Molly Sargen
Daniel Utter adatai

A Víz az emberi testtömeg 60-75% – át teszi ki. A teljes testvíz mindössze 4% – ának elvesztése kiszáradáshoz vezet, 15% – os veszteség pedig végzetes lehet. Hasonlóképpen, egy személy túlélhet egy hónapot étel nélkül, de nem élne túl 3 napot víz nélkül. Ez a víztől való döntő függőség nagyjából minden életformát irányít. Nyilvánvaló, hogy a víz létfontosságú a túléléshez, de mi teszi ezt annyira szükségessé?

a víz molekuláris összetétele

a víz számos szerepe az élet fenntartásában a molekuláris szerkezetének és néhány különleges tulajdonságának köszönhető. A víz egy egyszerű molekula, amely két kicsi, pozitív töltésű hidrogénatomból és egy nagy negatív töltésű oxigénatomból áll. Amikor a hidrogén kötődik az oxigénhez, aszimmetrikus molekulát hoz létre, amelynek egyik oldalán pozitív töltés, a másik oldalán negatív töltés van (1.ábra). Ezt a töltéskülönbséget polaritásnak nevezik, és meghatározza, hogy a víz hogyan lép kölcsönhatásba más molekulákkal.

A Víz az “univerzális oldószer”

poláris molekulaként a víz kölcsönhatásba lép a legjobban más poláris molekulákkal, például önmagával. Ennek oka az a jelenség, amikor az ellentétes töltések vonzzák egymást: mivel minden egyes vízmolekulának mind negatív, mind pozitív része van, mindkét oldal vonzódik az ellenkező töltésű molekulákhoz. Ez a vonzás lehetővé teszi a víz számára, hogy viszonylag erős kapcsolatokat, úgynevezett kötéseket képezzen a körülötte lévő más poláris molekulákkal, beleértve más vízmolekulákat is. Ebben az esetben az egyik vízmolekula pozitív hidrogénje kötődik a szomszédos molekula negatív oxigénjéhez, amelynek saját hidrogénjei vonzódnak a következő oxigénhez STB. (1. ábra). Fontos, hogy ez a kötés miatt a vízmolekulák összetapadnak a kohéziónak nevezett tulajdonságban. A vízmolekulák kohéziója segít a növényeknek a gyökereiknél felvenni a vizet. A kohézió hozzájárul a víz magas forráspontjához is, amely segít az állatoknak a testhőmérséklet szabályozásában.

Továbbá, mivel a legtöbb biológiai molekula elektromos aszimmetriával rendelkezik, ezek is polárisak, és a vízmolekulák kötéseket képezhetnek mind pozitív, mind negatív régiójukkal, és körülvehetik őket. Egy másik anyag poláris molekuláit körülvéve a víz a molekulák közötti összes zugba és résbe vándorol, hatékonyan Széttörve feloldja. Ez történik, amikor cukorkristályokat helyezünk a vízbe: mind a víz, mind a cukor poláris, lehetővé téve az egyes vízmolekulák számára, hogy körülvegyék az egyes cukormolekulákat, Széttörve és feloldva a cukrot. A polaritáshoz hasonlóan egyes molekulák ionokból vagy ellentétesen töltött részecskékből készülnek. A víz ezeket az ionos molekulákat is széttöri azáltal, hogy kölcsönhatásba lép mind a pozitív, mind a negatív töltésű részecskékkel. Ez történik, ha sót teszünk a vízbe, mert a só nátrium-és kloridionokból áll.

a víz kiterjedt képessége a különböző molekulák feloldására elnyerte az “univerzális oldószer” megnevezést, és ez a képesség teszi a vizet olyan felbecsülhetetlen életfenntartó erővé. Biológiai szinten a víz oldószerként betöltött szerepe segíti a sejteket az olyan anyagok szállításában és felhasználásában, mint az oxigén vagy a tápanyagok. A vízbázisú oldatok, például a vér segítik a molekulák szállítását a szükséges helyekre. Így a víz oldószerként betöltött szerepe megkönnyíti az olyan molekulák szállítását, mint az oxigén a légzéshez, és jelentős hatással van a gyógyszerek azon képességére, hogy elérjék céljaikat a szervezetben.

a víz támogatja a sejtszerkezetet

a víznek fontos szerkezeti szerepe van a biológiában is. Vizuálisan a víz kitölti a sejteket, hogy megőrizze alakját és szerkezetét (2.ábra). A sok sejt belsejében lévő víz (beleértve azokat is, amelyek az emberi testet alkotják) olyan nyomást hoz létre, amely ellenzi a külső erőket, hasonlóan a levegő ballonba helyezéséhez. Azonban még néhány növény, amely víz nélkül képes fenntartani sejtszerkezetét, még mindig vízre van szüksége a túléléshez. A víz lehetővé teszi, hogy a sejtek belsejében minden molekuláris szinten megfelelő alakú legyen. Mivel a forma kritikus a biokémiai folyamatok szempontjából, ez a víz egyik legfontosabb szerepe is.

a víz szintén hozzájárul a sejteket körülvevő membránok kialakulásához. A Föld minden sejtjét membrán veszi körül, amelynek nagy részét két molekularéteg alkotja, az úgynevezett foszfolipidek (3.ábra). A foszfolipideknek, mint a víznek, két különböző összetevője van: egy poláris “fej” és egy nem poláros “farok”.”Ennek köszönhetően a poláris fejek kölcsönhatásba lépnek a vízzel, míg a nem poláris farok megpróbálják elkerülni a vizet, és kölcsönhatásba lépnek egymással. Ezeket a kedvező kölcsönhatásokat keresve a foszfolipidek spontán módon kétrétegeket képeznek úgy, hogy a fejek kifelé néznek a környező víz felé, a farok pedig befelé néznek, kivéve a vizet. A kettős réteg körülveszi a sejteket, és szelektíven lehetővé teszi az olyan anyagok, mint a sók és a tápanyagok bejutását és kilépését a sejtből. A membrán kialakításában részt vevő kölcsönhatások elég erősek ahhoz, hogy a membránok spontán módon alakuljanak ki, és nem könnyen megszakadnak. Víz nélkül a sejtmembránok nem lennének szerkezetesek, és megfelelő membránszerkezet nélkül a sejtek nem lennének képesek a fontos molekulákat a sejten belül, a káros molekulákat pedig a sejten kívül tartani.

amellett, hogy befolyásolja a sejtek általános alakját, a víz hatással van minden sejt néhány alapvető összetevőjére is: a DNS-re és a fehérjékre. A fehérjéket aminosavaknak nevezett építőelemek hosszú láncaként állítják elő, és a megfelelő működéshez egy meghatározott alakra kell hajtaniuk. A víz hajtja az aminosavláncok hajtogatását, mivel a különböző típusú aminosavak keresik és elkerülik a vízzel való kölcsönhatást. A fehérjék struktúrát biztosítanak, jeleket fogadnak és kémiai reakciókat katalizálnak a sejtben. Ily módon a fehérjék a sejtek munkalovai. Végül a fehérjék vezérlik az izmok összehúzódását, a kommunikációt, a tápanyagok emésztését és sok más létfontosságú funkciót. Megfelelő alak nélkül a fehérjék nem lennének képesek ellátni ezeket a funkciókat, és egy sejt (nem is beszélve egy egész emberről) nem tudna túlélni. Hasonlóképpen, a DNS-nek meghatározott alakúnak kell lennie az utasítások megfelelő dekódolásához. A DNS-t olvasó vagy másoló fehérjék csak egy adott alakú DNS-t köthetnek. A vízmolekulák rendezett módon veszik körül a DNS-t, hogy támogassák jellegzetes kettős hélix konformációját. E forma nélkül a sejtek képtelenek lennének követni a DNS által kódolt gondos utasításokat, vagy átadni az utasításokat a jövőbeli sejteknek, ami lehetetlenné tenné az emberi növekedést, szaporodást és végső soron a túlélést .

a víz kémiai reakciói

a víz közvetlenül részt vesz számos kémiai reakcióban a sejt fontos összetevőinek felépítésében és lebontásában. A fotoszintézis, a növények folyamata, amely cukrokat hoz létre minden életforma számára, vizet igényel. A víz részt vesz a nagyobb molekulák sejtekben történő felépítésében is. Az olyan molekulák, mint a DNS és a fehérjék, kisebb molekulák ismétlődő egységeiből állnak. Ezeknek a kis molekuláknak az összerakása olyan reakció útján történik, amely vizet termel. Ezzel szemben vízre van szükség a fordított reakcióhoz, amely lebontja ezeket a molekulákat, lehetővé téve a sejtek számára, hogy tápanyagokat szerezzenek vagy nagy molekulák darabjait újra felhasználják.

ezenkívül a víz pufferolja a sejteket a savak és bázisok veszélyes hatásaitól. Az erősen savas vagy lúgos anyagok, például a fehérítő vagy a sósav, még a legtartósabb anyagokra is korrozívak. Ennek oka az, hogy a savak és a bázisok felesleges hidrogéneket szabadítanak fel, vagy felesleges hidrogéneket vesznek fel a környező anyagokból. A pozitív töltésű hidrogén elvesztése vagy megszerzése megzavarja a molekulák szerkezetét. Mint megtudtuk, a fehérjéknek speciális szerkezetre van szükségük a megfelelő működéshez, ezért fontos megvédeni őket a savaktól és a bázisoktól. A víz ezt úgy teszi, hogy savként és bázisként is működik (4.ábra). Bár a kémiai kötések egy vízmolekulán belül nagyon stabilak, lehetséges, hogy egy vízmolekula feladja a hidrogént és OH– vá válik, így bázisként működik, vagy Elfogad egy másik hidrogént, és H-vá válik3o+, így savként működik. Ez az alkalmazkodóképesség lehetővé teszi a víz számára, hogy a pufferelésnek nevezett folyamat során leküzdje a szervezetben a savas vagy bázikus anyagok miatt bekövetkező drasztikus pH-változásokat. Végső soron ez védi a fehérjéket és más molekulákat a sejtben.

összefoglalva, a víz létfontosságú minden élet számára. Sokoldalúsága és alkalmazkodóképessége segít fontos kémiai reakciók végrehajtásában. Egyszerű molekuláris szerkezete segít fenntartani a sejtek belső komponenseinek és külső membránjának fontos formáit. Egyetlen más molekula sem felel meg a víznek, ha az életet támogató egyedi tulajdonságokról van szó. Izgalmas módon a kutatók továbbra is új víz tulajdonságokat hoznak létre, például aszimmetrikus szerkezetének további hatásait. A tudósoknak még meg kell határozniuk ezeknek a tulajdonságoknak a fiziológiai hatásait. Elképesztő, hogy egy egyszerű molekula egyetemesen fontos a különböző igényű szervezetek számára.

Molly Sargen egy első éves PhD hallgató a biológiai és orvosbiológiai tudományok Program a Harvard Medical School.

Dan Utter egy ötödik éves PhD hallgató organizmus és evolúciós biológia a Harvard Egyetemen.

további információkért:

• ha többet szeretne megtudni a gyógyszer oldhatóságának fontosságáról, olvassa el ezt a cikket.
• nézze meg ezeket a cikkeket további információkért a fehérjékről és arról, hogy a víz hogyan befolyásolja a hajtogatásukat.
• Tudjon meg többet a foszfolipidekről itt.
• Tudjon meg többet a víz befolyásolja a DNS szerkezetét itt.
• Tudjon meg többet a savakról és bázisokról itt.
• nézze meg a víz egyedi tulajdonságait ezen az oldalon, vagy a víz nemrégiben felfedezett tulajdonságait ebben a cikkben.

ez a cikk a vízről szóló különkiadásunk része. Ha többet szeretne megtudni, nézze meg a special edition honlapunkat!