bioquímica y biología molecular

          La solubilidad depende de las  propiedades de un solvente que le permitan interaccionar con un soluto de manera más fuerte que como lo hacen las partículas del solvente unas con otras. Es de todos conocido que el agua es “el solvente universal”, pero esto no es del todo cierto; el agua ciertamente disuelve muchos tipos de substancias y en mayores cantidades que cualquier otro solvente. En particular, el carácter polar del agua la hace un excelente solvente para los solutos polares e iónicos, que se denominan hidrofílicos (del griego hydor, agua yphilos, amante). Por otra parte, los compuestos no polares son virtualmente insolubles en agua (“el agua y el aceite no se mezclan”) y por lo tanto, son hidrofóbicos (del griego fobos, temer). Los compuestos apolares, son solubles en solventes no polares como el CCL₄ (tetracloruro de Carbono) o el hexano. Lo anterior puede resumirse en: “lo semejante disuelve a lo semejante”

¿Porqué las sales se disuelven en el agua? Las sales, como el NaCl (cloruro de sodio) o el K₂HPO₄ (fosfato ácido de potasio), se mantienen unidas por fuerzas iónicas. Los iones de una sal, como lo hacen cargas cualesquiera, interactúan de acuerdo a la ley de Coulomb:

                                      (1)

en donde F es la fuerza entre las dos cargas eléctricas (q₁ y q₂), que están separadas por una distancia r. D es la constante dieléctrica del medio entre las cargas y k es una constante de proporcionalidad (8.99 x 10⁹ J·m·C^-2).

A medida que la constante dieléctrica del medio crece, la fuerza entre las cargas decrece. La constante dieléctrica, es una medida de las propiedades de un solvente para mantener cargas opuestas separadas. En el vacío,  D = 1 y en aire, es apenas un poco mayor. En la siguiente Tabla, se muestra la constante dieléctrica de algunos solventes comunes, así como sus momentos dipolares permanentes.

Solvente                 Constante            Momento                                 dieléctrica               dipolar                                       (D)                     (debye)

Formamida                  110.0                        3.37 Agua                              78.5                        1.85 Dimetil sulfóxido            48.9                        3.96  Metanol                          32.6                       1.66 Etanol                             24.3                       1.68 Acetona                          20.7                       2.72 Amoniaco                       16.9                       1.47 Coloroformo                     4.8                       1.15 Eter dietílico                     4.3                       1.15 Benceno                           2.3                       0.00 CCL4                                 2.2                       0.00 Hexano                             1.9                       0.00

Tabla: Valores de constante dieléctrica y momento dipolar para algunos líquidos.

          La constante dieléctrica del agua es la más alta de un líquido puro, por el contrario, la de solventes no polares como los hidrocarburos, es relativamente pequeña. La fuerza entre dos iónes separados por una distancia dada en un líquido no polar como hexano o benceno, es 30  ó 40 veces mayor que en agua. Consecuentemente, en solventes no polares (con Dbaja), los iones de cargas opuestas, se atraen tan fuertemente que forman una sal, por el contrario, las fuerzas débiles que existen entre los iones en agua (D alta), permiten que cantidades significativas de iones permanezcan separadas.

          Un ion negativo inmerso en un solvente polar, atrae la parte positiva del dipolo del solvente y viceversa, por ejemplo, en el agua:

                                                        -         anión

                                                                        H+  d+           

                                                              H⁺

                                                                                           d+                   O

                             

                                                                                                     d-

                                                                                                              +                  cation

           

Figura: representación de la orientación de aniones y cationes en solución acuosa

          El ion queda rodeado por capas concéntricas de moléculas de solvente. A este fenómeno se le denomina solvatación, en el caso específico del agua, hidratación. Este arreglo atenúa las fuerzas coulómbicas entre los iones, de ahí que los solventes polares tengan constantes dieléctricas tan elevadas.

En el caso particular del agua, la constante dieléctrica es mayor que la de otros líquidos con momentos dipolares comparables, por que los puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua permiten que los solutos se orienten de tal forma que las estructuras formadas resisten movimientos causados por el incremento en la temperatura, por lo cual, la distribución de cargas en mucho más efectiva.

La solubilidad de las moléculas polares o iónicas en el agua, depende de los grupos funcionales que contengan para formar puentes de hidrógeno: hidroxilos (-OH), ceto (-C=O), carboxilo (-COOH) o amino (-NH₂). Dentro de las biomoléculas solubles en agua se encuentran alguna proteínas, ácidos nucléicos y carbohidratos.

El agua como solvente

Dentro de los sistemas vivos, muchas sustancias se encuentran en solución acuosa. Una solución es una mezcla uniforme de moléculas de dos o más sustancias. La sustancia presente en mayor cantidad, que es habitualmente líquida, se llama solvente, y las sustancias presentes en cantidades menores se llaman solutos. La polaridad de las moléculas de agua es la responsable de la capacidad solvente del agua. Las moléculas polares de agua tienden a separar sustancias iónicas, como el cloruro de sodio (NaCl), en sus iones constituyentes. Las moléculas de agua se aglomeran alrededor de los iones con carga y los separan unos de otros.

Este diagrama muestra al cloruro de sodio (NaCl) disolviéndose en el agua a medida que las moléculas de ésta se aglomeran alrededor de los iones individuales sodio y cloruro separándolos unos de otros. Nótese la diferencia entre el modo en que las moléculas de agua están dispuestas alrededor de los iones sodio y la manera en que se disponen alrededor de los iones cloruro.

Dada la polaridad de sus moléculas, el agua puede servir como disolvente para sustancias iónicas y moléculas polares.

Muchas de las moléculas importantes en los sistemas vivos que presentan uniones covalentes, como los azúcares, tienen regiones de carga parcial positiva o negativa. Estas moléculas, por lo tanto, atraen moléculas de agua y también se disuelven en agua. Las moléculas polares que se disuelven rápidamente en agua son llamadas hidrofílicas ("que aman al agua''). Estas moléculas se disuelven fácilmente en agua porque sus regiones parcialmente cargadas atraen moléculas de agua tanto o más que lo que se atraen entre sí. Las moléculas polares de agua compiten de este modo con la atracción existente entre las moléculas de soluto.

Moléculas tales como las grasas, que carecen de regiones polares, tienden a ser muy insolubles en el agua. Los puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua actúan como una fuerza que excluye a las moléculas no polares. Como resultado de esta exclusión, las moléculas no polares tienden a agruparse en el agua, al igual que las gotitas de grasa tienden a juntarse, por ejemplo, en la superficie del caldo de gallina. Dichas moléculas son llamadas hidrofóbicas ("que tienen aversión por el agua") y los agrupamientos se producen por interacciones hidrofóbicas.