L’acqua è la sostanza più abbondante in tutti gli esseri viventi, e rappresenta il 70% del peso di quasi tutti gli organismi. I bambini hanno una percentuale di acqua molto elevata mentre negli anziani la percentuale può scendere al 40%. Essa costituisce il 70% della massa muscolare e il 10% della massa grassa. Questo è il motivo per cui soggetti obesi hanno la tendenza a risultare disidratati.
Possiamo dividere l’organismo in due compartimenti:
- compartimento intracellulare;
- compartimento extracellulare.
L’acqua del compartimento extracellulare rappresenta il 38%, mentre quella del compartimento intracellulare il 62%. Questi valori possono incrementare a favore del compartimento intracellulare con l’allenamento. Fanno parte del compartimento extracellulare il plasma, la linfa, la saliva, i compartimenti liquidi dell’occhio, il liquido cefalorachidiano ed il sudore. La maggior parte del liquido perso con il sudore proviene dal compartimento extracellulare, in particolare dal plasma.
Proprietà chimiche
La formula chimica dell’acqua è H2O cioè due atomi di idrogeno legati ad uno di ossigeno. A temperatura ambiente l’acqua si presenta in forma liquida, questo è dovuto alla presenza di legami idrogeno. Alla pressone di una atmosfera il punto di fusione è a 0°C mentre il punto di ebollizione è a 100°C.
Ogni atomo di idrogeno condivide una coppia di elettroni con l’atomo di ossigeno. La geometria della molecola d’acqua è determinata dalla disposizione dei due orbitali esterni dell’ossigeno che descrivono un tetraedro. Un tetraedro perfetto forma un angolo di 109,5° mentre il legame H-O-H forma un angolo di 104,5°. Questa differenza la dobbiamo ad uno schiacciamento dovuto agli orbitali dell’ossigeno non impiegati in legami.
La distribuzione degli elettroni tra H+ e O2 non è simmetrica in quanto l’ossigeno è più elettronegativo dell’idrogeno e attrae con maggior forza gli elettroni. La distribuzione degli elettroni forma due dipoli elettrici lungo i legami H-O. Ogni atomo di idrogeno ha una parziale carica positiva mentre l’ossigeno una parziale carica negativa uguale alla somma delle cariche positive. L’attrazione elettrostatica che si genera è chiamata legame a idrogeno.
La disposizione quasi tetraedrica degli orbitali attorno all’ossigeno consente ad ogni molecola di acqua di formare legami a idrogeno con altre quattro molecole. In realtà allo stato liquido le molecole sono disordinate ed in continuo movimento per cui ogni molecola forma in media 3,4 legami idrogeno con le altre. Nel ghiaccio le molecole sono bloccate nello spazio e formano il maggior numero di legami possibili (quattro) con le molecole vicine.
Le molecole di acqua pura hanno la tendenza a ionizzarsi (generare ioni per rimozione o addizione di elettroni) reversibilmente. La ionizzazione forma un protone ed uno ione ossidrilico secondo l’equilibrio:
H2O ↔ H+ + OH–
Quando si forma lo ione H+ questo viene immediatamente idratato a ione idronio (H3O+).
Acqua come solvente
L’acqua è un solvente polare, cioè è in grado di sciogliere un soluto formando una soluzione. La maggior parte della biomolecole sono polari (hanno una carica parziale positiva su una parte della molecola e una parziale negativa sulla parte opposta) per cui sono solubili in acqua. Le molecole che vi si sciolgono sono dette idrofile.
Le molecole apolari come i lipidi e le cere non si sciolgono in acqua; queste sostanza vengono definite idrofobiche.
I gas come la CO2, l’O2, e N2 non sono polari. Questi gas hanno un importante ruolo negli organismi biologici, ma essendo apolari non sono disciolti nelle soluzioni acquose. Per aggirare il problema alcuni organismi hanno sviluppato sistemi che prevedono l’utilizzo di proteine trasportatrici solubili in acqua (mioglobina ed emoglobina). La CO2 nelle soluzioni acquose forma acido carbonico (H2CO3) e viene trasportato come ione HCO3 (bicarbonato) che è molto solubile in acqua.
Acqua come reagente
L’acqua non è solo un solvente in cui avvengono le reazioni chimiche delle cellule, ma spesso partecipa direttamente alle reazioni. Per esempio la formazione di ATP da ADP e Pi è una reazione di condensazione che elimina gli elementi dell’acqua. La reazione inversa, detta di idrolisi, è una scissione accompagnata da elementi dell’acqua.
L’acqua è il prodotto finale dell’ossidazione del glucosio (La respirazione aerobica); la sua formazione dovuta all’ossidazione dei nutrienti permette ad alcuni animali la sopravvivenza in ambienti aridi.
La CO2 prodotta viene convertita in bicarbonato in una reazione catalizzata dall’anidrasi carbonica:
CO2 + H2O ↔ HCO3 + H+
In questa reazione l’acqua non è solo un substrato, ma partecipa al trasferimento protonico.