Resumen

El agua es una sustancia de capital importancia para la vidacon excepcionales propiedades consecuencia de su composi-ción y estructura. Es una molécula sencilla formada por trespequeños átomos, uno de oxígeno y dos de hidrógeno, conenlaces polares que permiten establecer puentes de hidróge-no entre moléculas adyacentes. Este enlace tiene una granimportancia porque confiere al agua propiedades que secorresponden con mayor masa molecular. De ahí sus eleva-dos puntos de fusión y ebullición, imprescindibles para queel agua se encuentre en estado líquido a la temperatura de laTierra. Su alto calor específico la convierte en un excepcio-nal amortiguador y regulador de los cambios térmicos, man-teniendo la temperatura corporal constante.El alto valor delcalor de vaporización permite eliminar, por medio del sudor,grandes cantidades de calor preservándonos de los «golpesde calor». Otra propiedad que hace que esta molécula seaúnica es su amplia capacidad como disolvente de sustanciaspolares. Teniendo en cuenta que somos mayoritariamente

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CAPÍTULO 3Propiedades y funciones biológicas del aguaÁNGELES CARBAJAL AZCONA Y MARÍA GONZÁLEZ FERNÁNDEZDepartamento de Nutrición, Facultad de Farmacia, UniversidadComplutense de Madrid

«Sin oro podemos vivir, sin agua no»(dicho popular)

agua, la casi totalidad de las reacciones químicas producidasen nuestro interior se realizan en medio acuoso. El transpor-te de nutrientes y metabolitos y la excreción de sustancias dedesecho también se realiza a través del agua.

Figura 1. El agua en la vida cotidiana

Introducción

El agua, un compuesto extraordinariamente simple, es sinembargo una sustancia de características tan excepcionalesy únicas que sin ella sería imposible la vida. El hombre tienenecesidad de agua para realizar sus funciones vitales, parapreparar y cocinar los alimentos, para la higiene y los usosdomésticos, para regar los campos, para la industria, para lascentrales de energía: en una palabra, para vivir (Figura 1).

El agua es en el hombre, el líquido en el que se produceel proceso de la vida y, de hecho, la supervivencia de las célu-

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las depende de su capacidad para mantener el volumen celu-lar y la homeostasia. Es fundamental para prácticamentetodas las funciones del organismo y es también su compo-nente más abundante (1). Sin embargo, aunque dependemosde ella, nuestro organismo no es capaz de sintetizarla en can-tidades suficientes ni de almacenarla, por lo que debe inge-rirse regularmente. Por ello, el agua es un verdadero nutrien-te que debe formar parte de la dieta en cantidades muchomayores que las de cualquier otro nutriente. Existen orga-nismos capaces de vivir sin luz, incluso sin oxígeno, pero nin-guno puede vivir sin agua. Tal y como escribió HildrethBrian (2) «Un hombre puede vivir días sin comer, pero sólounos 2-5 días sin agua». Podemos perder casi toda la grasa ycasi la mitad de la proteína de nuestro cuerpo y seguimosvivos, pero la pérdida de tan sólo un 1-2% del agua corporalafecta a la termorregulación y a los sistemas cardiovasculary respiratorio y limita notablemente la capacidad física ymental; una hipohidratación mayor puede tener consecuen-cias fatales (3). Además, tampoco debemos perder de vistaque en la naturaleza no se encuentra nunca el agua de losquímicos, es decir, el agua pura, inodora, incolora e insípida.El agua de los ríos, el agua subterránea, el agua de lluvia y elagua que bebemos contiene siempre otras sustancias disuel-tas que, aún en cantidades reducidas, aportan cualidadesorganolépticas y nutritivas por lo que el agua también debeconsiderarse un alimento, un componente más de nuestradieta, un ingrediente fundamental en la cocina, contribuyen-do al aporte de algunos nutrientes y mejorando también elvalor gastronómico de las recetas culinarias (4).

Conocida la dependencia que los seres vivos tienen delagua y la impronta que ha tenido en la Historia de la Huma-nidad, cabe preguntarse qué es lo que hace de ella una sus-tancia tan especial y tan diferente de otras. El «secreto» de

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sus excepcionales características está precisamente en sucomposición y estructura, que le confieren el mayor númerode propiedades físicas y químicas «anómalas» entre las sus-tancias comunes, y esta «personalidad» es la responsable desu esencialidad en la homeostasis, estructura y función de lascélulas y tejidos del organismo. Cuando se compara conmoléculas de similar peso molecular y composición, el aguatiene propiedades físicas únicas, consecuencia de su natura-leza polar y de su capacidad para formar enlaces por puentede hidrógeno con otras moléculas (5).

Fueron Lavoisier (1743-1794) y Cavendish (1731-1810)quienes demostraron que el agua estaba formada por hidró-geno y oxígeno.Años más tarde (1913) el bioquímico y fisió-logo Henderson (1878-1942), en su libro «The Fitness of theEnvironment», explicó por primera vez cómo sus peculiarespropiedades hacían del agua un constituyente esencial detodas las formas de vida conocidas: «Thus water, because ofits remarkable heat capacity, heat conductivity, its expansionon cooling near the freezing point, its reduced density as ice,its heat of fusion, heat of vaporization, its vapor tension andfreezing point, its unique solvent properties, its dielectric cons-tant and ionizing power, and its surface tension, render it incertain respects maximally fit for living beings. Thereby itassures conditions for constancy of temperature, richness ofthe organism in chemical constituents, variety of chemicalprocesses, electrical phenomena and the functions ofcolloids» (6).

Composición y estructura

El agua es una molécula sencilla formada por átomospequeños, dos de hidrógeno y uno de oxígeno, unidos por

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enlaces covalentes muy fuertes que hacen que la moléculasea muy estable.Tiene una distribución irregular de la densi-dad electrónica, pues el oxígeno, uno de los elementos máselectronegativos, atrae hacia sí los electrones de ambos enla-ces covalentes, de manera que alrededor del átomo de oxí-geno se concentra la mayor densidad electrónica (carganegativa) y cerca de los hidrógenos la menor (carga positi-va). La molécula tiene una geometría angular (los dos áto-mos de hidrógeno forman un ángulo de unos 105º) (Figura2a) lo que hace de ella una molécula polar que puede unirsea otras muchas sustancias polares (4).

Figura 2. Agua. Estructura (7)

La atracción electrostática entre la carga parcial positi-va cercana a los átomos de hidrógeno de una molécula deagua y la carga parcial negativa cercana al oxígeno de otra,permite la unión de moléculas de agua vecinas mediante un

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enlace químico muy especial y de excepcional importanciapara la vida y que explica el amplio abanico de sus propieda-des físicas y químicas: el puente de hidrógeno (Figura 2b). Elenlace sólo requiere que el átomo electronegativo (el oxíge-no en el caso del agua) que atrae al hidrógeno sea pequeño,posea un par de electrones no enlazantes y una geometríaque permita que el hidrógeno haga de puente entre los dosátomos electronegativos (7). Cada molécula de agua puedepotencialmente formar 4 puentes de hidrógeno con otrastantas moléculas de agua dando lugar a una estructuratetraédrica reticular relativamente ordenada, responsablede sus peculiares propiedades físico-químicas (8) (Figura2c). Esta atracción es fuerte porque las moléculas de agua,siendo pequeñas, pueden acercarse mucho más que molécu-las mayores y quedan firmemente atraídas por su gran pola-ridad. La energía de un puente de hidrógeno agua-agua esde unas 5,5 kcal/mol; además, hay que tener en cuenta lasinteracciones de Van Der Waals entre moléculas próximas.Por consiguiente es difícil que se separen y así se evita queescapen como vapor. Esto hace que el agua posea una grancohesividad intermolecular, condicionando su alto puntoebullición, de fusión y elevado calor específico. Romperestos puentes, que en una masa de agua son muchos, requie-re mucha energía y por ello el agua tiene un punto de ebulli-ción tan alto. Esta es la razón por la que el agua es líquida enel amplio rango de temperaturas en las que se producen lasreacciones de la vida y no un gas como le correspondería porsu bajo peso molecular (9). El punto de ebullición de uncompuesto es función de su masa molecular. Según esto yatendiendo a la secuencia de la Figura 3, el agua tendría unpunto de ebullición de unos -100ºC (173K) (línea roja pun-teada) y, por tanto, no encontraríamos agua líquida en lanaturaleza, sólo en estado gaseoso. Sin embargo, la tempera-

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tura de ebullición del H2O es de +100ºC (373K). La explica-ción de este valor aparentemente «anómalo» reside en elhecho de que las moléculas de agua, gracias a los puentes dehidrógeno, se atraen tan fuertemente que no se comportancomo moléculas aisladas sino como moléculas mucho másgrandes, de manera que tienen una «masa molecular apa-rente» más alta. El carácter transitorio de los puentes dehidrógeno, que se están formando y rompiendo continua-mente,permite la movilidad de las moléculas, contribuyendoa que el agua sea líquida a temperatura ambiente (10). Lospuentes de hidrógeno son esenciales para la vida pues nosólo confieren una resistencia estructural al agua sino tam-bién a otras muchas moléculas. Por ejemplo, juegan un papelcrucial en la estructura del ADN, uniendo las bases nitroge-nadas y, en las proteínas, permiten los cambios reversiblesque hacen posible sus funciones (8).

Figura 3. Temperatura de ebullición (ºC) y peso molecular (PM) de loshidruros del grupo 6A

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Características físicas y químicas. Funciones biológicas

Esta singular composición y estructura confiere el agua unascaracterísticas físicas y químicas de gran trascendencia ensus funciones biológicas, sobre todo en las relacionadas consu capacidad solvente, de transporte, estructural y termorre-guladora. Recordemos que las funciones de los sistemasbiológicos pueden explicarse siempre en términos de proce-sos físicos y químicos.

El comportamiento térmico del agua es único y graciasa ello el agua es el principal responsable del sistema termo-rregulador del organismo, manteniendo la temperatura cor-poral constante, independientemente del entorno y de laactividad metabólica. Esta es una de sus funciones másimportantes. Tiene una alta conductividad térmica que per-mite la distribución rápida y regular del calor corporal, evi-tando gradientes de temperatura entre las diferentes zonasdel organismo y favoreciendo la transferencia de calor a lapiel para ser evaporada. Su alto calor específico [1 kcal/kg ºC= 4180 J/kg·K], consecuencia de la gran capacidad paraalmacenar energía en los puentes de hidrógeno, la convierteen un excepcional amortiguador y regulador de los cambiostérmicos. Aunque acepte o ceda una gran cantidad de calor,su temperatura se modifica muy poco,gracias a su gran capa-cidad para almacenar calor. El aparato metabólico del hom-bre para la digestión y procesado de nutrientes y para la con-tracción muscular es altamente endergónico, liberandograndes cantidades de calor que deben ser disipadas paramantener la homeotermia. Por ejemplo, el efecto termogéni-co de la digestión de los alimentos es de 10-15% del conteni-do calórico de una dieta mixta. La contracción muscular esincluso un mayor contribuyente a la carga de calor del orga-nismo, pues la transformación de energía química (ATP) en

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energía mecánica es muy poco eficaz, liberando el 70-75%de la energía como calor (11).Así, durante el ejercicio, cuan-do la necesidad de utilizar energía mecánica aumenta, laproducción de calor también es mayor. En estos casos, paraprevenir un peligroso aumento de temperatura, el aguaabsorbe el calor allí donde es generado y lo disipa en loscompartimentos líquidos del organismo, minimizando elriesgo de daño localizado por calor a enzimas o estructurasproteicas. De ahí la importancia de la gran cantidad de aguaque tiene el cuerpo y también de que esta cantidad no dismi-nuya por debajo de ciertos límites.

Su función termorreguladora está también relacionadacon otra de sus características físicas que le confiere su efec-to refrigerante: su alto calor de vaporización [a 25ºC es de540 kcal/L], consecuencia de la atracción entre moléculas deagua adyacentes («fortaleza de los puentes de hidrógeno»)que dan al agua líquida una gran cohesión interna. El agua,para evaporarse, absorbe más calor que ninguna otra sustan-cia (7). Por cada litro de sudor o agua respiratoria que elcuerpo vaporiza se disipan unas 540 kcal de calor corporal,consiguiendo un eficaz enfriamiento. Así, ante una cargaextra de calor, éste se disipa evaporando cantidades relativa-mente pequeñas de agua, protegiéndonos de la deshidrata-ción (11). Es importante tener en cuenta que, aunque elsudor es una forma muy eficaz para eliminar calor, puededar lugar, cuando es prolongado, a una excesiva pérdida deagua que, si no se reemplaza, puede causar graves proble-mas. De hecho, el organismo necesita equilibrar mediante laingestión de líquidos las pérdidas para poder seguir mante-niendo la capacidad de regular la temperatura corporal.Cuando las pérdidas de sudor exceden peligrosamente a laingesta, el sistema circulatorio no es capaz de hacer frente ala situación y se reduce el flujo de sangre a la piel. Esto da

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lugar a una menor sudoración y, por tanto, a una menorcapacidad para perder calor. En estas condiciones se produ-ce un aumento de la temperatura corporal que puede tenerconsecuencias fatales.

El agua tiene un alto valor de tensión superficial, que-dando las moléculas de la superficie fuertemente atraídas,aunque algunas sustancias pueden romper esta atracción.Este es el caso del jabón que forma espuma o de las salesbiliares que facilitan la digestión de las grasas. Las gotitas degrasa emulsionadas se organizan después en micelas queaumentan la absorción (crean un mayor gradiente de difu-sión) y facilitan la entrada de otros nutrientes. En el intesti-no se observan las gotitas de grasa en forma de emulsión,pero también como micelas, de tamaño mucho mayor quelas gotitas emulsionadas y siempre en mayor cantidad, queacercan los lípidos que transportan al enterocito para serabsorbidos. De esta manera, las sales biliares mejoran ladigestibilidad y también la absorción de la grasa y de otrosnutrientes.

Tiene también unas excepcionales y únicas propieda-des solventes. Debido a su pequeño tamaño, a la naturalezapolar de sus enlaces H – O, a su estructura angular y a sucapacidad para formar puentes de hidrógeno, el agua es unamolécula altamente reactiva que puede disolver una granvariedad de sustancias (hidrófilas) iónicas y moleculares,pero también evita la disolución de otras apolares (hidrófo-bas), efecto igualmente muy importante para la vida. Elcuerpo es esencialmente una solución acuosa en la que grancantidad de solutos (proteínas, vitaminas, glucosa, urea,sodio, cloro, potasio, O2, CO2, etc.) están distribuidos en losdiferentes compartimentos.

Gracias a su capacidad disolvente, a su elevada cons-tante dieléctrica y a su bajo grado de ionización (Kw=10–14),

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el agua es el medio en el que se producen todas las reaccio-nes del metabolismo, participando en muchas de ellas comosustrato o como producto. Un ejemplo son las reacciones dehidrólisis que se producen en la digestión o en la oxidaciónde los macronutrientes (12). En las disoluciones iónicas, elelevado calor de hidratación (energía que se desprendecuando los iones se rodean de moléculas de agua), propor-ciona gran estabilidad a la disolución. Además, por su altaconstante dieléctrica (K=80 a 20ºC) las disoluciones iónicasconducen la corriente eléctrica; de ahí su importancia, porejemplo, en la transmisión nerviosa.

La interacción hidrofóbica es la responsable de diver-sos procesos biológicos importantes (10). En medios acuo-sos, la interacción con moléculas anfipáticas (o anfifílicas,aquellas con grupos polares y apolares, como los detergenteso las sales biliares) determina la formación de estructurasordenadas. Este es el caso de las membranas celulares, for-mando bicapas lipídicas [las moléculas de carácter anfifílicoque forman las membranas celulares son los fosfolípidos -doble capa fosfolipídica-]; de las micelas (importantes en ladigestión intestinal de lípidos, mediada por las sales biliares)o de los liposomas. Todos ellos –membranas, micelas y lipo-somas- son estructuras muy estables mantenidas por lasfuerzas hidrofóbicas de las cadenas hidrocarbonadas y lasinteracciones iónicas de las cabezas cargadas con el agua: elagua «arrincona» a las moléculas no polares, manteniéndo-las juntas (7). El efecto hidrófobico del agua, consecuenciade su gran cohesión, resultó esencial para la formación yposterior evolución de las células (13).

El agua también contribuye a la organización macro-molecular («bounded water»). El efecto hidrofóbico demuchos de los 20 aminoácidos que forman las proteínas con-tribuye al plegamiento rápido de las cadenas polipeptídicas

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y también a la agregación de las subunidades proteicas paraformar la estructura cuaternaria tridimensional que es laforma activa. «Este prodigioso proceso está dirigido por elagua cuya alta cohesividad empuja a los aminoácidos hidró-fobos de cada proteína a reunirse, forzando la compactaciónde la proteína» (13). Se estima que la hidratación de las pro-teínas es de 1,4 a 4 g de agua por gramo de proteína, demanera que, por ejemplo, el 81% del agua de los glóbulosrojos está encapsulada en la hemoglobina. Se ha observadoque la mayoría de las células de los mamíferos tienen un ran-go de hidratación de 58-80% de agua, y la mayor parte de lamisma está «secuestrada» por sus componentes macromole-culares (14). De igual manera, la estructura en doble hélicedel ADN depende en buena medida del efecto hidrofóbicoejercido por el agua (13). Sin agua para separar las repulsio-nes electrostáticas entre los grupos fosfato, la doble héliceno existiría (10).

El agua no sólo mantiene la estructura macromolecu-lar, también media en el reconocimiento de moléculas, pro-porciona canales de comunicación a través de las membra-nas y entre el interior y el exterior de las proteínas y aumen-ta la movilidad o flexibilidad de los enzimas facilitando elataque enzimático (15, 16). Por ejemplo, cada gramo deglucógeno muscular se almacena con 2,7 g de agua y estopermite que el glucógeno sea fácilmente atacado por enzi-mas hidrolíticas que liberan rápidamente glucosa, el com-bustible del músculo en el ejercicio.

Por su elevada cohesión molecular, el agua es impres-cindible para mantener el volumen celular, un requisitoimportante para la vida. Tal y como señala Sancho (13): «lomás singular es que [el agua] otorga forma a cada proteína, alos ácidos nucleicos y a cada una de nuestras células.Y la for-ma es la función». Las células han desarrollado poderosos

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mecanismos para estabilizar su volumen que puede cambiarpor alteraciones en la osmolaridad, por estrés oxidativo, porentrada de nutrientes, hormonas,.... Estos mecanismos per-miten fluctuaciones en la hidratación de la célula que sonimportantes señales en el metabolismo celular y en la expre-sión genética. En general, una célula hidratada favorece lasrutas anabólicas y protege del daño oxidativo, mientras queuna célula hipohidratada dispara vías catabólicas. Por ejem-plo, las hormonas son potentes modulares del volumen celu-lar. En el hígado, la insulina estimula sistemas de transportede iones reguladores de volumen que conducen a la acumu-lación intracelular de K+, Na+ y Cl- y consecuentemente a laentrada de agua y a la hinchazón de la célula y esto es unaseñal que dispara las rutas anabólicas (síntesis de proteínas yglucógeno). El glucagón tiene el efecto contrario (12).

El agua (aceptando o donando protones) también con-tribuye en el mantenimiento del pH, esencial para la vida, yaque la actividad de muchos procesos, como por ejemplo laactividad enzimática, es pH dependiente. Mantiene el volu-men vascular y permite la circulación de la sangre. Es elmedio en el que funcionan todos los sistemas de transporte,permitiendo el intercambio de sustancias. Es el río fisiológi-co en el que navegan los nutrientes de la vida, transportandotambién hormonas, metabolitos y otras muchas sustanciasnecesarias para la célula, así como los productos de desechoa los pulmones, riñones, intestino o piel para ser eliminados.Esta es el agua extracelular. La importancia del agua extra-celular la puso de manifiesto el reconocido fisiólogo francésClaude Bernard (1813-1878) quien en 1865,en su obra Intro-duction à l’étude de la médicine expérimentale, acuñó el con-cepto de «milieu intérieur» [el líquido que baña todas lascélulas, de composición muy constante –«constancia delmedio interno, homeostasis»- y que asegura las condiciones

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físicas y químicas estables para el funcionamiento de lascélulas] para referirse a la internalización del «milieu exté-rieur», es decir, a la internalización del mar de la vida, aquélen el que probablemente empezó el proceso de la vida. Éstaemergió en nuestro planeta hace más de tres mil millones deaños de un «caldo nutritivo» que probablemente conteníaconcentraciones de sodio y otros electrolitos similares a lasde los líquidos extracelulares de los mamíferos. De hecho, lavida de los mamíferos sólo fue posible después de un largoproceso evolutivo que condujo a la internalización de estemar original, a la aparición de las membranas (17). «Elmedio interno tiene que ser líquido porque el agua es indis-pensable para las reacciones químicas, así como para la mani-festación de las propiedades de la materia viva …». «Entre losanimales, unos tienen un medio interno de temperatura varia-ble, que sigue las oscilaciones de la temperatura exterior: losanimales de sangre fría. Otros están provistos de un mediointerno que posee en general una temperatura más elevadaque la del medio externo, pero prácticamente fija e indepen-diente de las variaciones atmosféricas: son los animales desangre caliente. Esta simple circunstancia de temperatura fijao variable lleva, desde el punto de vista fisiológico, a una dife-rencia radical entre los seres vivos. Todos aquellos cuyomedio interno mantiene una temperatura variable no poseenninguna manifestación vital idéntica y constante en su activi-dad; están sometidos a las vicisitudes climatológicas, ale-targándose durante el invierno y despertándose durante elverano. Los animales de sangre caliente, por el contrario, semuestran inaccesibles a las variaciones de temperatura delmedio externo y poseen una vida libre e independiente. Estalibertad no es más que una perfección del medio interno quepermite que los organismos superiores se encuentren mejorprotegidos contra las variaciones de temperatura. En estos

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animales, los elementos histológicos están encerrados en elorganismo como en un invernadero; no sufren las influenciasde los fríos exteriores, pero no por ello son independientes. Sifuncionan de modo constante y no se aletargan, es porque latemperatura constante y elevada del medio interno mantieneincesantemente las condiciones físicas y químicas indispensa-bles para la actividad vital» (C. Bernard. De la fisiologíageneral, 1872) (17, pp: 82 y 83). Creemos que no se puedeexpresar mejor la importancia del agua para la vida del hom-bre.

El agua, junto con sustancias viscosas, actúa comolubricante: la saliva lubrica la boca y facilita la masticación yla deglución, las lágrimas lubrican los ojos y limpian cual-quier impureza; el líquido sinovial baña las articulaciones;las secreciones mucosas lubrican el aparato digestivo, el res-piratorio, el genito-urinario. Mantiene también la humedadnecesaria en oídos, nariz o garganta. Proporciona flexibili-dad, turgencia y elasticidad a los tejidos. El líquido del globoocular, el cefalorraquídeo, el líquido amniótico y en generallos líquidos del organismo amortiguan y nos protegen cuan-do andamos y corremos (15). Y finalmente, también el fetocrece en un ambiente excepcionalmente bien hidratado, demanera que, como decía Paracelso (1493-1541), «el agua es elorigen del mundo y de todas sus criaturas».

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