Molly Sargen
čísla Daniel Utter

voda tvoří 60-75% lidské tělesné hmotnosti. Ztráta pouhých 4% celkové tělesné vody vede k dehydrataci a ztráta 15% může být fatální. Stejně tak by člověk mohl přežít měsíc bez jídla, ale nepřežil by 3 dny bez vody. Tato zásadní závislost na vodě obecně řídí všechny formy života. Je zřejmé, že voda je životně důležitá pro přežití,ale co je tak nezbytné?

molekulární složení vody

mnoho rolí vody v podpoře života je způsobeno její molekulární strukturou a několika zvláštními vlastnostmi. Voda je jednoduchá molekula složená ze dvou malých, kladně nabitých atomů vodíku a jednoho velkého záporně nabitého atomu kyslíku. Když se vodíky vážou na kyslík, vytvoří asymetrickou molekulu s kladným nábojem na jedné straně a záporným nábojem na druhé straně (Obrázek 1). Tento rozdíl náboje se nazývá polarita a určuje, jak voda interaguje s jinými molekulami.

voda je „univerzální rozpouštědlo“

jako polární molekula voda nejlépe interaguje s jinými polárními molekulami, jako je sama. Je to kvůli jevu, kdy se protichůdné náboje navzájem přitahují: protože každá jednotlivá molekula vody má zápornou i pozitivní část, každá strana je přitahována k molekulám opačného náboje. Tato přitažlivost umožňuje vodě vytvářet relativně silná spojení, nazývaná vazby, s dalšími polárními molekulami kolem ní, včetně dalších molekul vody. V tomto případě se pozitivní vodík jedné molekuly vody spojí s negativním kyslíkem sousední molekuly, jejíž vlastní vodíky jsou přitahovány k dalšímu kyslíku a tak dále (Obrázek 1). Důležité je, že toto spojení způsobuje, že molekuly vody se drží pohromadě ve vlastnosti zvané soudržnost. Soudržnost molekul vody pomáhá rostlinám zabírat vodu u jejich kořenů. Soudržnost také přispívá k vysokému bodu varu vody, který pomáhá zvířatům regulovat tělesnou teplotu.

kromě toho, protože většina biologických molekul má určitou elektrickou asymetrii,jsou také polární a molekuly vody mohou vytvářet vazby s jejich pozitivními i negativními oblastmi a obklopovat je. Při obklopování polárních molekul jiné látky se voda kroutí do všech zákoutí mezi molekulami a účinně ji rozděluje a rozpouští. To se stane, když vložíte cukrové krystaly do vody: voda i cukr jsou polární, což umožňuje jednotlivým molekulám vody obklopit jednotlivé molekuly cukru, rozbít cukr a rozpustit ho. Podobně jako polarita jsou některé molekuly vyrobeny z iontů nebo opačně nabitých částic. Voda rozkládá tyto iontové molekuly také interakcí s kladně i záporně nabitými částicemi. To se stane, když vložíte sůl do vody, protože sůl se skládá z iontů sodíku a chloridu.

rozsáhlá schopnost vody rozpouštět různé molekuly jí vynesla označení „univerzální rozpouštědlo“ a právě tato schopnost činí vodu tak neocenitelnou život udržující silou. Na biologické úrovni pomáhá role vody jako rozpouštědla buňkám transportovat a používat látky, jako je kyslík nebo živiny. Roztoky na bázi vody, jako je krev, pomáhají přenášet molekuly na potřebná místa. Role vody jako rozpouštědla tedy usnadňuje transport molekul, jako je kyslík pro dýchání, a má zásadní vliv na schopnost léčiv dosáhnout svých cílů v těle.

voda podporuje buněčnou strukturu

voda má také důležitou strukturální roli v biologii. Vizuálně voda vyplňuje buňky, aby pomohla udržet tvar a strukturu (Obrázek 2). Voda uvnitř mnoha buněk (včetně těch, které tvoří lidské tělo) vytváří tlak, který je proti vnějším silám, podobně jako uvedení vzduchu do balónu. Nicméně i některé rostliny, které si mohou udržet svou buněčnou strukturu bez vody, stále vyžadují, aby voda přežila. Voda umožňuje, aby vše uvnitř buněk mělo správný tvar na molekulární úrovni. Protože tvar je rozhodující pro biochemické procesy, je to také jedna z nejdůležitějších rolí vody.

voda také přispívá k tvorbě membrán obklopujících buňky. Každá buňka na Zemi je obklopena membránou, z nichž většina je tvořena dvěma vrstvami molekul nazývaných fosfolipidy (obrázek 3). Fosfolipidy, stejně jako voda, mají dvě odlišné složky: polární „hlavu“ a nepolární „ocas“.“Díky tomu polární hlavy interagují s vodou, zatímco nepolární ocasy se snaží vyhnout vodě a místo toho vzájemně interagují. Při hledání těchto příznivých interakcí fosfolipidy spontánně vytvářejí dvojvrstvy s hlavami směřujícími ven směrem k okolní vodě a ocasy směřujícími dovnitř, s výjimkou vody. Dvojvrstva obklopuje buňky a selektivně umožňuje látkám, jako jsou soli a živiny, vstupovat a vystupovat z buňky. Interakce podílející se na tvorbě membrány jsou dostatečně silné, aby se membrány tvořily spontánně a nebyly snadno narušeny. Bez vody by buněčné membrány postrádaly strukturu a bez správné membránové struktury by buňky nebyly schopny udržet důležité molekuly uvnitř buňky a škodlivé molekuly mimo buňku.

kromě ovlivnění celkového tvaru buněk ovlivňuje voda také některé základní složky každé buňky: DNA a proteiny. Proteiny jsou produkovány jako dlouhý řetězec stavebních bloků zvaných aminokyseliny a musí se složit do určitého tvaru, aby správně fungovaly. Voda pohání skládání aminokyselinových řetězců, protože různé typy aminokyselin hledají a vyhýbají se interakci s vodou. Proteiny poskytují strukturu, přijímají signály a katalyzují chemické reakce v buňce. Tímto způsobem jsou proteiny pracovními koňmi buněk. Nakonec proteiny řídí kontrakci svalů, komunikaci, trávení živin a mnoho dalších životně důležitých funkcí. Bez správného tvaru by proteiny nebyly schopny tyto funkce vykonávat a buňka (natož celý člověk) by nemohla přežít. Podobně DNA musí být ve specifickém tvaru, aby její pokyny byly správně dekódovány. Proteiny, které čtou nebo kopírují DNA, mohou vázat pouze DNA, která má určitý tvar. Molekuly vody obklopují DNA uspořádaným způsobem, aby podpořily její charakteristickou konformaci s dvojitou šroubovicí. Bez tohoto tvaru by buňky nebyly schopny dodržovat pečlivé pokyny kódované DNA nebo předat pokyny budoucím buňkám, čímž by byl lidský růst, reprodukce a nakonec přežití nemožné .

chemické reakce vody

voda se přímo podílí na mnoha chemických reakcích, které vytvářejí a rozkládají důležité složky buňky. Fotosyntéza, proces v rostlinách, který vytváří cukry pro všechny formy života, vyžaduje vodu. Voda se také podílí na budování větších molekul v buňkách. Molekuly jako DNA a proteiny jsou tvořeny opakujícími se jednotkami menších molekul. K spojení těchto malých molekul dochází reakcí, která produkuje vodu. Naopak, voda je nutná pro reverzní reakci, která rozkládá tyto molekuly, což umožňuje buňkám získat živiny nebo znovu použít kusy velkých molekul.

voda navíc chrání buňky před nebezpečnými účinky kyselin a Zásad. Vysoce kyselé nebo zásadité látky, jako je bělidlo nebo kyselina chlorovodíková, jsou korozivní i pro ty nejodolnější materiály. Je to proto, že kyseliny a zásady uvolňují přebytečné vodíky nebo přebírají přebytečné vodíky z okolních materiálů. Ztráta nebo získání kladně nabitých vodíků narušuje strukturu molekul. Jak jsme se dozvěděli, proteiny vyžadují specifickou strukturu, aby správně fungovaly, takže je důležité je chránit před kyselinami a zásadami. Voda to dělá tím, že působí jako kyselina i báze (obrázek 4). Ačkoli chemické vazby v molekule vody jsou velmi stabilní, je možné, že se molekula vody vzdá vodíku a stane se OH -, tedy působí jako báze, nebo přijme jiný vodík a stane se H3O+, tedy působí jako kyselina. Tato přizpůsobivost umožňuje vodě bojovat proti drastickým změnám pH v důsledku kyselých nebo zásaditých látek v těle v procesu zvaném pufrování. Nakonec to chrání proteiny a další molekuly v buňce.

Závěrem lze říci, že voda je životně důležitá pro celý život. Jeho všestrannost a přizpůsobivost pomáhají provádět důležité chemické reakce. Jeho jednoduchá molekulární struktura pomáhá udržovat důležité tvary vnitřních složek buněk a vnější membrány. Žádná jiná molekula neodpovídá vodě, pokud jde o jedinečné vlastnosti, které podporují život. Vzrušující vědci pokračují ve vytváření nových vlastností vody, jako jsou další účinky její asymetrické struktury. Vědci ještě musí určit fyziologické dopady těchto vlastností. Je úžasné, jak jednoduchá molekula je univerzálně důležitá pro organismy s různými potřebami.

Molly Sargen je doktorandkou prvního ročníku programu biologických a biomedicínských věd na Harvardské lékařské fakultě.

Dan Utter je pátým ročníkem doktoranda v oboru Organismická a evoluční biologie na Harvardově univerzitě.

pro více informací:

• další informace o důležitosti rozpustnosti léčiv naleznete v tomto článku.
• podívejte se na tyto články pro více informací o proteinech a jak voda ovlivňuje jejich skládání.
• další informace o fosfolipidech zde.
• další informace o vodě ovlivňuje strukturu DNA zde.
• další informace o kyselinách a zásadách naleznete zde.
• podívejte se na jedinečné vlastnosti vody na této stránce nebo nedávno objevené vlastnosti vody v tomto článku.

tento článek je součástí naší speciální edice o vodě. Chcete-li si přečíst více, podívejte se na naši domovskou stránku speciální edice!