede formar hasta cuatro enlaces de hidrógeno: dos por medio de cada uno de sus átomos de hidrógeno, y otros dos de su átomo de oxígeno.
Igualmente pueden formar enlaces de hidrógeno con otras moléculas polares o iones.

A pesar de la relativa debilidad de los enlaces de hidrógeno, su presencia confiere una estructura interna al agua que permite explicar algunas de sus características más importantes. Por ejemplo, que sea un fluido en estado líquido a temperatura ambiente o que posea un calor de vaporización superior al que cabría esperar en moléculas covalentes con similar masa molecular.

Propiedades del Agua

**Elevada cohesión molecular**: La íntima unión entre las moléculas, a través de los enlaces de hidrógeno, permite al agua ser un fluido dentro de un amplio margen de temperatura. Es además como un líquido incompresible al mantener constante su volumen, aunque se apliquen fuertes presiones.
**Elevada tensión superficial**: Las moléculas de la superficie del agua experimentan fuerzas de atracción netas hacia el interior del líquido. Esto favorece que dicha superficie oponga una gran resistencia a ser traspasada, y origina una película superficial que actúa como una tensa membrana.
**Elevada fuerza de adhesión**: Las moléculas de agua tienen una gran capacidad de adherirse a las paredes de conductos de diámetros pequeños, ascendiendo en contra de la acción de la gravedad. Este fenómeno se conoce como **capilaridad**.
**Elevado calor latente**.
**Elevado calor específico**: Las moléculas de agua pueden absorber gran cantidad de calor sin elevar notablemente su temperatura, ya que parte de la energía es empleada en romper los enlaces de hidrógeno.
**Elevado calor de vaporización**: Cuando el agua pasa de estado líquido a estado gaseoso, necesita absorber mucho calor para romper todos los enlaces de hidrógeno. Gracias a esta propiedad, se puede eliminar gran cantidad de calor con poca pérdida de agua.
**Densidad**: En estado líquido es más densa que en estado sólido. En estado sólido el agua presenta todos sus posibles enlaces de hidrógeno formando un retículo que ocupa mayor volumen, por lo que es menos densa.
**Elevada constante dieléctrica**: Esta propiedad indica la tendencia del agua a oponerse a las atracciones electrostáticas entre iones positivos y negativos. Las moléculas de agua, debido a su carácter polar, tienden a disminuir las atracciones entre los iones de las sales y otros compuestos iónicos, facilitando su disolución en forma de cationes y aniones, y rodeando los dipolos de agua que impiden su unión. Este fenómeno se conoce como **solvatación iónica**.
**Bajo grado de ionización**: En el agua líquida existe una pequeñísima cantidad de moléculas ionizadas.

Importancia Biológica del Agua

**Principal disolvente biológico**: El agua, además de disolver compuestos iónicos, puede manifestar también su acción como disolvente mediante el establecimiento de puentes de hidrógeno con otras moléculas que contienen grupos funcionales polares, como aldehídos y cetonas, provocando su dispersión o disolución.
**Función metabólica**: Constituye el medio en el que se realiza la mayoría de las reacciones bioquímicas.
**Función estructural**: La elevada cohesión de las moléculas permite al agua dar volumen a las células.
**Función mecánica amortiguadora**: Al ser un líquido incompresible le permite ejercer esta función en las articulaciones de los animales vertebrados, constituyendo el líquido sinovial que evita el contacto entre los huesos.
**Función de transporte**: La elevada capacidad disolvente del agua permite el transporte de sustancias en el interior de los seres vivos.
**Función termorreguladora**: El elevado calor específico del agua permite mantener constante la temperatura interna de los seres vivos.
**Permite la vida en climas fríos**: Su mayor densidad en estado líquido explica que al descender la temperatura, se forme una capa de hielo en la superficie que flota y protege de los efectos térmicos del exterior al agua líquida que queda debajo.

Disoluciones Amortiguadoras del pH

Las **disoluciones amortiguadoras del pH**, denominadas **sistemas tampón**, son disoluciones de naturaleza variada que mantienen el pH constante cuando se les añade un ácido o una base. Generalmente, contienen dos especies iónicas en equilibrio. La alteración del pH del medio se contrarresta debido al desplazamiento del equilibrio entre las especies.

En el **sistema tampón bicarbonato**, las dos especies son el ion bicarbonato y el ácido carbónico que, a su vez, se disocia en dióxido de carbono y agua. En el plasma sanguíneo, el CO₂ procedente del metabolismo celular se combina, de forma reversible, con el agua originando H₂CO₃.

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ HCO₃^– + H⁺

Cuando se produce un aumento de la concentración de iones H⁺, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda para eliminar al exterior el exceso de CO₂ producido. Si, por el contrario, disminuye la concentración de protones, el equilibrio se desplaza en sentido contrario tomando CO₂ del exterior.

En el **sistema tampón fosfato**, las dos especies son el ion dihidrógeno fosfato y el ion monohidrógeno fosfato.

La Ósmosis

La **ósmosis** es un fenómeno que produce el paso o difusión de un disolvente a través de una membrana semipermeable. Los medios acuosos separados por una membrana semipermeable pueden tener diferentes concentraciones y se denominan: **hipertónicos** o **hipotónicos**. Las moléculas de agua difunden desde los medios hipotónicos hacia los hipertónicos, provocando un aumento de presión sobre la cara de la membrana del compartimento hipotónico. Esta presión se denomina **presión osmótica**.

Cuando el medio externo es **hipertónico** con respecto al medio interno celular, sale agua de la célula por ósmosis, entonces disminuye el volumen celular y aumenta la presión. En las células vegetales puede provocar la rotura de la célula o **plasmólisis**.

Cuando el medio externo es **hipotónico** con respecto al medio interno celular, se produce la entrada de agua hacia el interior de la célula, lo que ocasiona un aumento del volumen celular y disminución de la presión. En el caso de las células animales puede producirse el estallido celular o **hemólisis**.

Monosacáridos: Propiedades y Tipos

Propiedades Físicas de los Monosacáridos

Los monosacáridos son sólidos cristalinos, de color blanco y solubles en agua.

Composición Química de los Monosacáridos

Los monosacáridos contienen entre 3 y 7 átomos de carbono. Químicamente, son **polihidroxialdehídos** o **polihidroxiacetonas**, es decir, polialcoholes con un grupo aldehído o cetona. Todos los monosacáridos tienen **carácter reductor**, debido a la presencia de los grupos aldehído o cetona, que pueden oxidarse a carboxilos.

Enlace Hemiacetálico

La formación del ciclo se realiza mediante un **enlace hemiacetálico**, que supone un enlace covalente entre el grupo aldehído con un alcohol.

El ciclo resultante puede tener forma pentagonal (**furano**) o hexagonal (**pirano**), denominándose los monosacáridos **furanosas** o **piranosas** respectivamente.

El carbono carbónico correspondiente a los grupos aldehído y cetona se designa en las fórmulas cíclicas con el nombre de **carbono anomérico** y queda unido a un grupo OH.

La posición del grupo OH unido al carbono determina un nuevo tipo de estereoisomería conocida como **anomería**.

**Forma alfa**: el OH queda abajo.
**Forma beta**: el OH queda arriba.

Tipos de Monosacáridos

**Triosas**: El gliceraldehído y la dihidroxiacetona participan como intermediarios en el metabolismo de la glucosa y otros glúcidos.
**Tetrosas**
**Pentosas**:
- **Ribosa**: Es un componente estructural de nucleótidos en estado libre, como el ATP.
- **Xilosa**
- **Ribulosa**: Actúa como intermediario activo en la fijación del CO₂ atmosférico.
**Hexosas**:
- **Glucosa**: También llamado azúcar de la uva. Es el principal nutriente de los seres vivos que, mediante la respiración celular, lo degradan parcial o totalmente para obtener energía. Se encuentra libre en el citoplasma celular, en los frutos y en la sangre. Además, es el constituyente de los polisacáridos más comunes.
- **Galactosa**: No se encuentra libre, forma parte de la lactosa.
- **Manosa**
- **Fructosa**: Se encuentra en las frutas y formando el disacárido sacarosa.

Derivados de Monosacáridos

**Fosfatos de azúcar**: Son monosacáridos unidos mediante enlaces éster a un grupo fosfato. Están en el citoplasma de todas las células ya que son intermediarios en el metabolismo de los glúcidos.
**Desoxiazúcares**: Son monosacáridos reducidos que han perdido un grupo hidroxilo. El más abundante en la naturaleza es la **desoxirribosa**, que se encuentra en el ADN.
**Polialcoholes**: Son derivados de monosacáridos que, por reducción, transforman su grupo funcional característico en alcohol. Algunos, como el **glucitol**, se utilizan comercialmente como edulcorantes.
**Azúcares ácidos**: Son derivados de monosacáridos que, por oxidación, transforman grupos aldehídos o hidroxilo en ácidos.
**Aminoazúcares**: Un grupo alcohol se sustituye por un grupo amino.

Polisacáridos: Estructura y Función

El Enlace O-glucosídico

Se establece entre dos grupos hidroxilo de diferentes monosacáridos. Se denomina **síntesis por condensación** o **deshidratación** debido a la liberación de una molécula de agua.

Homopolisacáridos Estructurales

Los **homopolisacáridos** son los polisacáridos más abundantes, y están constituidos por un solo tipo de monosacárido. La función de los homopolisacáridos estructurales es proporcionar soporte y protección a diversas estructuras y organismos. Atendiendo a su composición se distinguen:

**Celulosa**: Es un polímero lineal de moléculas de β-D-glucosa con enlaces β. Debido a este tipo de enlace, cada molécula de glucosa gira 180° respecto a sus vecinas. Entre las moléculas de glucosa de una misma cadena se establecen enlaces de hidrógeno intracatenarios. Además, las cadenas lineales se disponen en paralelo y se mantienen estrechamente unidas unas con otras mediante puentes de hidrógeno intercatenarios. La unión de 60 o 70 cadenas de celulosa forma la llamada **micela de celulosa**. A su vez, varias micelas dan lugar a una microfibrilla, que se puede unir con otras para originar fibras de diferente grosor, que forman capas o láminas en dirección alternativa y constituyen el entramado principal de la pared celular vegetal.

Homopolisacáridos de Reserva

Las células necesitan un aporte variable de energía que obtienen preferentemente a través de la degradación de la glucosa. Los seres vivos almacenan este monosacárido en forma de polisacáridos de reserva.

**Almidón**: Es el homopolisacárido de reserva de la célula vegetal. Está formado por una mezcla de dos componentes de grandes estructuras:
- **Amilosa**: Constituida por cadenas largas no ramificadas de moléculas de α-glucosa unidas mediante enlaces α.
- **Amilopectina**: Muy ramificada, con un esqueleto de monómeros de α-glucosa con uniones α y puntos de ramificación con enlaces α.
**Glucógeno**: Es el homopolisacárido de reserva de los animales. Su constitución es similar a la de la amilopectina, con enlaces α, aunque posee más ramificaciones en α.
**Dextranos**: Polímeros de α-glucosa con enlaces distintos a los α del glucógeno y el almidón, con múltiples ramificaciones.

Heteropolisacáridos

**Pectina**: Se encuentra en la pared celular de las células vegetales, donde forma una matriz en la que se disponen las fibras de celulosa.
**Hemicelulosas**: Se encuentran en la pared celular de las células vegetales, recubriendo la superficie de las fibras de celulosa y permitiendo el anclaje de la pared a las células vecinas.
**Agar-agar**: Se extrae de las algas rojas y se utiliza como espesante en la industria alimentaria.
**Gomas**: Con función defensora en plantas.
**Mucílagos**: Similares a las gomas.
**Peptidoglucanos**: Forman la pared bacteriana.

Heterósidos

**Glucolípidos**: El aglucón es un lípido denominado ceramida. Los más importantes son los cerebrósidos, que contienen galactosa o glucosa.
**Glucoproteínas**: La fracción no glucídica es una molécula de naturaleza proteica.

Grasas: Propiedades y Reacciones

Propiedades de las Grasas

Los **ácidos grasos** son **anfipáticos**. Poseen dos zonas: una **polar** que contiene el grupo carboxilo, de carácter **hidrófilo**, y otra **apolar**, que es la cadena carbonada e **hidrófoba**. El grupo carboxilo establece enlaces de hidrógeno con otras moléculas polares, mientras que la cadena alifática interacciona con otras cadenas de ácidos grasos adyacentes mediante uniones de Van der Waals.

Reaccionan con los alcoholes formando **ésteres** y liberando agua.
Se hidrolizan en presencia de bases alcalinas formando sales de sodio y potasio.
El grado de instauración y la longitud de la cadena alifática determinan el punto de fusión. Este aumenta con la longitud de la cadena, ya que las interacciones de Van der Waals con otras cadenas semejantes se incrementan. Sin embargo, la presencia de dobles enlaces origina codos en la molécula que, además de acortarlas, favorece la disminución del punto de fusión.