El agua desempeña un papel fundamental como solvente biológico ideal al tener la capacidad de disolver una amplia variedad de componentes presentes en los seres vivos. Entre estos componentes se encuentran los iones como el Na+, K+ y Cl-, así como los azúcares y muchos aminoácidos. Sin embargo, su limitada capacidad para disolver sustancias como los lípidos y ciertos aminoácidos esenciales permite la formación de estructuras supramoleculares, como las membranas celulares, y facilita numerosos procesos bioquímicos, incluyendo el plegamiento de proteínas.
A continuación, se abordará el comportamiento de sustancias hidrófilas e hidrófobas en el agua. Las sustancias hidrófilas tienen afinidad por el agua y se disuelven fácilmente en ella, mientras que las sustancias hidrófobas tienen poca o ninguna afinidad por el agua y tienden a excluirse de ella, dando lugar a la formación de estructuras particulares.
Moléculas hidrófilas
El agua, con su estructura dipolar y capacidad para formar enlaces de hidrógeno con átomos electronegativos, tiene la capacidad de disolver sustancias iónicas y polares. Las sales, como el cloruro de sodio (NaCl), están unidas por fuerzas iónicas. Un aspecto crucial de las interacciones iónicas en solución acuosa es la hidratación de los iones. Debido a la polaridad de las moléculas de agua, son atraídas hacia los iones cargados, como el Na+ y el Cl-. Las moléculas de agua forman capas de hidratación alrededor de los iones, conocidas como esferas de solvatación. Esta hidratación reduce la fuerza de atracción entre los iones y permite que las especies cargadas se disuelvan en agua. La constante dieléctrica del agua indica su capacidad para reducir las fuerzas de atracción entre los iones. El agua, conocida como el solvente universal debido a su capacidad para disolver una amplia gama de sustancias iónicas y polares, tiene una constante dieléctrica muy alta.
Dado que las biomoléculas reconocen y se unen principalmente a través de fuerzas intermoleculares, como enlaces iónicos y otras interacciones electrostáticas, se evita la debilidad de estas interacciones excluyendo el agua de las superficies de interacción. Por ejemplo, la catálisis rápida de las moléculas de sustrato en los sitios activos de las enzimas, que a menudo involucra interacciones entre especies cargadas, es posible gracias a la exclusión del agua de la superficie catalítica.
Además, en agua se disuelven moléculas orgánicas con grupos ionizables y muchas moléculas orgánicas neutras con grupos funcionales polares, principalmente debido a la capacidad de formación de enlaces de hidrógeno del solvente. Estas asociaciones ocurren entre el agua y los grupos carbonilo de aldehídos y cetonas, así como los grupos hidroxilo de los alcoholes.
Moléculas hidrófobas
Cuando pequeñas cantidades de sustancias apolares se mezclan con agua, se excluyen de la red de solvatación del agua y se agrupan en gotitas, en un fenómeno conocido como efecto hidrófobo. Las moléculas hidrófobas, que presentan una "aversión al agua", como los hidrocarburos, son prácticamente insolubles en agua. La formación de gotitas (o en cantidades mayores, una capa separada) es el resultado de las propiedades disolventes del agua, no de una atracción relativamente débil entre las moléculas apolares que se asocian. Cuando las moléculas apolares ingresan a un entorno acuoso, las moléculas de agua unidas por enlaces de hidrógeno intentan formar una estructura en forma de caja alrededor de ellas.
Sin embargo, no hay suficiente energía disponible en el entorno para formar dicha estructura en forma de caja, lo que resulta en la expulsión de las moléculas apolares. La formación de gotitas ocurre debido a la configuración energéticamente más favorable de las moléculas de agua que las rodean. Las interacciones hidrófobas entre estas sustancias apolares excluidas tienen un impacto significativo en las células y son responsables principalmente de la estructura de las membranas y la estabilidad de las proteínas.
Moléculas anfipáticas
Una gran cantidad de biomoléculas llamadas anfipáticas contienen grupos polares y apolares, lo cual afecta significativamente su comportamiento en agua. Por ejemplo, los ácidos grasos ionizados son moléculas anfipáticas debido a la presencia de grupos carboxilato hidrófilos y grupos hidrocarbonados hidrófobos. Cuando se mezclan con agua, estas moléculas anfipáticas forman estructuras llamadas micelas. En las micelas, las cabezas polares, que son las especies cargadas (grupos carboxilato), se orientan hacia el agua, mientras que las colas hidrocarbonadas apolares quedan protegidas en el interior hidrófobo.
La tendencia de las biomoléculas anfipáticas a reagruparse espontáneamente en agua es una característica importante de numerosos componentes celulares. Por ejemplo, un grupo de moléculas de fosfolípidos formadoras de bicapas es la característica estructural básica de las membranas biológicas.