von Molly Sargen
Zahlen von Daniel Utter

Wasser macht 60-75% des menschlichen Körpergewichts aus. Ein Verlust von nur 4% des gesamten Körperwassers führt zu Dehydration, und ein Verlust von 15% kann tödlich sein. Ebenso könnte eine Person einen Monat ohne Nahrung überleben, würde aber 3 Tage ohne Wasser nicht überleben. Diese entscheidende Abhängigkeit vom Wasser regelt im Großen und Ganzen alle Lebensformen. Natürlich ist Wasser überlebenswichtig, aber was macht es so notwendig?

Die molekulare Zusammensetzung von Wasser

Viele der Funktionen von Wasser zur Unterstützung des Lebens beruhen auf seiner molekularen Struktur und einigen besonderen Eigenschaften. Wasser ist ein einfaches Molekül, das aus zwei kleinen, positiv geladenen Wasserstoffatomen und einem großen negativ geladenen Sauerstoffatom besteht. Wenn die Wasserstoffatome an den Sauerstoff binden, entsteht ein asymmetrisches Molekül mit positiver Ladung auf der einen und negativer Ladung auf der anderen Seite (Abbildung 1). Diese Ladungsdifferenz wird Polarität genannt und bestimmt, wie Wasser mit anderen Molekülen interagiert.

Wasser ist das „universelle Lösungsmittel“

Als polares Molekül interagiert Wasser am besten mit anderen polaren Molekülen wie sich selbst. Dies liegt an dem Phänomen, bei dem sich entgegengesetzte Ladungen anziehen: da jedes einzelne Wassermolekül sowohl einen negativen als auch einen positiven Anteil hat, wird jede Seite von Molekülen der entgegengesetzten Ladung angezogen. Diese Anziehungskraft ermöglicht es Wasser, relativ starke Verbindungen, sogenannte Bindungen, mit anderen polaren Molekülen um es herum, einschließlich anderer Wassermoleküle, zu bilden. In diesem Fall verbindet sich der positive Wasserstoff eines Wassermoleküls mit dem negativen Sauerstoff des benachbarten Moleküls, dessen eigene Wasserstoffatome vom nächsten Sauerstoff angezogen werden, und so weiter (Abbildung 1). Wichtig ist, dass diese Bindung Wassermoleküle in einer Eigenschaft namens Kohäsion zusammenkleben lässt. Der Zusammenhalt von Wassermolekülen hilft Pflanzen, Wasser an ihren Wurzeln aufzunehmen. Zusammenhalt trägt auch zum hohen Siedepunkt des Wassers bei, der den Tieren hilft, die Körpertemperatur zu regulieren.

Da die meisten biologischen Moleküle eine gewisse elektrische Asymmetrie aufweisen, sind auch sie polar und Wassermoleküle können Bindungen mit ihren positiven und negativen Regionen eingehen und diese umgeben. Beim Umgeben der polaren Moleküle einer anderen Substanz windet sich Wasser in alle Ecken und Winkel zwischen den Molekülen, bricht sie effektiv auseinander und löst sie auf. Dies geschieht, wenn Sie Zuckerkristalle in Wasser geben: Sowohl Wasser als auch Zucker sind polar, sodass einzelne Wassermoleküle einzelne Zuckermoleküle umgeben, den Zucker aufbrechen und auflösen können. Ähnlich wie bei der Polarität bestehen einige Moleküle aus Ionen oder entgegengesetzt geladenen Teilchen. Wasser zerbricht auch diese ionischen Moleküle, indem es sowohl mit den positiv als auch negativ geladenen Teilchen interagiert. Dies geschieht, wenn Sie Salz in Wasser geben, da Salz aus Natrium- und Chloridionen besteht.

Die umfassende Fähigkeit des Wassers, eine Vielzahl von Molekülen aufzulösen, hat ihm die Bezeichnung „universelles Lösungsmittel“ eingebracht, und es ist diese Fähigkeit, die Wasser zu einer so unschätzbaren lebenserhaltenden Kraft macht. Auf biologischer Ebene hilft die Rolle des Wassers als Lösungsmittel den Zellen, Substanzen wie Sauerstoff oder Nährstoffe zu transportieren und zu nutzen. Lösungen auf Wasserbasis wie Blut helfen dabei, Moleküle an die erforderlichen Stellen zu transportieren. So erleichtert die Rolle des Wassers als Lösungsmittel den Transport von Molekülen wie Sauerstoff zur Atmung und hat einen großen Einfluss auf die Fähigkeit von Medikamenten, ihre Ziele im Körper zu erreichen.

Wasser unterstützt die Zellstruktur

Wasser spielt auch in der Biologie eine wichtige strukturelle Rolle. Visuell füllt Wasser Zellen, um Form und Struktur zu erhalten (Abbildung 2). Das Wasser in vielen Zellen (einschließlich derjenigen, aus denen der menschliche Körper besteht) erzeugt Druck, der äußeren Kräften entgegenwirkt, ähnlich wie Luft in einen Ballon gegeben wird. Aber auch einige Pflanzen, die ihre Zellstruktur ohne Wasser aufrechterhalten können, benötigen Wasser, um zu überleben. Wasser lässt alles in den Zellen auf molekularer Ebene die richtige Form haben. Da die Form für biochemische Prozesse entscheidend ist, spielt sie auch eine der wichtigsten Rollen des Wassers.

Wasser trägt auch zur Bildung von Membranen bei, die Zellen umgeben. Jede Zelle auf der Erde ist von einer Membran umgeben, von der die meisten aus zwei Molekülschichten bestehen, die Phospholipide genannt werden (Abbildung 3). Die Phospholipide haben wie Wasser zwei verschiedene Komponenten: einen polaren „Kopf“ und einen unpolaren „Schwanz“.“ Aus diesem Grund interagieren die Polarköpfe mit Wasser, während die unpolaren Schwänze versuchen, Wasser zu meiden und stattdessen miteinander zu interagieren. Auf der Suche nach diesen günstigen Wechselwirkungen bilden Phospholipide spontan Doppelschichten, wobei die Köpfe nach außen zum umgebenden Wasser und die Schwänze nach innen zeigen, ohne Wasser. Die Doppelschicht umgibt die Zellen und lässt selektiv Substanzen wie Salze und Nährstoffe in die Zelle ein- und austreten. Die Wechselwirkungen, die an der Bildung der Membran beteiligt sind, sind stark genug, dass sich die Membranen spontan bilden und nicht leicht gestört werden. Ohne Wasser würden Zellmembranen Struktur fehlen, und ohne richtige Membranstruktur wären Zellen nicht in der Lage, wichtige Moleküle innerhalb der Zelle und schädliche Moleküle außerhalb der Zelle zu halten.

Wasser beeinflusst nicht nur die Gesamtform der Zellen, sondern auch einige grundlegende Komponenten jeder Zelle: DNA und Proteine. Proteine werden als lange Kette von Bausteinen, Aminosäuren genannt, hergestellt und müssen sich in eine bestimmte Form falten, um richtig zu funktionieren. Wasser treibt die Faltung von Aminosäureketten an, da verschiedene Arten von Aminosäuren eine Wechselwirkung mit Wasser suchen und vermeiden. Proteine liefern Struktur, empfangen Signale und katalysieren chemische Reaktionen in der Zelle. Auf diese Weise sind Proteine die Arbeitspferde der Zellen. Letztendlich steuern Proteine die Kontraktion der Muskeln, die Kommunikation, die Verdauung von Nährstoffen und viele andere lebenswichtige Funktionen. Ohne die richtige Form wären Proteine nicht in der Lage, diese Funktionen zu erfüllen, und eine Zelle (geschweige denn ein ganzer Mensch) könnte nicht überleben. Ebenso muss DNA in einer bestimmten Form sein, damit ihre Anweisungen richtig entschlüsselt werden können. Proteine, die DNA lesen oder kopieren, können nur DNA binden, die eine bestimmte Form hat. Wassermoleküle umgeben die DNA geordnet, um ihre charakteristische Doppelhelix-Konformation zu unterstützen. Ohne diese Form wären Zellen nicht in der Lage, den sorgfältigen Anweisungen der DNA zu folgen oder die Anweisungen an zukünftige Zellen weiterzugeben, was menschliches Wachstum, Reproduktion und letztendlich Überleben unmöglich macht .

Chemische Reaktionen von Wasser

Wasser ist direkt an vielen chemischen Reaktionen beteiligt, um wichtige Komponenten der Zelle aufzubauen und abzubauen. Die Photosynthese, der Prozess in Pflanzen, der Zucker für alle Lebensformen erzeugt, benötigt Wasser. Wasser ist auch am Aufbau größerer Moleküle in Zellen beteiligt. Moleküle wie DNA und Proteine bestehen aus sich wiederholenden Einheiten kleinerer Moleküle. Das Zusammensetzen dieser kleinen Moleküle erfolgt durch eine Reaktion, die Wasser erzeugt. Umgekehrt wird Wasser für die umgekehrte Reaktion benötigt, die diese Moleküle abbaut, so dass Zellen Nährstoffe erhalten oder Teile großer Moleküle wiederverwenden können.

Zusätzlich schützt Wasser die Zellen vor den gefährlichen Wirkungen von Säuren und Basen. Stark saure oder basische Substanzen wie Bleichmittel oder Salzsäure sind selbst für die haltbarsten Materialien ätzend. Dies liegt daran, dass Säuren und Basen überschüssige Wasserstoffatome freisetzen bzw. überschüssige Wasserstoffatome aus den umgebenden Materialien aufnehmen. Der Verlust oder die Gewinnung positiv geladener Wasserstoffatome stört die Struktur von Molekülen. Wie wir gelernt haben, benötigen Proteine eine bestimmte Struktur, um richtig zu funktionieren, daher ist es wichtig, sie vor Säuren und Basen zu schützen. Wasser tut dies, indem es sowohl als Säure als auch als Base wirkt (Abbildung 4). Obwohl die chemischen Bindungen innerhalb eines Wassermoleküls sehr stabil sind, ist es möglich, dass ein Wassermolekül einen Wasserstoff aufgibt und OH– wird, wodurch es als Base wirkt, oder einen anderen Wasserstoff akzeptiert und H3O + wird, wodurch es als Säure wirkt. Diese Anpassungsfähigkeit ermöglicht es Wasser, drastische Änderungen des pH-Werts aufgrund saurer oder basischer Substanzen im Körper in einem als Pufferung bezeichneten Prozess zu bekämpfen. Letztendlich schützt dies Proteine und andere Moleküle in der Zelle.

Zusammenfassend ist Wasser lebenswichtig für alles Leben. Seine Vielseitigkeit und Anpassungsfähigkeit helfen, wichtige chemische Reaktionen durchzuführen. Seine einfache molekulare Struktur hilft, wichtige Formen für die inneren Komponenten und die äußere Membran der Zellen beizubehalten. Kein anderes Molekül entspricht Wasser, wenn es um einzigartige Eigenschaften geht, die das Leben unterstützen. Spannend ist, dass die Forscher immer wieder neue Eigenschaften von Wasser feststellen, wie zum Beispiel zusätzliche Effekte seiner asymmetrischen Struktur. Wissenschaftler müssen noch die physiologischen Auswirkungen dieser Eigenschaften bestimmen. Es ist erstaunlich, wie ein einfaches Molekül für Organismen mit unterschiedlichen Bedürfnissen universell wichtig ist.

Molly Sargen ist Doktorandin im ersten Jahr des Programms für biologische und biomedizinische Wissenschaften an der Harvard Medical School.

Dan Utter ist Doktorand im fünften Jahr in Organismischer und Evolutionsbiologie an der Harvard University.

Für weitere Informationen:

• Um mehr über die Bedeutung der Arzneimittellöslichkeit zu erfahren, lesen Sie diesen Artikel.
• In diesen Artikeln finden Sie weitere Informationen zu Proteinen und wie sich Wasser auf ihre Faltung auswirkt.
• Erfahren Sie hier mehr über Phospholipide.
• Erfahren Sie hier mehr über die Auswirkungen von Wasser auf die DNA-Struktur.
• Erfahren Sie hier mehr über Säuren und Basen.
• Schauen Sie sich die einzigartigen Eigenschaften von Wasser an diese Seite oder kürzlich entdeckte Eigenschaften von Wasser in diesem Artikel.

Dieser Artikel ist Teil unserer Sonderausgabe zum Thema Wasser. Um mehr zu lesen, besuchen Sie unsere Special Edition Homepage!