Molly Sargen
luvut Daniel Utter

vesi muodostaa 60-75% ihmisen ruumiinpainosta. Vain 4%: n menetys koko kehon vedestä johtaa nestehukkaan, ja 15%: n menetys voi olla kohtalokasta. Samoin ihminen voisi selvitä kuukauden ilman ruokaa, mutta ei selviäisi 3 päivää ilman vettä. Tämä ratkaiseva riippuvuus vedestä hallitsee laajasti kaikkia elämänmuotoja. Vesi on selvästikin elintärkeää elossa säilymiselle, mutta mikä tekee siitä niin välttämättömän?

veden molekyylikoostumus

monet veden roolit elämän tukemisessa johtuvat sen molekyylirakenteesta ja muutamista erityisominaisuuksista. Vesi on yksinkertainen molekyyli, joka koostuu kahdesta pienestä, positiivisesti varautuneesta vetyatomista ja yhdestä suuresta negatiivisesti varautuneesta happiatomista. Kun vety sitoutuu Happeen, syntyy epäsymmetrinen molekyyli, jonka toisella puolella on positiivinen varaus ja toisella puolella negatiivinen varaus (Kuva 1). Tätä varauseroa kutsutaan napaisuudeksi ja se määrää, miten vesi vuorovaikuttaa muiden molekyylien kanssa.

vesi on”universaali liuotin”

polaarisena molekyylinä vesi vuorovaikuttaa parhaiten muiden polaaristen molekyylien, kuten itsensä kanssa. Tämä johtuu ilmiöstä, jossa vastakkaiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa: koska jokaisella yksittäisellä vesimolekyylillä on sekä negatiivinen että positiivinen osa, vastakkaisen varauksen molekyylit vetävät puoleensa kumpaakin puolta. Tämä vetovoima mahdollistaa sen, että vesi muodostaa suhteellisen vahvoja yhteyksiä, joita kutsutaan sidoksiksi, ympärillään olevien muiden polaaristen molekyylien kanssa, mukaan lukien muut vesimolekyylit. Tällöin yhden vesimolekyylin positiivinen vety sitoutuu viereisen molekyylin negatiiviseen Happeen, jonka omat vedyt vetävät puoleensa seuraavaa happea ja niin edelleen (Kuva 1). Tärkeää on, että tämä sidos saa vesimolekyylit tarttumaan yhteen ominaisuudessa nimeltä koheesio. Vesimolekyylien yhtenäisyys auttaa kasveja ottamaan vettä juuriltaan. Yhteenkuuluvuus vaikuttaa myös veden korkeaan kiehumispisteeseen, mikä auttaa eläimiä säätelemään ruumiinlämpöä.

lisäksi koska useimmissa biologisissa molekyyleissä on jonkin verran sähköistä epäsymmetrisyyttä, nekin ovat polaarisia ja vesimolekyylit voivat muodostaa sidoksia sekä positiivisten että negatiivisten alueidensa kanssa ja ympäröivät niitä. Kun vesi ympäröi toisen aineen polaarimolekyylejä, se kiemurtelee kaikkiin molekyylien välisiin nurkkiin ja koloihin ja hajottaa sen tehokkaasti liuottaen sitä. Näin käy, kun veteen laittaa sokerikiteitä: sekä vesi että sokeri ovat polaarisia, jolloin yksittäiset vesimolekyylit ympäröivät yksittäisiä sokerimolekyylejä hajottaen sokerin ja liuottaen sen. Napaisuuden tavoin jotkin molekyylit koostuvat ioneista eli vastakkaisesti varautuneista hiukkasista. Vesi hajottaa myös nämä ionimolekyylit vuorovaikutuksessa sekä positiivisesti että negatiivisesti varautuneiden hiukkasten kanssa. Näin käy, kun veteen laittaa suolaa, koska suola koostuu natrium-ja kloridi-ioneista.

veden laaja kyky liuottaa erilaisia molekyylejä on tuonut sille nimityksen ”universaali liuotin”, ja juuri tämä kyky tekee vedestä niin korvaamattoman elämää ylläpitävän voiman. Biologisella tasolla veden rooli liuottimena auttaa soluja kuljettamaan ja käyttämään aineita, kuten happea tai ravinteita. Vesipohjaiset liuokset, kuten veri, auttavat kuljettamaan molekyylejä tarvittaviin paikkoihin. Näin veden rooli liuottimena helpottaa molekyylien kuten hapen kuljetusta hengitykseen ja vaikuttaa merkittävästi lääkkeiden kykyyn saavuttaa tavoitteensa elimistössä.

vesi tukee solurakennetta

vedellä on myös tärkeä rakenteellinen rooli biologiassa. Visuaalisesti vesi täyttää soluja muodon ja rakenteen ylläpitämiseksi (kuva 2). Monien solujen (myös ihmisruumiin muodostavien solujen) sisällä oleva vesi luo painetta, joka vastustaa ulkoisia voimia, mikä on samanlaista kuin ilman laittaminen ilmapalloon. Kuitenkin jotkut kasvitkin, jotka pystyvät säilyttämään solurakenteensa ilman vettä, tarvitsevat yhä vettä selviytyäkseen. Vesi mahdollistaa kaiken solujen sisällä olevan oikean muodon molekyylitasolla. Koska muoto on kriittinen biokemiallisille prosesseille, tämä on myös yksi veden tärkeimmistä tehtävistä.

vesi edistää myös soluja ympäröivien kalvojen muodostumista. Jokaista maan solua ympäröi kalvo, josta suurin osa muodostuu kahdesta molekyylikerroksesta, joita kutsutaan fosfolipideiksi (kuva 3). Fosfolipideillä on veden tavoin kaksi erillistä komponenttia: polaarinen ”pää” ja ei-polaarinen ”häntä.”Tämän vuoksi napapäät ovat vuorovaikutuksessa veden kanssa, kun taas ei-polaariset hännät pyrkivät välttämään vettä ja ovat sen sijaan vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Etsiessään näitä suotuisia vuorovaikutuksia fosfolipidit muodostavat itsestään kaksikerroksisia, joiden päät ovat ulospäin ympäröivää vettä kohti ja pyrstöt sisäänpäin, pois lukien vesi. Kaksikerroksinen ympäröi soluja ja mahdollistaa selektiivisesti aineiden, kuten suolojen ja ravinteiden, pääsyn ja poistumisen solusta. Kalvon muodostamiseen liittyvät vuorovaikutukset ovat riittävän voimakkaita, että kalvot muodostuvat spontaanisti eivätkä häiriinny helposti. Ilman vettä solukalvoilta puuttuisi rakenne, ja ilman kunnollista kalvorakennetta solut eivät pystyisi pitämään tärkeitä molekyylejä solun sisällä ja haitallisia molekyylejä solun ulkopuolella.

sen lisäksi, että vesi vaikuttaa solujen yleiseen muotoon, se vaikuttaa myös jokaisen solun joihinkin peruskomponentteihin: DNA: han ja proteiineihin. Proteiinit syntyvät pitkänä rakennuspalikoiden ketjuna, joita kutsutaan aminohapoiksi, ja niiden on taituttava tiettyyn muotoon toimiakseen oikein. Vesi ajaa aminohappoketjujen taittumista, kun erilaiset aminohapot etsivät ja välttävät vuorovaikutusta veden kanssa. Proteiinit muodostavat rakenteen, vastaanottavat signaaleja ja katalysoivat kemiallisia reaktioita solussa. Näin proteiinit ovat solujen työhevosia. Viime kädessä proteiinit ajavat lihasten supistumista, viestintää, ravintoaineiden pilkkoutumista ja monia muita elintoimintoja. Ilman oikeaa muotoa proteiinit eivät pystyisi suorittamaan näitä tehtäviä, eikä solu (saati kokonainen ihminen) voisi selviytyä. Vastaavasti DNA: n on oltava tietyssä muodossa, jotta sen ohjeet voidaan purkaa oikein. DNA: ta lukevat tai kopioivat proteiinit voivat sitoa vain tietyn muotoista DNA: ta. Vesimolekyylit ympäröivät DNA: ta järjestyneesti tukeakseen sille ominaista kaksoiskierteen konformaatiota. Ilman tätä muotoa solut eivät pystyisi noudattamaan DNA: n koodaamia tarkkoja ohjeita tai välittämään ohjeita tuleville soluille, mikä tekisi ihmisen kasvusta, lisääntymisestä ja lopulta eloonjäämisestä mahdotonta .

veden kemialliset reaktiot

vesi osallistuu suoraan moniin kemiallisiin reaktioihin solun tärkeiden komponenttien rakentamiseksi ja hajottamiseksi. Fotosynteesi, kasveissa tapahtuva prosessi, joka tuottaa sokereita kaikille elämänmuodoille, vaatii vettä. Vesi osallistuu myös suurempien molekyylien rakentamiseen soluissa. Molekyylit kuten DNA ja proteiinit koostuvat toistuvista pienempien molekyylien yksiköistä. Näiden pienten molekyylien yhdistäminen tapahtuu reaktiossa, joka tuottaa vettä. Käänteisesti vettä tarvitaan käänteisreaktioon, joka hajottaa nämä molekyylit, jolloin solut saavat ravinteita tai repursoivat isojen molekyylien kappaleita.

lisäksi vesi puskuroi soluja happojen ja emästen vaarallisilta vaikutuksilta. Erittäin happamat tai emäksiset aineet, kuten valkaisuaine tai suolahappo, syövyttävät kestävimpiäkin materiaaleja. Tämä johtuu siitä, että hapot ja emäkset vapauttavat ylimääräisiä vetyjä tai ottavat vastaavasti ylimääräisiä vetyjä ympäröivistä materiaaleista. Positiivisesti varautuneiden vetyjen häviäminen tai saaminen häiritsee molekyylien rakennetta. Kuten olemme oppineet, proteiinit vaativat tietyn rakenteen toimiakseen kunnolla, joten on tärkeää suojella niitä hapoilta ja emäksiltä. Vesi tekee tämän toimimalla sekä happona että emäksenä (Kuva 4). Vaikka vesimolekyylin kemialliset sidokset ovat hyvin stabiileja, on mahdollista, että vesimolekyyli luovuttaa vetyä ja muuttuu OH–: ksi, jolloin se toimii emäksenä, tai hyväksyy toisen vedyn ja muuttuu H3O+: ksi, jolloin se toimii happona. Tämän sopeutumiskyvyn ansiosta vesi pystyy torjumaan elimistön happamien tai emäksisten aineiden aiheuttamia rajuja pH-muutoksia puskuroinniksi kutsutussa prosessissa. Viime kädessä tämä suojaa solun proteiineja ja muita molekyylejä.

yhteenvetona voidaan todeta, että vesi on elintärkeää kaikelle elämälle. Sen monipuolisuus ja sopeutumiskyky auttavat suorittamaan tärkeitä kemiallisia reaktioita. Sen yksinkertainen molekyylirakenne auttaa ylläpitämään tärkeitä muotoja solujen sisäosille ja ulkokalvolle. Mikään muu molekyyli ei vedä vertoja vedelle, kun on kyse elämää ylläpitävistä ainutlaatuisista ominaisuuksista. Innostavasti tutkijat jatkavat veden uusien ominaisuuksien, kuten sen epäsymmetrisen rakenteen lisävaikutusten, selvittämistä. Tutkijat eivät ole vielä selvittäneet näiden ominaisuuksien fysiologisia vaikutuksia. On hämmästyttävää, miten yksinkertainen molekyyli on yleismaailmallisesti tärkeä eliöille, joilla on erilaisia tarpeita.

Molly Sargen on ensimmäisen vuoden tohtoriopiskelija Harvard Medical Schoolin biologisten ja biolääketieteellisten tieteiden ohjelmassa.

Dan Utter on viidennen vuoden filosofian tohtori Harvardin yliopistossa organismista ja Evoluutiobiologiasta.

lisätietoja:

• lisätietoja huumeiden liukoisuuden merkityksestä on tässä artikkelissa.
• Katso näistä artikkeleista lisätietoja proteiineista ja siitä, miten vesi vaikuttaa niiden taittumiseen.
• Lue lisää fosfolipideistä täältä.
• Lue lisää vesi vaikuttaa DNA: n rakenteeseen täällä.
• Lue lisää hapoista ja emäksistä täältä.
• Katso veden ainutlaatuiset ominaisuudet tältä sivulta tai äskettäin löydetyt veden ominaisuudet tästä artikkelista.

tämä artikkeli on osa erikoispainostamme vedestä. Lue lisää, tutustu special edition Kotisivu!