Molecola acqua

L'acqua è una molecola biologica di primaria importanza. Ma...inodore, incolore, insapore: una noia, non è vero? Ebbene no! L'acqua è caratterizzata da una struttura unica che le conferisce due principali proprietà biologiche, ovvero la polarità e il legame idrogeno. Nei prossimi paragrafi potrai analizzare in maniera approfondita questi aspetti. Vedrai, con le spiegazioni di StudySmarter, studiare sarà come bere un bicchier d'acqua!

Perché l'acqua è considerata una molecola polare?

Ricordi che la struttura chimica dell'acqua è H₂O? Ciò significa che una singola molecola d'acqua è costituita da un atomo di ossigeno (O) unito a due atomi di idrogeno (H-O-H) tramite elettroni condivisi che formano un legame covalente. La condivisione di questi elettroni tra gli atomi non è uniforme, perché gli atomi di ossigeno attraggono gli elettroni più fortemente di quanto facciano gli atomi di idrogeno. Di conseguenza, gli atomi di idrogeno hanno una carica leggermente positiva (δ+), mentre l'atomo di ossigeno, che possiede anche elettroni negativi non condivisi, ha una carica leggermente negativa (δ-). Pertanto, possiamo dire che l'acqua è una molecola polare perché ha una regione parzialmente caricata positivamente da un lato e una regione parzialmente caricata negativamente dall'altro.

Figura 1. Diagramma a sfera e a bastoncino di una molecola d'acqua.

I legami a idrogeno nella molecola d'acqua

Gli atomi di ossigeno parzialmente carichi negativamente sono attratti dagli atomi di idrogeno con una carica parzialmente positiva. Questa attrazione costituisce un legame a idrogeno. I legami a idrogeno si rompono e si riformano in continuazione; pertanto, in numero ridotto, possono essere deboli. Tuttavia, quando sono numerosi, i legami a idrogeno formano una struttura forte che contribuisce alle preziose proprietà dell'acqua.

Figura 2. Legame a idrogeno tra due molecole d'acqua.

Caratteristiche e funzioni delle molecole d'acqua

Di seguito andiamo ad analizzare le caratteristiche e le funzioni delle molecole d'acqua in modo schematico.

Metabolita. L'acqua agisce come metabolita in molte reazioni metaboliche, tra cui la condensazione e l'idrolisi. Ad esempio, la condensazione degli amminoacidi porta alla formazione di diversi importanti enzimi (proteine).

Solvente. L'acqua è un solvente, ovvero permette ad alcune sostanze (come ossigeno, enzimi o zuccheri) di sciogliersi in essa. Poiché molte reazioni metaboliche avvengono in soluzione per consentire ai reagenti di sciogliersi, questa è una proprietà funzionale.

Trasporto dell'acqua. Le molecole d'acqua hanno una proprietà speciale chiamata coesione: si attaccano tra loro, favorendo il trasporto dell'acqua. La coesione è essenziale nelle piante, perché l'acqua si unisce per essere trascinata in colonne, attraverso i vasi xilematici, verso le diverse regioni della pianta. Inoltre, l'acqua può essere spostata all'interno e all'esterno delle cellule attraverso l'osmosi.

Controllo della temperatura. L'acqua può aiutare a controllare la temperatura, poiché ha un'elevata capacità termica specifica e un elevato calore latente di vaporizzazione.

Ogni funzione elencata verrà discussa in maniera dettagliata nei paragrafi seguenti.

In che modo le molecole d'acqua hanno la funzione di metaboliti?

Come discusso nell'articolo sulla bioenergetica, le reazioni metaboliche rappresentano quei processi chimici che avvengono all'interno degli organismi viventi per sostenere la vita. Molte di questi processi comportano una reazione di condensazione o idrolisi. L'acqua svolge un ruolo importante perché le reazioni di idrolisi utilizzano una molecola d'acqua per rompere un legame, come nel caso dell'energia rilasciata dalla molecola biologica ATP. Le reazioni di condensazione, invece, liberano una molecola d'acqua quando si forma un nuovo legame; un esempio è la reazione di condensazione che unisce gli amminoacidi per formare i polipeptidi.

In che modo l'acqua agisce come un buon solvente?

Dato che l'acqua è una molecola polare, altre sostanze polari legate covalentemente, come il glucosio e molti composti ionici, possono dissolversi in essa. Nel concreto, quando si immerge una sostanza X nell'acqua, lo ione negativo della sostanza X attrae la regione della molecola d'acqua con carica positiva, mentre lo ione positivo della sostanza X attrae la regione della molecola d'acqua con carica negativa. Gli ioni vengono così circondati, cioè si dissolvono.

Che cos'è il calore latente di vaporizzazione dell'acqua?

Quando l'acqua è esposta a un calore sufficiente, può evaporare. Tale processo coincide con quello di ebollizione dell'acqua. In primo luogo, l'energia termica viene trasferita alle molecole d'acqua, che si muovono a velocità più elevate. Dopo un po' di tempo, le molecole d'acqua avranno troppa energia per rimanere legate come un liquido. Per questo motivo, si trasformano in molecole gassose di vapore acqueo. Queste ultime salgono verso la superficie del liquido sotto forma di bolle, in modo da poter fuoriuscire e viaggiare nell'aria. Ora possiamo riprendere la definizione di calore latente di vaporizzazione in modo più dettagliato:

Per far evaporare l'acqua, dobbiamo impiegare molta energia (calore) per rompere i numerosi legami idrogeno tra le molecole. Quando una sostanza richiede molta energia per evaporare, essa ha un elevato calore latente di vaporizzazione. Ciò significa che possiamo usare l'acqua per controllare la temperatura. Ad esempio, gli esseri umani sudano per raffreddarsi e perdono solo una piccola quantità di acqua, poiché soltanto per produrre quel ridotto quantitativo di sudore viene impiegata molta energia.

In che modo le molecole d'acqua possono agire da tampone nei confronti delle variazioni di temperatura?

L'acqua ha un'elevata capacità termica specifica, ovvero è necessaria molta energia per aumentare la temperatura dell'acqua perché i legami idrogeno tra le molecole d'acqua possono assorbire molta energia. Di conseguenza, l'acqua agisce come un tampone, cioè resiste alle variazioni di temperatura più di altre sostanze.

Poiché la temperatura dell'acqua non cambia rapidamente, tale proprietà può essere utile negli organismi viventi. Ad esempio, l'acqua all'interno del nostro corpo tende a rimanere a una temperatura stabile, permettendoci di mantenere una temperatura interna costante. Un altro buon esempio sono gli habitat acquatici; la temperatura è probabilmente più stabile in acqua che sulla terraferma, il che li rende un ambiente ideale per alcuni organismi.

Perché la coesione e l'adesione dell'acqua sono proprietà funzionali?

Quando diciamo che l'acqua è coesiva, intendiamo dire che le molecole d'acqua tendono ad aderire tra loro perché sono polari. La forte coesione implica che l'acqua ha un'elevata tensione superficiale quando entra in contatto con l'aria, motivo per cui i pattinatori possono "camminare" sulla superficie dell'acqua. Questa proprietà di forte coesione permette anche all'acqua di scorrere, quindi è ideale per il trasporto di sostanze, ad esempio il movimento attraverso i vasi sanguigni degli animali o le colonne d'acqua nello xilema delle piante (il tessuto vegetale adibito al trasporto della linfa).

Mentre, come abbiamo visto, la coesione indica la capacità delle molecole d'acqua di legarsi tra loro, l'adesione si riferisce alla capacità dell'acqua di aderire ad altre sostanze. Utilizziamo lo stesso esempio dello xilema. L'acqua aderisce alle pareti dei vasi dello xilema, il che le consente di risalire la pianta verso le placche, dove evapora. Per saperne di più, consulta il nostro articolo sullo xilema.