I. EL MEDIO AMBIENTE DE LA VIDA, EL AGUA Y LAS SOLUCIONES

LA VIDA transcurre en el agua, se inici� en ella. Cuando los seres vivos, formados originalmente en mares y lagos, salieron de ellos, llevaron consigo el agua y la mantuvieron en su interior a toda costa. Aun en los desiertos, animales y plantas conservan en su interior un medio acuoso en el que viven sus c�lulas. Si la proporci�n de agua disminuye por debajo de ciertos l�mites, estas c�lulas mueren.

Las membranas de las c�lulas sumergidas en estos medios acuosos separan realmente soluciones en las que hay az�cares, sales y un sin n�mero de mol�culas que se requieren para la vida. Las soluciones y el agua misma tienen funciones particulares que tienen mucho que ver con la estructura y la funci�n de las membranas; por tanto es conveniente saber c�mo est�n organizadas. Es muy importante entender, por ejemplo, c�mo es que la membrana constituye una barrera efectiva entre diversas soluciones, que a fin de cuentas representan conjuntos de mol�culas, y es interesante conocer las reglas m�s sencillas y generales que rigen su conducta y sus interrelaciones. Despu�s de todo, las mol�culas resultan de la combinaci�n de �tomos, y sus propiedades se explican mediante leyes simples de comportamiento que a su vez tienen origen en la distribuci�n de los electrones de los �tomos que se combinan para formularlas. Por esto es importante revisar primero las caracter�sticas generales de las uniones entre los �tomos, partiendo de los diferentes tipos de valencias que existen.

C�MO SON LOS �TOMOS Y MOL�CULAS

Los �tomos tienen la tendencia natural a unirse entre s� para formar mol�culas, que obedece a reglas sencillas. La valencia, o capacidad de combinaci�n de los �tomos, resulta de la necesidad que tienen los �tomos de "completar" sus �rbitas externas, perdiendo o ganando electrones, dependiendo de lo que les resulte m�s sencillo. Un �tomo de hidr�geno, por ejemplo, tiene espacio en su �rbita m�s externa para aceptar dos electrones. Con frecuencia se une a otros �tomos "perdiendo" el �nico electr�n que posee, conservando un simple prot�n como n�cleo. Aunque los protones no existen en forma libre, pues se asocian con otras mol�culas como las del agua; en principio �sta es la situaci�n cuando reacciona, por ejemplo, el hidr�geno con el cloro. Pero tambi�n puede completar su �rbita aceptando un electr�n de otro �tomo. Un �tomo de ox�geno, que tiene 6 electrones en su �rbita m�s externa, al combinarse con otros elementos completar�a su �rbita m�s externa con dos m�s, por lo que suele unirse a otros tratando de completar esa "�rbita" o nivel externo. De estas uniones, entre otras cosas, resultan distribuciones uniformes o desiguales de los electrones, que se traducen en la formaci�n de sustancias que pueden tener o no cargas el�ctricas, o cuando menos "polos" el�ctricos que dan lugar a atracciones o repulsiones entre ellas, siguiendo la simple ley de los signos: cargas opuestas se atraen y cargas del mismo signo se repelen. En las mol�culas grandes o en algunos grupos de ellas, estas atracciones y repulsiones pueden ser de extraordinaria importancia, pues con frecuencia son la raz�n y origen de estructuras de gran importancia; uno de estos casos es el de las membranas biol�gicas.

ENLACES I�NICOS

Uno de los casos de uni�n entre dos �tomos es el de elementos que se encuentran muy separados entre s� en la tabla peri�dica de los elementos, como puede ser el caso del sodio (Na) y el cloro (Cl), que est�n en lados opuestos de la tabla. Como se muestra en la Figura 4, al Cl s�lo le falta un electr�n en su �rbita m�s externa para completarla con ocho, como n�mero m�ximo permitido. El caso del Na es el opuesto; este �tomo s�lo tiene un electr�n en su �ltima �rbita, y la manera m�s simple de completarla consiste en deshacerse de ese solo electr�n.

Es tal la tendencia de estos dos elementos a completar as� sus �rbitas m�s externas, que la reacci�n entre ellos es extremadamente violenta. Como se muestra en la figura, al final de esa reacci�n resulta lo que se conoce como dos iones, es decir, los dos mismos �tomos, pero con una carga neta cada uno que resulta de la p�rdida o ganancia de un electr�n, seg�n el caso. El i�n sodio (Na⁺) es el mismo �tomo, pero ha perdido el �nico electr�n que ten�a en su �ltima �rbita, y el i�n cloruro (C^-) es tambi�n el mismo �tomo de cloro, pero ahora contiene un electr�n adicional en su �ltima �rbita, que obtuvo de la reacci�n con el sodio. Inclusive cambia la forma de representarlos, y el n�mero y signo de sus cargas se representa a un lado y arriba del s�mbolo del elemento original. El enlace que ahora mantiene unidos a los dos �tomos es el llamado enlace i�nico, y no es otra cosa que la atracci�n resultante de la diferencia de signos en la carga de ambos. Aunque el Na⁺ y el Cl^- se encuentran firmemente unidos en los cristales de cloruro de sodio (NaCl), no lo est�n cuando se disuelven en el agua, por que hay una movilidad e intercambio constante entre los iones de signos contrarios que est�n en contacto unos con otros.

Figura 4. En la uni�n del sodio, NA, con el cloro, Cl, el primero pierde un electr�n que gana el segundo. El resultado es ion sodio, Na+, y el ion clouro, Cl-, que se mantienen unidos por la diferencia de signos en su n�cleo.

ENLACES COVALENTES

Hay casos en que se unen �tomos iguales entre s�; por ejemplo dos �tomos de hidr�geno que se unen para formar una mol�cula (H₂). Dado que la atracci�n que ambos n�cleos ejercen sobre los electrones es la misma, el resultado es que ambos �tomos "comparten" sus electrones, y se mueven ambos alrededor de dos n�cleos.

En el caso, por ejemplo, de los enlaces de carbono con el hidr�geno, cada enlace entre los �tomos se une por la participaci�n de dos electrones, proporcionados por cada uno de los �tomos que participan en la uni�n, y la situaci�n es semejante, tambi�n aqu� los �tomos "comparten" los electrones, y �stos se mueven uniformemente alrededor de ambos (Figura 5). Este tipo de enlace es llamado covalente, y en �l no hay diferencia en la distribuci�n de los electrones, ni separaci�n de los �tomos, que se mantienen unidos constantemente.

Figura 5. La estructura del metano (CH₄). En cada uno de los enlaces, los electrones se comparten por el �tomo de carbono y los de hidr�geno, de modo que no hay tendencia a que experimenten m�s atracci�n hacia ninguno de ellos.

�C�MO ES EL AGUA?

Hay casos intermedios en los que es dif�cil hablar de un enlace covalente puro, o de un enlace i�nico, que se presenta cuando se unen elementos que tienen una diferente capacidad para atraer a los electrones (electronegatividad), pero no al grado de que uno tome los electrones del otro ni viceversa. Esto es lo que sucede con la mol�cula de agua, constituida, como todos sabemos, por un �tomo de ox�geno y dos de hidr�geno (H₂O). En la mol�cula de agua cada enlace tambi�n es covalente; en cada uni�n del ox�geno con el hidr�geno se "comparten" dos electrones, provenientes de los �tomos participantes, uno del ox�geno y uno del hidr�geno. Sin embargo, como se muestra en la Figura 6, los electrones no se comparten equitativamente; el ox�geno, que tiene una mayor electronegatividad, los atrae con mayor fuerza y los disfruta por mayor tiempo. Esto da como resultado que se constituya una especie de carga negativa, aunque incompleta en el ox�geno, y que, por otra parte, se genere una deficiencia de carga en las dos zonas del hidr�geno.

Figura 6. El caso del agua, H²O, es diferente. Los electrones son atra�dos con mayor intensidad por el ox�geno que por el hidr�geno. El ox�geno se vuelve as� ligeramente negativo y los hidr�genos ligeramente positivos.

Adem�s, la distribuci�n de los �tomos en el espacio es la que se muestra en la misma Figura 6; las uniones del ox�geno con los hidr�genos parten hacia un solo lado del �tomo, pero se abren formando un �ngulo de 109�. Sucede as� que en la mol�cula se establecen dos polos negativos que l�gicamente se convierten en uno hacia el extremo donde se encuentra el ox�geno, y dos positivos hacia los hidr�genos. �sta es la disposici�n general que da lugar a las llamadas mol�culas polares, y que en el caso del agua hace que sus mismas mol�culas se organicen como se muestra en la Figura 7, gracias a la atracci�n que ejercen mutuamente los polos negativos y los positivos.

Figura 7. Representaci�n de la "estructura" de las mol�culas en el agua. Aunque hay una gran movilidad, pues el agua es un l�quido, las porciones negativas son atra�das por las positivas de otras, impidiendo que se separen y pasen al estado gaseoso que le corresponder�a por su tama�o. La estructura, de hecho, es m�s complicada.

De aqu� resultan propiedades del agua que son diferentes a las de mol�culas de tama�o semejante como el metano (CH₄). Entre las sustancias qu�micas, por ejemplo, el estado f�sico depende en gran parte del peso molecular; mientras m�s grande es una mol�cula, m�s se va acercando al estado s�lido. Es as� que el metano (CH₄), el NH₃ y mol�culas de ese tama�o, son gases a�n a temperaturas bajas. El agua, en la cual sus mol�culas se atraen entre s�, tiene un punto de ebullici�n (pasa al estado gaseoso) de 100�C al nivel del mar. Si el agua no tuviera "polos" de diferente signo, ser�a tambi�n un gas, pues sus mol�culas tender�an a separarse al predominar su energ�a cin�tica sobre la atracci�n que ejercen unas por otras.

Hay muchas otras mol�culas no polares, como la gasolina y otros combustibles, los aceites y grasas minerales, que no ejercen atracci�n importante unas por las otras, que son l�quidas a la temperatura ambiente a partir de aquellas de 6 o 7 �tomos de carbono, y una de sus propiedades importantes es que no se pueden disolver en el agua. La ausencia de polos en estas sustancias evita que se puedan intercalar con las mol�culas del agua, pues �stas, atra�das unas por otras, impiden que las dem�s se coloquen entre ellas y las "exprimen" fuera del seno de las soluciones.

Hay pues compuestos i�nicos y polares que pueden interactuar unos con otros porque sus cargas positivas o negativas o su polaridad les dan esta posibilidad. Dentro de este grupo se encuentran pr�cticamente todas las sales, los �cidos y las bases o �lcalis. Tambi�n son polares todos los az�cares y amino�cidos, as� como un sinn�mero de sustancias que existen en la naturaleza.

Por otra parte, hay sustancias apolares que, al no tener cargas en sus mol�culas, s�lo pueden interactuar unas con otras, pero de ninguna manera con las polares, que las expulsan de su seno. Todo esto es fundamental para entender una cuesti�n muy sencilla, que es la solubilidad de las sustancias.

SOLUBILIDAD. �QU� ES UNA SOLUCI�N?

La solubilidad es la propiedad que tienen las sustancias, gaseosas, l�quidas o s�lidas, de intercalar sus mol�culas con las de un solvente (el l�quido en que se disuelven). Como ya se mencion� en la secci�n anterior, depende en gran parte de las caracter�sticas relativas de polaridad de la sustancia que se disuelve, que se llama soluto, y las del solvente.

LA GASOLINA NO SE DISUELVE EN AGUA

Ya se mencionaron las razones de este fen�meno; las mol�culas del hidrocarburo, que no son m�s que cadenas de �tomos de carbono saturados de hidr�genos, no se pueden intercalar con las del agua, que se atraen fuertemente entre s�. La situaci�n es semejante para las grasas y aceites. Tampoco es posible, por lo tanto, disolver sales o az�cares en la gasolina. La atracci�n entre sus part�culas hace imposible que se separen y pasen al seno de los l�quidos apolares.

LAS SOLUCIONES EN AGUA

Tomemos el caso, por ejemplo, del cloruro de sodio en agua, tal vez la soluci�n m�s abundante de nuestro planeta, o del az�car en el agua. En el caso del cloruro de sodio, la disoluci�n tiene lugar porque cada uno de los iones, sea positivo o negativo, ejerce una atracci�n sobre la porci�n negativa o positiva, respectivamente, de las mol�culas de agua. �stas llegan a formar verdaderas capas alrededor de los iones, que realmente est�n separados y es as� como se intercalan con el agua. Cosa semejante sucede con otras mol�culas polares, como los az�cares. Las mol�culas tienen porciones polares que pueden interactuar y atraerse mutuamente con el agua. Ambos casos se representan esquem�ticamente en la Figura 8. Las soluciones acuosas de sustancias polares son el tipo m�s com�n de soluciones que hay, y como ejemplo ya mencionamos el caso del agua del mar. Pero esto tambi�n es cierto para las soluciones que encontramos en los seres vivos, como nuestros l�quidos corporales, l�grimas, saliva, jugo g�strico, orina, etc.; los l�quidos que ingerimos, como el caf�, t�, aguas frescas, etc., en su mayor parte son soluciones acuosas en las que los solutos son polares.

Figura 8. Representaci�n esquem�tica de las interacciones de un compuesto i�nico, el cloruro de sodio, y uno polar, un az�car, con el agua, cuando est�n en soluci�n.

�ES LA GASOLINA MEJOR SOLVENTE QUE EL AGUA?

Las sustancias que se disuelven en la gasolina deben ser las apolares; entonces, para decidir la pregunta planteada, basta hacer un recuento de las sustancias que conocemos y clasificarlas entre las polares o las apolares. El ejercicio puede ser largo, pero si enumeramos las sustancias que conocemos, podremos ver f�cilmente que es mucho mayor el n�mero de las polares, que deber�an ser solubles en agua, que el de las apolares, que ser�an solubles en gasolina. No hay siquiera punto de comparaci�n; por esta raz�n el agua es considerada como el solvente universal.

En resumen, las interacciones de las mol�culas se dan en gran parte debido a la distribuci�n electr�nica que poseen y que puede permitir la relaci�n de los compuestos polares o i�nicos con los de su mismo tipo. Por otra parte, hay tambi�n interacciones hidrof�bicas, pero �stas no son m�s que atracciones d�biles entre mol�culas apolares. La gasolina se separa del agua, no porque haya una atracci�n importante entre sus mol�culas, sino porque la fuerte atracci�n entre las mol�culas de agua rechaza y expulsa a las de gasolina. As� de simple. Este es un concepto de gran importancia, pues determina las interacciones de las mol�culas que constituyen a los seres vivos y define con frecuencia estructuras.