El Agua: Fundamentos Históricos y Estructura Molecular

Aristóteles postuló la existencia de cuatro elementos fundamentales: tierra, aire, fuego y agua. Durante mucho tiempo, el agua fue considerada un elemento y no un compuesto. Sin embargo, en la década de 1770, investigadores como Cavendish observaron que el agua se formaba cuando el aire inflamable (que Lavoisier reconoció y denominó hidrógeno) se quemaba en el aire.

Otros experimentos de Lavoisier demostraron que, al quemarse, el hidrógeno se combina con el oxígeno del aire para formar agua. Así se reconoció que el agua era un compuesto. Años más tarde, Lavoisier afirmó que la molécula de agua está formada por dos partes de hidrógeno y una de oxígeno. Cada uno de los átomos de hidrógeno está unido a un átomo de oxígeno por un enlace covalente polar.

¿Qué es el Agua? Abundancia y Rol Biológico

El agua es la sustancia más abundante de los sistemas vivos, constituyendo el 70% o más del peso de la mayoría de los organismos. Nuestro cuerpo está compuesto en gran parte por agua. Los primeros organismos vivos se desarrollaron a partir del agua, y el curso de la evolución ha sido condicionado por su presencia.

Más del 70% de la superficie del planeta está cubierta por agua. Su distribución global es:

• Agua Salada: 68%
• Suelo: 29%
• Agua Dulce: 3%

El agua es el más abundante en la Tierra. En nuestro cuerpo, tres cuartas partes son agua. Los procesos vitales requieren un medio acuoso, y el agua es el disolvente universal que permite el intercambio intracelular y extracelular. Sin este líquido, la vida no podría desarrollarse en el planeta.

Interacciones y Movimiento del Agua

Puentes de Hidrógeno

Un enlace por puente de hidrógeno se efectúa entre un átomo electronegativo y el átomo de hidrógeno unido covalentemente a otro átomo electronegativo. Este enlace es mucho más débil que los enlaces covalentes, formándose y rompiéndose con mayor rapidez. Cada molécula de agua puede interactuar por puentes de hidrógeno con otras cuatro moléculas de agua. Esta unión ocurre entre el oxígeno de una molécula de agua y el hidrógeno de otra molécula de agua. El puente de H, en conjunto, tiene una fuerza considerable y hace que las moléculas se aferren estrechamente.

Permeabilidad del Agua

Las moléculas de agua atraviesan las membranas a través de aberturas hidrofílicas.

Ósmosis

La ósmosis es el flujo de agua a través de una membrana semipermeable desde un compartimiento donde la concentración de solutos es más baja hacia otro donde la concentración es mayor. Si un glóbulo rojo se introduce en agua destilada, se produce hemólisis: el agua entra al glóbulo rojo, haciendo que se hinche y se rompa.

Homeostasis y Regulación del Equilibrio Hídrico

Eliminación Total de Agua en el Organismo

La cantidad de agua ingerida tiene que ser igual a la cantidad de agua eliminada en el organismo.

Mecanismos de Regulación del Líquido Corporal

La homeostasis exige varios mecanismos y procesos reguladores para mantener el equilibrio entre la ingestión y la excreción. Estos mecanismos influyen en el volumen, la distribución y la composición de los líquidos corporales. Los principales reguladores incluyen:

• La sed
• Los riñones
• El mecanismo de la renina y la angiotensina
• La hormona antidiurética (ADH)
• El péptido natriurético auricular

Sed

Es el principal regulador de la ingestión de agua. Desempeña una función importante en el mantenimiento del equilibrio hídrico y en la prevención de la deshidratación. El centro de la sed, localizado en el encéfalo, se estimula cuando el volumen sanguíneo disminuye por pérdidas de agua o cuando la osmolalidad del suero (concentración del soluto) aumenta.

Riñones

Son responsables de regular el volumen hídrico y el equilibrio electrolítico en el cuerpo. Regulan el volumen y la osmolalidad de los líquidos corporales al controlar la excreción de agua y electrolitos.

Sistema Renina-Angiotensina-Aldosterona (SRAA)

Actúa para mantener el equilibrio hídrico intravascular y la presión arterial. Un descenso del flujo sanguíneo o de la presión arterial a los riñones estimula receptores especializados en las células yuxtaglomerulares de las nefronas para que produzcan renina.

Hormona Antidiurética (ADH o Vasopresina)

Liberada por la glándula hipofisaria posterior, regula la excreción de agua desde los riñones. Los osmorreceptores del hipotálamo responden a aumentos de la osmolalidad sérica y reducen el volumen sanguíneo.

Propiedades Físicas y Químicas del Agua

Propiedades de Disolución y Supervivencia

Las propiedades del agua en cuanto a la disolución son esenciales para la salud y la supervivencia. Como el agua puede disolver o suspender tal cantidad de sustancias, es un medio ideal para las reacciones metabólicas. Al encontrarse reunidos en un líquido común, los reactantes y materiales necesarios como el ATP y las enzimas, colisionan con facilidad para formar nuevos productos. El agua disuelve también los productos de desecho y los elimina del cuerpo a través de la orina.

Densidad

La densidad del agua es de 1 kg/L, si bien va aumentando según disminuye la temperatura, alcanzando su máxima densidad a los 4 °C. A partir de aquí, según va bajando la temperatura, comienza a disminuir la densidad, provocando que el hielo flote en el agua. Esto hace que, cuando un lago o el mar se congelan, la capa de hielo flote en la superficie y aísle al resto de la masa de agua, impidiendo que se hiele.

¿Por qué el Hielo Flota?

En el hielo, los puentes de hidrógeno fijan las moléculas en una red cristalina. Las moléculas de agua en la red están más espaciadas que en el agua líquida; por lo tanto, el hielo es menos denso que el agua líquida.

Calor Específico

El calor específico es el calor necesario para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 °C (concretamente desde 15 a 16 °C). Este alto valor permite al organismo importantes cambios de calor con escasa modificación de la temperatura corporal. El agua se convierte en un mecanismo regulador de la temperatura del organismo, evitando alteraciones peligrosas, fundamentalmente a través de la circulación sanguínea.

Tensión Superficial y Cohesión

La tensión superficial determina una elevada cohesión entre las moléculas de su superficie y facilita su función como lubricante en las articulaciones, huesos, tendones, tórax y abdomen, donde los órganos internos rozan y se deslizan unos sobre otros. Disminuye con la presencia en el líquido de ciertos compuestos que reciben el nombre genérico de tensoactivos (jabones, detergentes) que facilitan la mezcla y emulsión de grasas en el medio acuoso. Así, las sales biliares ejercen esta acción tensoactiva en el intestino delgado, facilitando la emulsión de grasas y, con ello, la digestión (en el aparato gastrointestinal, el agua humedece los alimentos y garantiza una progresión suave de los mismos).

La cohesión del agua (gracias a los puentes de hidrógeno) hace que las moléculas de agua líquida se mantengan juntas, creando tensión superficial. Esto permite al agua moverse hacia arriba como una columna continua a través de los tallos de las plantas.

El Agua como Disolvente Universal

Capacidad de Disolución

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:

1. Es el medio en que transcurren la mayoría de las reacciones del metabolismo.
2. El aporte de nutrientes y la eliminación de desechos se realizan a través de sistemas de transporte acuosos.

Soluciones Acuosas

Dentro de los sistemas vivos, muchas sustancias se encuentran en solución acuosa. Una solución es una mezcla de dos o más sustancias (solvente y solutos). La polaridad de las moléculas de agua es la responsable de la capacidad del solvente de agua. Las moléculas polares de agua tienden a separar sustancias iónicas, como el NaCl.

• Sustancias Hidrofílicas: Moléculas polares que se disuelven rápidamente en el agua.
• Sustancias Hidrofóbicas: Moléculas que carecen de regiones polares (grasas) y tienden a ser muy insolubles en agua.

Datos Comparativos de Compuestos de Bajo Peso Molecular

Compartimentación Acuosa Corporal

Según su compartimentación, el agua corporal se puede clasificar en agua intracelular y extracelular.

Agua Intracelular (70% del total)

Existe en el interior de la célula, tanto en el citosol como en el resto de las estructuras celulares. Se clasifica a su vez en:

• Agua Libre: De la que puede disponer la célula de inmediato y con facilidad.
• Agua Ligada o Asociada: Es la que se encuentra unida a estructuras y entidades macromoleculares.

Agua Extracelular (30% del total)

Se clasifica en:

• Agua Plasmática (7% del total): Incluye el agua del plasma y de la linfa.
• Agua Intersticial (23% del total): Comprende el agua presente en el líquido intersticial, en el líquido cefalorraquídeo, en el humor ocular, etc.

Contenido de Agua en Órganos y Tejidos (Porcentaje Aproximado)

• Cerebro: 75%
• Sangre: 83%
• Hígado: 68%
• Tejido Adiposo: 10%
• Músculo: 76%
• Piel: 72%
• Corazón: 79%
• Pulmones: 79%
• Bazo: 76%
• Intestino: 75%
• Esqueleto (Hueso): 22%

Características Generales y Estados Físicos

El agua es la única sustancia en la Tierra que habitualmente existe en grandes cantidades en sus tres estados físicos. El vapor de agua es invisible, pero diminutas gotas de agua líquida son visibles en forma de nubes.

Resumen de Propiedades Físicas

• Estado Físico: Sólida, líquida y gaseosa.
• Color: Incolora.
• Sabor: Insípida.
• Olor: Inodoro.
• Densidad: 1 g/cm³ a 4 °C.
• Calor Específico: 1 cal/g °C.
• Punto de Congelación: 0 °C.
• Punto de Ebullición: 100 °C.

Balance Hídrico: Ingestión y Excreción Media

El balance hídrico diario promedio debe ser equilibrado.

Ingestión Media (2700 ml)

• Bebida: 1300 ml
• Alimentos: 500 ml
• Oxidación Metabólica: 500 ml

Excreción Media (2700 ml)

• Respiración: 500 ml
• Transpiración/Evaporación: 700 ml
• Orina: 1400 ml
• Heces: 100 ml

Reacciones Químicas del Agua

El agua es un compuesto estable que puede calentarse a temperaturas elevadas sin descomponerse, aunque puede descomponerse mediante electrólisis:

2 H₂O → 2H₂ + O₂

Reacciones con Óxidos y Metales

El agua reacciona con algunos metales o con sus óxidos para dar lugar a hidróxidos metálicos (bases).

2Na + H₂O → H₂SO₄ (ácido sulfúrico)

CO₂ + H₂O → H₂CO₃ (ácido carbónico)

Hidrólisis

Otra propiedad química del agua, de gran importancia para el funcionamiento de los organismos, es el proceso denominado Hidrólisis (hidro – agua, lisis – descomposición).

Un ejemplo sencillo de una reacción de este tipo es la siguiente:

NaCO₃ (Carbonato de Sodio) + 2HOH → 2NaOH (Hidróxido de Sodio) + H₂CO₃ (Ácido Carbónico)

En el cuerpo, las reacciones de digestión son principalmente hidrolíticas, y gracias a ellas los compuestos grandes y complejos se rompen en componentes más pequeños.

Componente 1 + HOH → Componente 2.OH + Sustancia Alimenticia

El Concepto de pH

En 1909, Sørensen definió el pH como el logaritmo negativo de la concentración de iones hidrogeniones:

pH = -log[H⁺]

A valores menores de pH corresponden a concentraciones altas de H⁺; a valores mayores de pH corresponden a concentraciones bajas de H⁺. El pH es una medida que relaciona la concentración de ácido y base en una solución, e indica la concentración de iones hidrogeniones [H⁺] presentes en determinadas disoluciones. El agua siempre actuará como disolvente.

Escala de pH y Ejemplos

• 0 – 6: Acidez
• 7: Neutro
• 8 – 14: Alcalinidad (Base)

Ejemplos de pH

1. HCl (Ácido Clorhídrico)
2. Jugos Gástricos
3. Limón
4. Cerveza
5. Pan
6. Leche
7. Plasma Sanguíneo, Sudor, Lágrimas (pH 7)
8. Bicarbonato Sódico (pH 9)
9. Detergentes (pH 10)
10. Amoniaco (pH 12)
11. Hidróxido Sódico (pH 14)

En términos de reacciones ácido-base:

• Donador: Ácido (H⁺)
• Aceptor: Base