El agua parte 1 de 4 · estructura y propiedades

El agua es una molécula extremadamente pequeña, pero todas las moléculas que se disuelven en ella interactúan con ella, y eso es lo que permite la vida. Todas las reacciones biológicas, dentro y fuera de la célula, ocurren en un medio acuoso: «por lo menos el 99 %» (01:40). Para que puedan llevarse a cabo, las moléculas tienen que interactuar, de una u otra forma, con el agua.

Las diapositivas lo resumen en tres razones por las que dependemos del agua diapositivas 2025:

• Es el medio de transporte intravascular: la sangre.
• Es el medio de transporte inter e intracelular: entre las células y dentro de ellas.
• Es reactante o producto de muchas reacciones bioquímicas.

Traen además una teoría evolutiva: las propiedades físicas y químicas del agua moldearon la evolución de los organismos, que empezó en el mar.

Lo mismo pasa con la sangre, que vieron en el sistema circulatorio: es líquida, y por ese líquido viajan los nutrientes, las moléculas para fabricar otras moléculas y todo el material de desecho. Pero en la sangre también hay cosas sólidas, como los eritrocitos y los glóbulos blancos. ¿Cómo hacen para transportarse en un medio acuoso? Porque todo lo que está en la sangre reacciona con la molécula de agua (02:35).

• La saliva. El 90 % de la saliva es agua, así que casi todo lo que pasa en la boca tiene que ver con el agua (04:11). La saliva tiene un papel importante en la remineralización del esmalte: por ella se transportan el calcio y las demás moléculas que el esmalte necesita. También lubrica la boca. Si su composición se altera, se produce, por ejemplo, la caries: una de sus causas son alteraciones de la saliva (05:20). (La saliva como tal se estudia al final de la materia.)
• Las bacterias. En la boca viven bacterias, organizadas en la biopelícula (placa dental), «un ecosistema propio» del que van a oír hablar toda la carrera. Esas bacterias viven en un medio acuoso; que sobrevivan o no depende de la composición de la saliva. Además producen sustancias, como el ácido láctico, que si no se controlan colaboran en la formación de caries (05:36).
• Los anestésicos. La lidocaína y la mepivacaína, que van a usar muchísimo, están diseñadas según cómo interactúan con el agua de la zona donde se inyectan. Son bases débiles (07:53).
• Los materiales dentales. Todos interactúan en la boca con la saliva. Por eso, cuando trabajan, se aísla el diente: para que la saliva no «contamine» el material (08:36). Los materiales están diseñados para que su interacción con la saliva sea la adecuada.
• Los medicamentos. El odontólogo también receta. Hay que saber si un medicamento se disuelve en agua y por qué vía se puede dar (intravenosa, intramuscular, oral): se diseñan así justamente porque todos tienen que interactuar con el agua (09:15). Las diapositivas lo dicen con dos palabras: fármacos y materiales pueden ser hidrosolubles (se disuelven en agua) o liposolubles (se disuelven en grasa), y eso decide la vía de administración y cómo se distribuyen en el organismo diapositivas 2025.
• El agua fuera del organismo. Muchos productos de la consulta son soluciones acuosas: la clorhexidina (antiséptico, 10 mg/mL) o la solución isotónica de cloruro de sodio al 0,9 %, el «suero fisiológico», que en 100 mL de agua lleva 0,9 g de NaCl diapositivas 2025.

Un adulto promedio tiene cerca del 70 % de agua (10:08). El profesor lo dijo con una imagen: cuando alguien nada en la piscina, el 70 % de esa persona es agua; «solamente el 30 % es el que está nadando».😅

Pero el porcentaje cambia con la edad (10:38):

• En el feto, casi toda la estructura es agua: en los videos de fetos se ven prácticamente transparentes. ≈ 90 %, no 100 %
• De recién nacidos, alrededor del 80 %, y va bajando progresivamente.
• En la tercera edad, alrededor del 50 %: la persona se ve «más chiquitica, con la piel más seca», justamente porque perdió agua (11:12).

La lámina de las diapositivas da los valores con más detalle, y también cambian con el sexo diapositivas 2025:

En un adulto, el resto del peso es aproximadamente 18 % proteínas, 16 % grasa y 6 % minerales. Y un dato para recordar: perder el 20 % del agua corporal lleva a la muerte diapositivas 2025.

El agua no se distribuye de manera homogénea: cada órgano tiene su porcentaje. Si se repartiera igual en todos lados, «seríamos transparentes» (11:32).

El agua del cuerpo se divide en compartimentos (13:38):

• Compartimento intracelular: todo lo que está dentro de las células. Su agua es el líquido intracelular. Se lleva la mayor parte: 28 L de 42 L, en una persona de 70 kg. Son dos tercios.
• Compartimento extracelular: todo lo que está fuera de las células (14 L, un tercio). Tiene dos partes muy activas:
  • El líquido intersticial: el que está «suelto» en el espacio entre una célula y otra (el espacio intersticial). En clase: unos 11 L; en las diapositivas, 10,5 L. Importa porque las células se comunican entre sí y por ahí viajan moléculas, que también tienen que interactuar con el agua (14:53).
  • El plasma: la parte líquida de la sangre. En clase: unos 3 L; en las diapositivas, 3,5 L. La sangre total de un adulto, la volemia, es de unos 5 L, y el 90 % del plasma es agua (15:12). Si se centrifuga la sangre, el plasma es el 55 % del volumen y los eritrocitos el 45 % diapositivas 2025. Por el plasma viajó todo lo que se absorbió en el intestino.

Todas las moléculas de agua son iguales a la que vamos a describir (19:44). Lo fácil ya lo sabemos: se escribe H₂O, tiene un oxígeno y dos hidrógenos y tiene forma de V. La pregunta es por qué tiene esa forma.

La regla del octeto

Los átomos tienen electrones en capas (órbitas). Para estar estables necesitan 8 electrones en su última capa (el hidrógeno, que es muy pequeño, se llena con 2). Para llegar a ese número, los átomos comparten electrones con otros: por eso se unen (21:25). Al oxígeno le faltan dos, y la pareja ideal es el hidrógeno, que tiene uno y le falta uno.

Cuatro orbitales sp³ y dos pares libres

Para entender la forma, el profesor pidió imaginar que el oxígeno está en el centro de un tetraedro, una pirámide de cuatro caras (22:34). Cada punta del tetraedro es un orbital híbrido sp³:

• Dos tienen un solo electrón y lo comparten con un hidrógeno: son los dos enlaces O–H.
• Dos ya tienen su par de electrones completo y no se unen a nada: son los pares libres.

En la configuración electrónica del oxígeno queda así: 1s² y luego cuatro híbridos sp³, dos llenos (con su par de electrones) y dos con un electrón solo, que son los que se comparten con los hidrógenos diapositivas 2025.

En un tetraedro perfecto, el ángulo entre dos puntas es de 109,5°. Pero en el agua el ángulo H–O–H es de 104,5° (23:37). ¿Por qué más cerrado? Porque los dos pares libres tienen carga negativa, se repelen entre sí y empujan a los hidrógenos, que quedan más juntos (24:22). «Hasta eso se calcula: si la molécula no tiene ese ángulo, no es agua y no hace el trabajo que hace» (23:49).104,5° — ¡aprendérselo!

La electronegatividad es la capacidad de un átomo para atraer electrones cuando forma un enlace (24:48). En la tabla periódica, mientras más arriba y más a la derecha esté un elemento, más electronegativo es. Los más electronegativos son no metales, y son justamente los que más participan en las moléculas de la vida (26:02).

Los electrones que se comparten son los de la última capa, los electrones de valencia (25:04).

Las diapositivas la definen como la medida relativa de la tendencia de un átomo a atraer electrones cuando forma parte de un enlace, y dan el orden de los átomos que importan en bioquímica diapositivas 2025:

F > O > N > S > C > P ≈ H

Compartición equitativa y desigual

El profesor comparó dos enlaces (26:29):

• Carbono–hidrógeno: los electrones quedan más o menos en el medio, «no van ni para un lado ni para el otro». Es una compartición equitativa.
• Oxígeno–hidrógeno: los electrones se van muy cerca del oxígeno, porque es más electronegativo. Es una compartición desigual (27:15).

Esto también se ve con colores, en un mapa de densidad electrónica: rosado donde hay más electrones, azul donde hay menos (27:36). En el agua, el oxígeno sale rosado y los hidrógenos azules.rosado = más e⁻

Las cargas parciales

Como el oxígeno tiene los electrones más cerca, queda con una carga parcial negativa (δ⁻); los hidrógenos, que quedaron con menos, tienen una carga parcial positiva (δ⁺) (28:20). Son cargas parciales, no completas: el oxígeno no se quedó con el electrón, solo lo tiene «prestado» más cerca.

Una molécula con dos cargas parciales, una negativa y una positiva, es un dipolo, y también se le dice molécula polar. La que no las tiene es no polar (29:05).

Covalente e iónico

La unión entre el oxígeno y el hidrógeno, compartiendo electrones, es un enlace covalente: un enlace intramolecular (dentro de la molécula) y muy fuerte (29:41). En el agua es un covalente polar, que según las diapositivas cumple tres cosas: los electrones se comparten de forma desigual, la molécula queda con una densidad electrónica asimétrica, y se forma entre átomos con electronegatividades diferentes diapositivas 2025.

En cambio, en el enlace iónico un átomo le pasa todos sus electrones al otro: uno queda negativo y el otro positivo, cada uno con una carga neta independiente (30:11). En el agua no pasa eso: los átomos siguen unidos y solo hay cargas parciales.

Las cargas se pueden dibujar como vectores: flechas que indican hacia dónde se van los electrones (31:14). En el agua, las dos flechas apuntan hacia el oxígeno y, como la molécula tiene forma de V, se suman: queda un dipolo neto. Por eso es tan importante la forma de V.

El agua no es la única molécula que hace esto. El amoníaco (NH₃) también: los tres hidrógenos comparten electrones con el nitrógeno, los vectores se suman y queda un dipolo (31:53). «El amoníaco no es bueno para nada», pero es un dipolo.«no nos conviene»

En cambio, una molécula lineal con dos átomos electronegativos a los lados, como el dióxido de carbono (O=C=O), tiene sus dos vectores en sentidos contrarios: se anulan y no queda carga. Es no polar (32:49).

Si hay muchas moléculas de agua juntas, y cada una tiene un lado positivo y uno negativo, ¿van a interactuar entre ellas? Por supuesto: se atraen por sus cargas (33:51). El hidrógeno (δ⁺) de una molécula es atraído por el oxígeno (δ⁻) de otra.

Más largo, más débil

El puente de hidrógeno ni se parece al enlace covalente de adentro de la molécula. Hasta las distancias son distintas y se calculan: la distancia del puente es mucho mayor, y mientras más distancia, más débil es el enlace (35:56). El covalente es muy fuerte; el puente de hidrógeno, no. En la lámina: O–H covalente 0,10 nm, puente 0,18 nm y 0,28 nm de un oxígeno al otro diapositivas 2025.

Dos detalles más de las diapositivas diapositivas 2025:

• El puente de hidrógeno es 10 % covalente y 90 % electrostático: sobre todo es atracción entre cargas.
• Es más fuerte cuando es colineal: cuando el H queda en línea recta entre los dos átomos electronegativos, porque así la atracción es mayor. Eso pasa en el hielo.

No solo con oxígeno

El oxígeno no es el único átomo electronegativo, así que el agua también forma puentes con otros: con el nitrógeno y con el flúor («el flúor, más que todo, es para ustedes») (37:03). La regla es siempre la misma: H unido covalentemente a un átomo electronegativo, frente a otro electronegativo.P y S: ver al final

Como la molécula de agua es un tetraedro, tiene cuatro puntas, y con cada una puede unirse a una molécula distinta: una sola molécula de agua puede formar puentes de hidrógeno con cuatro moléculas de agua (37:50). Sus dos hidrógenos se unen al oxígeno de dos vecinas, y su oxígeno, con sus dos pares libres, recibe a los hidrógenos de otras dos (38:05).

A medida que se van uniendo más y más moléculas, la estructura se vuelve mucho más fuerte. Cada enlace es débil, pero si se une con muchos puentes «la cosa cambia» (38:37).

¿En qué momento las moléculas se unen cada vez más hasta dar una estructura sólida? Cuando el agua cambia de estado: lo que cambia es la conformación de sus puentes de hidrógeno (39:29).

• Hielo (sólido): los puentes son fuertes y múltiples; cada molécula está unida a cuatro moléculas de agua. Eso le da resistencia (40:50).
• Líquido: al aumentar la temperatura se van rompiendo los puentes y el hielo se derrite (41:13). La temperatura es lo primero que rompe un puente de hidrógeno. Pero mientras unos se rompen, otros se forman: «ellas no se van a dejar romper así».
• Vapor (gas): si se sigue calentando, llega un momento en que ninguna molécula puede interactuar con otra: casi no hay puentes (41:43).

Hay que aplicar calor constantemente: si se detiene, las moléculas se vuelven a unir y no pasan a la otra fase (41:56).

Romper puentes de hidrógeno no solo pasa en el ciclo del agua: en el cuerpo, muchas macromoléculas tienen puentes de hidrógeno, y en la digestión hay que romperlas hasta las moléculas más pequeñas para poder absorberlas. Eso también cuesta energía (42:29).

El enlace covalente de adentro de la molécula de agua necesita 470 kJ/mol para romperse (43:08); un puente de hidrógeno, solo 23 kJ/mol, y un enlace covalente C–C, 348 diapositivas 2025. Pero en el agua hay tantos puentes que, sumados, también requieren muchísima energía: la cantidad también importa (43:18). Por eso el agua tiene un punto de fusión alto para una molécula tan pequeña: hay que romper muchos puentes para derretir el hielo.

¿Qué característica tiene que tener una molécula para interactuar con el agua? Como el agua es un dipolo, la otra molécula también tiene que tener carga (44:17). La forma más común de «resolver el problema» es tener grupos que formen puentes de hidrógeno:

• Alcoholes: tienen un grupo hidroxilo (–OH) unido a una cadena de carbonos (R). El H del –OH está unido covalentemente al O: cumple la regla del puente de hidrógeno. Por eso el alcohol se disuelve en el agua (44:37).
• Carbohidratos: tienen grupos funcionales como el carbonilo (C=O, el de las cetonas), cuyo oxígeno recibe puentes del agua (45:14).
• La glucosa resolvió su problema de la forma más obvia: está llena de grupos hidroxilo. Por eso se disuelve facilito y viaja por la sangre (46:07).

• Proteínas: tienen grupos que interactúan con el agua, pero además su propia estructura necesita puentes de hidrógeno. El grupo carbonilo de una cadena polipeptídica (varios aminoácidos) se une al grupo amino (N–H) de otra cadena (46:48). Ojo: aquí el H está unido al nitrógeno, no al oxígeno. «No es nada más oxígeno–hidrógeno–oxígeno.»
• Aminoácidos: la lámina pone el ejemplo de la glicina (H₂N–CH₂–COOH): su grupo carboxilo forma puentes de hidrógeno con el agua por el O del C=O y por el O–H diapositivas 2025.
• ADN: en su estructura tiene un azúcar (la desoxirribosa), y con eso «resuelve su problema» para estar disuelto en agua (47:36). Además, sus bases se unen entre sí por puentes de hidrógeno: la guanina con la citosina forman varios puentes (tres), y eso le da fortaleza a la doble hélice (47:55). En la lámina también aparece la timina con la adenina, unidas por dos puentes diapositivas 2025.

Con todo lo anterior se entienden las propiedades del agua. La primera: es un solvente (disolvente). ¿Con quién se disuelve? Con las moléculas polares, las que tienen un dipolo (48:47). Cuando decimos que una molécula «se diluyó en agua», es porque pudo formar puentes de hidrógeno con ella (49:17).

Las diapositivas dan tres razones del alto poder de disolución del agua: su carácter bipolar, su pequeño tamaño comparado con otros solventes y su capacidad de formar puentes de hidrógeno diapositivas 2025.

Otras dos características (49:30):

• Tiene una viscosidad intrínseca: evita que las moléculas se muevan demasiado; las «atrapa» con puentes de hidrógeno y les da estabilidad: «cálmate, bájale dos». (La viscosidad se ve en la próxima clase.)
• Es pequeñita, así que puede interactuar con moléculas de cualquier tamaño, desde las muy pequeñas hasta las muy grandes, siempre que tengan grupos con carga (49:56).

Ionizar es la ganancia o pérdida de un electrón, que da lugar a un átomo o compuesto con una carga neta: positiva o negativa (52:35). La partícula que queda se llama ion: catión si es positiva y anión si es negativa (53:33). Como tienen carga, los iones interactúan con el agua por cualquiera de sus dos lados.

Una sustancia que al disolverse en agua se disocia y forma iones se llama electrolito (53:59). Los sobrecitos de suero oral que se disuelven en agua para hidratarse «están full electrolitos» (54:23).

La sal en el agua

La sal de mesa es cloruro de sodio (NaCl): un sólido cuyos iones están unidos por enlace iónico (55:20). Al echarla en el agua desaparece y no se vuelve a ver. ¿Qué pasó? (55:35)

• Hay muchísimas más moléculas de agua que de sal, y cada agua tiene dos cargas parciales.
• El agua separa los iones: el Na⁺ se va hacia el lado negativo del agua (el oxígeno) y el Cl⁻ hacia el lado positivo (los hidrógenos) (56:14).
• Y no solo los separa: los rodea completamente y así impide que se vuelvan a unir (56:41).

Esa capa de moléculas de agua que rodea a un ion se llama esfera de solvatación (57:12); cuando el disolvente es agua también se le dice esfera de hidratación.

Más carbonos, menos soluble

¿De qué depende la solubilidad de una molécula en agua? Según las diapositivas, de dos cosas: la cantidad de grupos polares y la relación entre grupos polares y no polares dentro de la misma molécula diapositivas 2025.

Algunas moléculas con una estructura de carbonos e hidrógenos «resuelven su problema» agregándose grupos hidroxilo, como los alcoholes (58:36). En los alcoholes pequeños, con pocos carbonos, la solubilidad es prácticamente infinita. Pero a medida que la cadena crece hay más carbono e hidrógeno y proporcionalmente menos hidroxilo: la solubilidad depende de los grupos funcionales que tenga la molécula (58:55).

El aceite en el agua

El ejemplo típico: se echa aceite en el agua y no se dispersa, sino que se queda en gotitas (59:20). El agua obliga a la grasa a interactuar consigo misma; las agrupa en un rincón y forma la gota. Eso es el efecto hidrofóbico.

¿Es malo? No: el efecto hidrofóbico mantiene la estructura de muchas moléculas (59:57). El mejor ejemplo es el plegamiento de las proteínas (1:00:55): cuando se forman son una cadena lineal, pero su forma final está «plegadísima». Aparte de los puentes de hidrógeno, las partes hidrofóbicas «se esconden» hacia adentro, y eso ayuda a plegar la proteína (1:01:29).lo hidrofóbico se esconde

El efecto hidrofóbico también arma la membrana celular (1:01:44). La membrana está en contacto con el medio de afuera y con el de adentro de la célula: tiene dos superficies con agua. ¿Cómo hace? ¿Puede ser hidrofílica e hidrofóbica al mismo tiempo?

Sí, y la clave está en los detergentes (jabones): se forman con una sustancia alcalina y un ácido graso, una cadena de carbonos larguísima que en un extremo tiene un grupo funcional con carga (1:02:09). La parte con carga interactúa con el agua; la cadena, no.

Las moléculas que tienen las dos partes, una hidrofílica y otra hidrofóbica, se llaman anfipáticas (1:02:37). Los fosfolípidos que forman la membrana son anfipáticos: una parte soluble que interactúa con el agua y otra insoluble que no (1:02:54).

Cómo se acomodan en el agua

• Monocapa: si están en contacto con el aire, la parte hidrofóbica se va hacia la superficie, hacia el aire, y la hidrofílica se queda en el agua. Así quedan en el agua sin disolverse (1:03:27).
• Micela: si no hay contacto con el aire, se empaquetan en una esferita: la parte hidrofóbica hacia adentro y la hidrofílica hacia afuera (1:04:31).
• Bicapa: dos capas con las colas enfrentadas y las cabezas hacia el agua de cada lado. Así es la membrana, que deja pasar unas cosas y otras no (es semipermeable); eso se verá en membrana celular (1:03:09).