di Molly Sargen
figure di Daniel Utter

L’acqua costituisce il 60-75% del peso corporeo umano. Una perdita di solo il 4% dell’acqua totale del corpo porta alla disidratazione e una perdita del 15% può essere fatale. Allo stesso modo, una persona potrebbe sopravvivere un mese senza cibo, ma non sarebbe sopravvivere 3 giorni senza acqua. Questa dipendenza cruciale dall’acqua governa ampiamente tutte le forme di vita. Chiaramente l’acqua è vitale per la sopravvivenza, ma cosa la rende così necessaria?

La composizione molecolare dell’acqua

Molti dei ruoli dell’acqua nel sostenere la vita sono dovuti alla sua struttura molecolare e ad alcune proprietà speciali. L’acqua è una semplice molecola composta da due piccoli atomi di idrogeno caricati positivamente e un grande atomo di ossigeno caricato negativamente. Quando gli idrogeni si legano all’ossigeno, crea una molecola asimmetrica con carica positiva su un lato e carica negativa sull’altro lato (Figura 1). Questo differenziale di carica è chiamato polarità e determina come l’acqua interagisce con altre molecole.

L’acqua è il “solvente universale”

Come molecola polare, l’acqua interagisce meglio con altre molecole polari, come se stessa. Ciò è dovuto al fenomeno in cui le cariche opposte si attraggono l’un l’altro: poiché ogni singola molecola d’acqua ha sia una porzione negativa che una porzione positiva, ciascun lato è attratto da molecole della carica opposta. Questa attrazione consente all’acqua di formare connessioni relativamente forti, chiamate legami, con altre molecole polari attorno ad essa, incluse altre molecole d’acqua. In questo caso, l’idrogeno positivo di una molecola d’acqua si legherà con l’ossigeno negativo della molecola adiacente, i cui idrogeni sono attratti dall’ossigeno successivo e così via (Figura 1). È importante sottolineare che questo legame fa sì che le molecole d’acqua si uniscano in una proprietà chiamata coesione. La coesione delle molecole d’acqua aiuta le piante a prendere l’acqua alle loro radici. La coesione contribuisce anche all’alto punto di ebollizione dell’acqua, che aiuta gli animali a regolare la temperatura corporea.

Inoltre, poiché la maggior parte delle molecole biologiche ha una certa asimmetria elettrica, anch’esse sono polari e le molecole d’acqua possono formare legami con e circondare entrambe le loro regioni positive e negative. Nell’atto di circondare le molecole polari di un’altra sostanza, l’acqua si fa strada in tutti gli angoli e fessure tra le molecole, in modo efficace rompendo a parte lo stanno dissolvendo. Questo è ciò che accade quando si mettono i cristalli di zucchero nell’acqua: sia l’acqua che lo zucchero sono polari, permettendo alle singole molecole d’acqua di circondare le singole molecole di zucchero, rompendo lo zucchero e sciogliendolo. Simile alla polarità, alcune molecole sono fatte di ioni o particelle caricate in modo opposto. L’acqua rompe anche queste molecole ioniche interagendo sia con le particelle caricate positivamente che negativamente. Questo è ciò che accade quando si mette il sale in acqua, perché il sale è composto da ioni sodio e cloruro.

L’ampia capacità dell’acqua di dissolvere una varietà di molecole le ha valso la designazione di “solvente universale”, ed è questa capacità che rende l’acqua una forza vitale inestimabile. A livello biologico, il ruolo dell’acqua come solvente aiuta le cellule a trasportare e utilizzare sostanze come ossigeno o sostanze nutritive. Soluzioni a base d’acqua come il sangue aiutano a trasportare le molecole nelle posizioni necessarie. Pertanto, il ruolo dell’acqua come solvente facilita il trasporto di molecole come l’ossigeno per la respirazione e ha un impatto importante sulla capacità dei farmaci di raggiungere i loro obiettivi nel corpo.

L’acqua supporta la struttura cellulare

L’acqua ha anche un importante ruolo strutturale in biologia. Visivamente, l’acqua riempie le cellule per aiutare a mantenere forma e struttura (Figura 2). L’acqua all’interno di molte cellule (comprese quelle che compongono il corpo umano) crea una pressione che si oppone alle forze esterne, simile a mettere l’aria in un palloncino. Tuttavia, anche alcune piante, che possono mantenere la loro struttura cellulare senza acqua, richiedono ancora acqua per sopravvivere. L’acqua consente a tutto all’interno delle cellule di avere la giusta forma a livello molecolare. Poiché la forma è fondamentale per i processi biochimici, questo è anche uno dei ruoli più importanti dell’acqua.

L’acqua contribuisce anche alla formazione delle membrane che circondano le cellule. Ogni cellula sulla Terra è circondata da una membrana, la maggior parte delle quali è formata da due strati di molecole chiamate fosfolipidi (Figura 3). I fosfolipidi, come l’acqua, hanno due componenti distinti: una “testa” polare e una “coda” non polare.”A causa di ciò, le teste polari interagiscono con l’acqua, mentre le code non polari cercano di evitare l’acqua e interagiscono tra loro. Alla ricerca di queste interazioni favorevoli, i fosfolipidi formano spontaneamente due strati con le teste rivolte verso l’esterno verso l’acqua circostante e le code rivolte verso l’interno, escludendo l’acqua. Il doppio strato circonda le cellule e consente selettivamente a sostanze come sali e sostanze nutritive di entrare e uscire dalla cellula. Le interazioni coinvolte nella formazione della membrana sono abbastanza forti che le membrane si formano spontaneamente e non sono facilmente interrotte. Senza acqua, le membrane cellulari mancherebbero di struttura, e senza un’adeguata struttura della membrana, le cellule non sarebbero in grado di mantenere molecole importanti all’interno della cellula e molecole dannose all’esterno della cellula.

Oltre ad influenzare la forma complessiva delle cellule, l’acqua influisce anche su alcuni componenti fondamentali di ogni cellula: DNA e proteine. Le proteine sono prodotte come una lunga catena di blocchi chiamati amminoacidi e devono piegarsi in una forma specifica per funzionare correttamente. L’acqua guida la piegatura delle catene dell’amminoacido mentre i tipi differenti di amminoacidi cercano ed evitano l’interazione con acqua. Le proteine forniscono la struttura, ricevono i segnali e catalizzano le reazioni chimiche nella cellula. In questo modo, le proteine sono i cavalli di battaglia delle cellule. In definitiva le proteine guidano la contrazione dei muscoli, la comunicazione, la digestione dei nutrienti e molte altre funzioni vitali. Senza la forma corretta, le proteine non sarebbero in grado di svolgere queste funzioni e una cellula (per non parlare di un intero essere umano) non potrebbe sopravvivere. Allo stesso modo, il DNA deve essere in una forma specifica per le sue istruzioni da decodificare correttamente. Le proteine che leggono o copiano il DNA possono legare solo il DNA che ha una forma particolare. Le molecole d’acqua circondano il DNA in modo ordinato per supportare la sua caratteristica conformazione a doppia elica. Senza questa forma, le cellule non sarebbero in grado di seguire le accurate istruzioni codificate dal DNA o di passare le istruzioni sulle cellule future, rendendo la crescita umana, la riproduzione e, in definitiva, la sopravvivenza irrealizzabile .

Reazioni chimiche dell’acqua

L’acqua è direttamente coinvolta in molte reazioni chimiche per costruire e abbattere componenti importanti della cellula. La fotosintesi, il processo nelle piante che crea zuccheri per tutte le forme di vita, richiede acqua. L’acqua partecipa anche alla costruzione di molecole più grandi nelle cellule. Molecole come il DNA e le proteine sono fatte di unità ripetitive di molecole più piccole. Mettere insieme queste piccole molecole avviene attraverso una reazione che produce acqua. Al contrario, l’acqua è necessaria per la reazione inversa che scompone queste molecole, consentendo alle cellule di ottenere nutrienti o riutilizzare pezzi di grandi molecole.

Inoltre, l’acqua assorbe le cellule dagli effetti pericolosi di acidi e basi. Sostanze altamente acide o basiche, come candeggina o acido cloridrico, sono corrosive anche per i materiali più durevoli. Questo perché acidi e basi rilasciano idrogeni in eccesso o assorbono idrogeni in eccesso, rispettivamente, dai materiali circostanti. Perdere o guadagnare idrogeni caricati positivamente interrompe la struttura delle molecole. Come abbiamo imparato, le proteine richiedono una struttura specifica per funzionare correttamente, quindi è importante proteggerle da acidi e basi. L’acqua fa questo agendo sia come acido che come base (Figura 4). Sebbene i legami chimici all’interno di una molecola d’acqua siano molto stabili, è possibile che una molecola d’acqua rinunci a un idrogeno e diventi OH–, agendo così come base, o accetti un altro idrogeno e diventi H3O+, agendo così come un acido. Questa adattabilità consente all’acqua di combattere drastici cambiamenti di pH dovuti a sostanze acide o basiche nel corpo in un processo chiamato buffering. In definitiva, questo protegge le proteine e altre molecole nella cellula.

In conclusione, l’acqua è vitale per tutta la vita. La sua versatilità e adattabilità aiutano a eseguire importanti reazioni chimiche. La sua semplice struttura molecolare aiuta a mantenere forme importanti per i componenti interni delle cellule e la membrana esterna. Nessun’altra molecola corrisponde all’acqua quando si tratta di proprietà uniche che supportano la vita. In modo eccitante, i ricercatori continuano a stabilire nuove proprietà dell’acqua come effetti aggiuntivi della sua struttura asimmetrica. Gli scienziati devono ancora determinare gli impatti fisiologici di queste proprietà. È incredibile come una semplice molecola sia universalmente importante per organismi con esigenze diverse.

Molly Sargen è una dottoranda del primo anno nel programma di scienze biologiche e biomediche presso la Harvard Medical School.

Dan Utter è uno studente di dottorato di quinto anno in Biologia Organismica ed Evolutiva presso l’Università di Harvard.

Per ulteriori informazioni:

• Per saperne di più sull’importanza della solubilità dei farmaci, vedere questo articolo.
• Dai un’occhiata a questi articoli per ulteriori informazioni sulle proteine e su come l’acqua influisce sulla loro piegatura.
• Ulteriori informazioni sui fosfolipidi qui.
• Scopri di più sull’acqua influisce sulla struttura del DNA qui.
• Ulteriori informazioni su acidi e basi qui.
• Scopri le proprietà uniche dell’acqua in questa pagina o le proprietà dell’acqua scoperte di recente in questo articolo.

Questo articolo fa parte della nostra edizione speciale sull’acqua. Per saperne di più, controlla la nostra homepage edizione speciale!