Le peculiarità chimico-fisiche dell'acqua

Devo fare una ricerca per la scuola: vorrei sapere quali sono le proprietà chimico-fisiche dell'acqua e quali sono i vantaggi che queste determinano per gli esseri viventi.

Debora Bardella
20 luglio 2005
Occorre premettere che uno degli aspetti più importanti nella concezione biochimico-fisica degli esseri viventi è la dipendenza di tutti i processi biologici dall'acqua. Una biochimica del vivente basata su solventi non acquosi appare anche possibile ma alquanto improbabile; solo l'ammoniaca liquida potrebbe essere un potenziale candidato in sostituzione dell'acqua per alcune situazioni, ma con tante altre caratteristiche negative (tra cui l'instabilità e il ristretto campo di temperatura della forma liquida, da -78 °C a -33 °C).

Le "peculiari" proprietà chimico-fisiche dell'acqua risultano da una serie di eccezionalità possedute dalla singola molecola d'acqua e dai suoi stati di aggregazione. Tralascerò le proprietà dell'acqua a livello di singola molecola e concentrerò l'attenzione sulle proprietà molecolari esibite dall'acqua liquida soprattutto in relazione a quelle che emergono quando agisce da solvente di biomolecole. Quando si studia il comportamento chimico-fisico dell'acqua, la più strana e importante anomalia è certamente la dipendenza della sua densità in funzione della temperatura. In generale, la densità diminuisce all'aumentare della temperatura; per l'acqua, invece, si ha un massimo a 4 °C. Inoltre, il fatto che l'acqua congelandosi (cioè passando in fase solido di ghiaccio I, cioè il ghiaccio a struttura esagonale con densità 0.92 g/cc che comunemente otteniamo raffreddando l'acqua) a 0 °C abbia un aumento di volume (cioè una diminuzione di densità) è un altro fenomeno abbastanza raro, benché non unico (anche il germanio presenta la stessa fenomenologia). Tuttavia, assolutamente anomalo è il massimo di densità a 4 °C, che peraltro scompare se la variazione di volume in funzione della temperatura viene studiata a pressione elevata. Questo ci fa anche rilevare che il coefficiente di compressibilità (cioè la variazione di volume che si osserva con l'aumento di pressione, a una temperatura fissata) decresce con la temperatura fino a circa 46 °C, per poi aumentare. Per la maggior parte degli altri liquidi, il coefficiente di compressibilità aumenta monotonicamente con la temperatura. Inoltre (ma solo in relazione a quanto diremo qui, non potendo analizzare tutte le caratteristiche anomale dell'acqua), il valore del calore specifico dell'acqua è molto più elevato (circa il doppio) di quello che si osserva per altri liquidi “normali” o che si potrebbe calcolare utilizzando i contributi dei vari gradi di libertà molecolare. Infine, nel caso dell'acqua, il valore del calore specifico della fase liquida è quasi tre volte di quello del vapore e poco più del doppio di quello del ghiaccio. Quindi, l'acqua liquida è anomala rispetto al comportamento degli altri liquidi e anche rispetto al suo stesso comportamento in fase vapore.

Per quanto riguarda l'equilibrio liquido-vapore e quello liquido-solido, l'acqua ha valori elevati delle temperature di fusione e di ebollizione (0 °C e 100 °C, rispettivamente alla pressione normale). Questi valori vanno comparati con quelli di molecole di dimensioni simili che sono in condizioni normali tutti in fase gassosa. Per la fase solida occorre dire che oltre all'anomalia menzionata per il ghiaccio I va anche menzionata la grande varietà di altre forme cristalline (polimorfi) di ghiaccio (ce ne sono "forse" più di dodici), tra cui una, ghiaccio X (dieci) ha la densità "pazzesca" di 2,51 g/cc!

È ovvio che queste proprietà debbano risultare da qualche caratteristica particolare della molecola d'acqua. Anche senza scendere nei dettagli, occorre menzionare il ruolo dei diversi atomi componenti la molecola (due atomi di idrogeno e uno di ossigeno) che conferiscono alla struttura molecolare capacità di avere interazioni non-covalenti forti e altamente direzionali (leggasi momento di dipolo e legami idrogeno). Queste interazioni possono stabilirsi con altre molecole di acqua determinando la formazione di strutture particolari con ordine a grandi distanze come nel ghiaccio solido, oppure con ordine solo locale e fortemente dinamiche come nell'acqua liquida.

Lo studio di queste strutture transienti è stato quasi un fatto di moda negli anni 1960-1970. Forse pochi ricordano che in quegli anni furono persino pubblicati alcuni lavori di carattere sperimentale e anche teorico su una forma ipotetica di acqua polimerica (poliacqua) che avrebbe dovuto formarsi attraverso il concatenamento lineare di molecole d'acqua. Fu poi dimostrato che gli esperimenti erano sbagliati, e che le predizioni teoriche della struttura della poliacqua erano quanto meno azzardate! In tempi più recenti, la possibilità che le strutture transienti formate dall'acqua potessero stabilizzarsi conservando la memoria della forma di altre molecole precedentemente disciolte (nel caso specifico, anticorpi) fu persino pubblicata su “Nature” (prestigiosa rivista!?) provocando un coro di protesta di tutta la comunità scientifica. Anche questi esperimenti, ripetuti in vari laboratori incluso quello dell'autore originale, si dimostrarono errati.

La divagazione di cui sopra non è stata fatta per solo amore di cronistoria, ma per sottolineare ancora una volta il carattere "dinamico" della formazione di aggregati di molecole di acqua più o meno strutturati. Negli anni passati il termine comune era flickering cluster. Fermo restando che le trasformazioni di tale aggregati nell'acqua avvengono in tempi dell'ordine di frazioni di picosecondi, la domanda si sposta a quello che succede quando l'acqua è il solvente che scioglie molecole e macromolecole, come ad esempio nei sistemi biologici.

A livello molecolare la maggior parte dei processi vitali dipendono da interazioni tra le macromolecole che compongono le cellule nell'organismo. Il fenomeno che, però, distingue le macromolecole biologicamente attive dagli altri polimeri è che il loro funzionamento nei processi vitali dipende in modo specifico dalle strutture tridimensionali che sono stabilizzate da diversi tipi di interazioni non-covalenti, inclusi i legami idrogeno. Queste strutture vengono dette native e sono estremamente sensibili a variazioni di temperatura, pressione e composizione del solvente (acqua). Variazioni di pH, di concentrazione di elettroliti o di non elettroliti possono indurre variazioni strutturali notevoli, fino a inattivare le strutture native. Anche le funzioni biologiche sono associate a piccole variazioni conformazionali che dallo stato nativo portano ad uno stato funzionale “attivo” che è in grado di ritornare successivamente in modo reversibile allo stato nativo.

In questo quadro, almeno due aspetti vanno esaminati: quello "statico" della termodinamica classica dei sistemi all'equilibrio e quello dinamico delle trasformazioni veloci. Per il primo aspetto, sono proprio le peculiari proprietà dell'acqua a determinare la stabilità delle strutture biologiche (membrane delle cellule, doppia elica del DNA, forma delle proteine globulari) e il decorso di tutti i fenomeni connessi. Il gioco delle interazioni tra molecole d'acqua e gruppi idrofilici delle proteine assicura, ad esempio, che esse possano mantenere la struttura predeterminata in un opportuno intervallo di temperatura (ad alta temperatura denaturano) e in presenza di una opportuna concentrazione di sali. Lo stesso vale per il DNA e tante altre biomacromolecole. La termodinamica di questi sistemi biologici è stata studiata approfonditamente e le regole del comportamento sono oramai abbastanza chiare.

Diverso è il problema dinamico. Se l'acqua fosse stabilmente strutturata, come un solido cristallino o un vetro, le trasformazioni cellulari, le reazioni enzimatiche, verrebbero a essere bloccate. L'acqua partecipa, al contrario, in modo attivo e "veloce" a tutti questi processi. In alcuni è parte attiva nelle reazioni chimiche, in altri plasticizza i moti dinamici e permette letteralmente il "respiro" delle molecole dei sistemi viventi.

Vorrei terminare con quella osservazione banale (ma di buon senso) che viene spesso riportata su molti testi delle scuole medie: il fatto che l'acqua abbia un alto valore del calore specifico (quindi accumula energia termica) e che il ghiaccio sia più leggero dell'acqua rende possibile a un mare nordico di ghiacciare solo in superficie e mantenere in vita le forme viventi sotto lo strato di ghiaccio. E questo non è poco. Certo, gli organismi che sopravvivono in quelle condizioni hanno delle particolari glicoproteine… ma questa è un'altra storia.

Bibliografia Ci sono moltissimi testi che trattano dell'acqua e del suo ruolo nei sistemi biologici, quasi tutti in inglese, così come i siti web con un certo contenuto scientifico. Il riferimento più importante per il ricercatore resta l'opera monumentale di Felix Franks dal titolo Water. Lo stesso autore ha pubblicato un libretto di un centinaio di pagine con lo stesso titolo (pubblicato dalla Royal Society of Chemistry, UK) e successivamente (nel 2000) un altro testo dal titolo emblematico Water: a matrix of life. In italiano c'è il capitolo Poliacqua, ovvero l'errore nell'era post-accademica della scienza di Pietro Greco, in “Nuova Civiltà delle macchine”. La scienza e l'errore, Edizioni RAI-ERI, Roma 2000, che ritengo faccia riferimento al libro di Felix Franks, Poliacqua: storia di una falsa scoperta scientifica con introduzione di Paolo Rossi, pubblicato da Il Saggiatore nel1983.

È da dire che l'argomento "acqua" appare anche in molti siti italiani ma molti sono di dubbia validità scientifica. Tra i siti italiani consigliati, il tema acqua è stato trattato da Ulisse e appare in Tutto quello che, Acqua azzurra ... acqua chiara Inoltre, si può consultare Wikipedia. Il sito web Water structure and behaviour di Martin Chaplin, con tutti i suoi riferimenti bibliografici, è una ottima sorgente. Nello stesso sito si trovano le strutture dei polimorfi del ghiaccio e il relativo diagramma di fase.

Attilio Cesaro Università di Trieste

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