L'acqua

L'ACQUA

L'acqua prevale ogni parte della cellula ed è il mezzo di trasporto in cui avvengono il trasporto delle sostanze nutrienti, le reazioni catalizzate da enzimi del metabolismo ed il trasferimento dell'energia chimica. La molecola d'acqua è formata da un atomo d'ossigeno e due atomi d'idrogeno. Ogni atomo d'idrogeno di una molecola d'acqua condivide una coppia gli elettroni con l'atomo d'ossigeno. Il legame H-O-H ha un angolo di 104.5° poco meno dei 109.5° di un tetraedro perfetto. Il nucleo dell'ossigeno attrae gli elettroni molto più fortemente del nucleo dell'idrogeno, infatti, l'ossigeno è più elettronegativo. La distribuzione degli elettroni in compartecipazione tra H e O non è simmetrica, e porta alla formazione di due dipoli elettrici della molecola d'acqua, uno lungo ciascuno dei legami H-O, l'atomo d'ossigeno ha dunque una parziale carica negativa mentre i due atomi d'idrogeno una parziale carica positiva. L'attrazione elettrostatica tra l'atomo d'ossigeno di una molecola d'acqua e un atomo d'idrogeno di un'altra costituisce il legame idrogeno. I legami idrogeno non sono una prerogativa dell'acqua. Essi si possono formare facilmente tra un atomo elettronegativo e un atomo d'idrogeno legato covalentemente ad un altro atomo elettronegativo. Le biomolecole non cariche, ma polari come gli zuccheri, si sciolgono facilmente in acqua per l'effetto stabilizzante dei legami d'idrogeno che si formano tra i gruppi ossidrilici e di atomi d'ossigeno carbonilici dello zucchero e le molecole polari dell'acqua. L'acqua è un solvente polare.

Essa dissolve facilmente la maggior parte delle biomolecole, cariche o polari, i composti che si sciolgono in acqua sono detti idrofili. I composti non polari come il benzene, l'esano e l'etano sono idrofobici e non sono in grado di generare interazioni favorevoli con le molecole d'acqua. I composti anfipatici contengono nella loro molecola, regioni non polari e polari. Quando i composti anfipatici sono mescolati in acqua la regione polare o carica interagisce favorevolmente e tende a dissolversi, mentre la regione non polare ha la tendenza opposta, cioè evita il contatto con l'acqua. Le strutture stabili che assumono i composti anfipatici in acqua, chiamati micelle, possono contare centinaia e migliaia di molecole. I legami che tengono unite le regioni non polari vengono dette interazioni idrofobiche. Le interazioni di van der Waals, sono attrazioni interatomiche deboli. Quando due atomi non carichi sono vicini, le loro nuvole elettroniche si influenzano vicendevolmente. La variazioni casuali della posizione degli elettroni di entrambe provocano due dipoli. I due dipoli si attraggono debolmente portando più vicino i nuclei. Man a mano che i nuclei si avvicinano, le due nuvole elettroniche si respingono. I nuclei quindi non possono avvicinarsi oltre certe lunghezze che vengono dette contatti di van der Waals.

Le macromolecole come proteine, DNA e RNA, contengono tanti siti potenziali per la formazione di legami idrogeno o ionici, interazioni di van der Waals o idrofobiche. L'effetto cumulativo di tutte queste piccole forze di legame diventa enorme. La struttura più stabile della maggior parte delle proteine è quella in cui tutte o quasi tutte le possibilità di formazioni di legami deboli sono soddisfatte. Le molecole d'acqua hanno una piccola tendenza a ionizzarsi reversibilmente per formare ioni idrogeno e ioni ossidrilici secondo l'equilibrio: H O ----- H  + OH .

Quando le concentrazioni di H  e di OH sono uguali come nell'acqua allo stato puro, la soluzione ha pH neutro. Quando la concentrazione di ioni H è molto elevata, come in una soluzione di acido cloridrico, la concentrazione di OH diventa molto bassa e viceversa. Questa alternanza forma la scala del pH, che va da 0 a 14. Quindi un valore di pH pari a 7 identifica le soluzioni neutre. Quando il pH è superiore a 7, le soluzioni sono basiche (+ OH ), mentre con pH inferiore a 7 sono acide (+ H ). Gli acidi possono essere definiti come donatori di protoni e le basi come accettori di protoni. Un domatore di protoni e il suo corrispondente accettore di protoni formano una coppia acido-base coniugata. Più l'acido è forte, maggiore è la tendenza a perdere protoni e di formare la sua base coniugata.

Le cellule e gli organismi mantengono il pH ad uno valore costante, intorno al 7. negli organismi multicellulari il pH dei fluidi extracellulari è finemente regolato mediante tamponi biologici: miscele di acidi deboli e le loro basi coniugate.