af Molly Sargen
tal af Daniel Utter

vand udgør 60-75% af menneskets kropsvægt. Et tab på kun 4% af det samlede kropsvand fører til dehydrering, og et tab på 15% kan være dødeligt. Ligeledes kunne en person overleve en måned uden mad, men ville ikke overleve 3 dage uden vand. Denne afgørende afhængighed af vand styrer bredt alle livsformer. Det er klart, at vand er afgørende for overlevelse, men hvad gør det så nødvendigt?

den molekylære sammensætning af vand

mange af vandets roller i at understøtte livet skyldes dets molekylære struktur og et par specielle egenskaber. Vand er et simpelt molekyle sammensat af to små, positivt ladede hydrogenatomer og et stort negativt ladet iltatom. Når hydrogenerne binder til iltet, skaber det et asymmetrisk molekyle med positiv ladning på den ene side og negativ ladning på den anden side (Figur 1). Denne ladningsdifferentiale kaldes polaritet og dikterer, hvordan vand interagerer med andre molekyler.

vand er det “universelle opløsningsmiddel”

som et polært molekyle interagerer vand bedst med andre polære molekyler, såsom sig selv. Dette er på grund af fænomenet, hvor modsatte ladninger tiltrækker hinanden: fordi hvert enkelt vandmolekyle har både en negativ del og en positiv del, tiltrækkes hver side af molekyler med den modsatte ladning. Denne attraktion gør det muligt for vand at danne relativt stærke forbindelser, kaldet bindinger, med andre polære molekyler omkring det, inklusive andre vandmolekyler. I dette tilfælde vil det positive hydrogen af et vandmolekyle binde sig til det negative ilt i det tilstødende molekyle, hvis egne hydrogener tiltrækkes til det næste ilt og så videre (Figur 1). Det er vigtigt, at denne binding får vandmolekyler til at klæbe sammen i en egenskab kaldet samhørighed. Sammenhængen mellem vandmolekyler hjælper planter med at optage vand ved deres rødder. Samhørighed bidrager også til vandets høje kogepunkt, hvilket hjælper dyr med at regulere kropstemperaturen.

da de fleste biologiske molekyler har en vis elektrisk asymmetri, er de også polære, og vandmolekyler kan danne bindinger med og omgive både deres positive og negative regioner. Ved at omgive de polære molekyler af et andet stof, vand vrider sig ind i alle kroge og kroge mellem molekyler, effektivt at bryde det fra hinanden opløser det. Dette er hvad der sker, når du lægger sukkerkrystaller i vand: både vand og sukker er polære, så individuelle vandmolekyler omgiver individuelle sukkermolekyler, bryder sukkeret fra hinanden og opløser det. I lighed med polaritet er nogle molekyler lavet af ioner eller modsat ladede partikler. Vand bryder også disse Ioniske molekyler fra hinanden ved at interagere med både de positivt og negativt ladede partikler. Dette er hvad der sker, når du lægger salt i vand, fordi salt er sammensat af natrium-og chloridioner.

vandets omfattende evne til at opløse en række molekyler har givet det betegnelsen “universelt opløsningsmiddel”, og det er denne evne, der gør vand til en så uvurderlig livsbevarende kraft. På et biologisk niveau hjælper vandets rolle som opløsningsmiddel celler med at transportere og bruge stoffer som ilt eller næringsstoffer. Vandbaserede løsninger som blod hjælper med at transportere molekyler til de nødvendige steder. Således letter vandets rolle som opløsningsmiddel transporten af molekyler som ilt til åndedræt og har stor indflydelse på lægemidlers evne til at nå deres mål i kroppen.

vand understøtter cellulær struktur

vand har også en vigtig strukturel rolle i biologi. Visuelt fylder vand celler for at hjælpe med at opretholde form og struktur (figur 2). Vandet inde i mange celler (inklusive dem, der udgør den menneskelige krop) skaber tryk, der modsætter sig eksterne kræfter, svarende til at lægge luft i en ballon. Men selv nogle planter, der kan opretholde deres cellestruktur uden vand, kræver stadig vand for at overleve. Vand gør det muligt for alt inde i celler at have den rigtige form på molekylært niveau. Da form er kritisk for biokemiske processer, er dette også en af vandets vigtigste roller.

vand bidrager også til dannelsen af membraner, der omgiver celler. Hver celle på jorden er omgivet af en membran, hvoraf de fleste er dannet af to lag molekyler kaldet phospholipider (figur 3). Fosfolipiderne har ligesom vand to forskellige komponenter: et polært “hoved” og en ikke-polær “hale.”På grund af dette interagerer de polære hoveder med vand, mens de ikke-polære haler forsøger at undgå vand og interagere med hinanden i stedet. Søger disse gunstige interaktioner danner phospholipider spontant dobbeltlag med hovederne vendt udad mod det omgivende vand og halerne vendt indad, undtagen vand. Dobbeltlaget omgiver celler og tillader selektivt stoffer som salte og næringsstoffer at komme ind og ud af cellen. Interaktionerne involveret i dannelsen af membranen er stærke nok til, at membranerne dannes spontant og ikke let forstyrres. Uden vand ville cellemembraner mangle struktur, og uden ordentlig membranstruktur ville celler ikke være i stand til at holde vigtige molekyler inde i cellen og skadelige molekyler uden for cellen.

ud over at påvirke cellernes overordnede form påvirker vand også nogle grundlæggende komponenter i hver celle: DNA og proteiner. Proteiner produceres som en lang kæde af byggesten kaldet aminosyrer og skal foldes ind i en bestemt form for at fungere korrekt. Vand driver foldningen af aminosyrekæder, da forskellige typer aminosyrer søger og undgår at interagere med vand. Proteiner giver struktur, modtager signaler og katalyserer kemiske reaktioner i cellen. På denne måde er proteiner arbejdsheste af celler. I sidste ende driver proteiner sammentrækning af muskler, kommunikation, fordøjelse af næringsstoffer og mange andre vitale funktioner. Uden den rette form ville proteiner ikke være i stand til at udføre disse funktioner, og en celle (endsige et helt menneske) kunne ikke overleve. Tilsvarende skal DNA være i en bestemt form for, at dets instruktioner kan afkodes korrekt. Proteiner, der læser eller kopierer DNA, kan kun binde DNA, der har en bestemt form. Vandmolekyler omgiver DNA på en ordnet måde for at understøtte dets karakteristiske dobbelt-spiralkonformation. Uden denne form ville celler ikke være i stand til at følge de omhyggelige instruktioner kodet af DNA eller videregive instruktionerne til fremtidige celler, hvilket gør menneskelig vækst, reproduktion og i sidste ende overlevelse umulig .

kemiske reaktioner af vand

vand er direkte involveret i mange kemiske reaktioner for at opbygge og nedbryde vigtige komponenter i cellen. Fotosyntese, processen i planter, der skaber sukker til alle livsformer, kræver vand. Vand deltager også i opbygningen af større molekyler i celler. Molekyler som DNA og proteiner er lavet af gentagne enheder af mindre molekyler. At sætte disse små molekyler sammen sker gennem en reaktion, der producerer vand. Omvendt kræves vand til den omvendte reaktion, der nedbryder disse molekyler, så celler kan få næringsstoffer eller genbruge stykker af store molekyler.

derudover vand buffere celler fra de farlige virkninger af syrer og baser. Meget sure eller basiske stoffer, som blegemiddel eller saltsyre, er ætsende for selv de mest holdbare materialer. Dette skyldes, at syrer og baser frigiver overskydende hydrogener eller optager henholdsvis overskydende hydrogener fra de omgivende materialer. At miste eller få positivt ladede hydrogener forstyrrer molekylernes struktur. Som vi har lært, kræver proteiner en bestemt struktur for at fungere korrekt, så det er vigtigt at beskytte dem mod syrer og baser. Vand gør dette ved at fungere som både en syre og en base (figur 4). Selvom de kemiske bindinger i et vandmolekyle er meget stabile, er det muligt for et vandmolekyle at opgive et brint og blive OH– og således fungere som en base eller acceptere et andet brint og blive H3O+ og dermed fungere som en syre. Denne tilpasningsevne gør det muligt for vand at bekæmpe drastiske ændringer i pH på grund af sure eller basiske stoffer i kroppen i en proces kaldet buffering. I sidste ende beskytter dette proteiner og andre molekyler i cellen.

afslutningsvis er vand afgørende for alt liv. Dens alsidighed og tilpasningsevne hjælper med at udføre vigtige kemiske reaktioner. Dens enkle molekylære struktur hjælper med at opretholde vigtige former for cellernes indre komponenter og ydre membran. Intet andet molekyle matcher vand, når det kommer til unikke egenskaber, der understøtter livet. Spændende fortsætter forskere med at etablere nye egenskaber ved vand, såsom yderligere effekter af dets asymmetriske struktur. Forskere har endnu ikke bestemt de fysiologiske virkninger af disse egenskaber. Det er forbløffende, hvordan et simpelt molekyle er universelt vigtigt for organismer med forskellige behov.

Molly Sargen er en førsteårs ph.d.-studerende i det biologiske og Biomedicinske Videnskabsprogram ved Harvard Medical School.

Dan Utter er femårs ph.d.-studerende i Organismisk og evolutionær biologi ved Harvard University.

For mere Information:

• for at lære mere om vigtigheden af lægemiddelopløselighed, se denne artikel.
• tjek disse artikler for mere information om proteiner og hvordan vand påvirker deres foldning.
• Læs mere om fosfolipider her.
• Læs mere om vand påvirker DNA struktur her.
• Læs mere om syrer og baser her.
• Tjek de unikke egenskaber ved vand på denne side eller for nylig opdagede egenskaber ved vand på denne artikel.

denne artikel er en del af vores specialudgave om vand. For at læse mere, tjek vores specialudgave hjemmeside!