By Molly Sargen
数字by Daniel Utter

水は人間の体重の60〜75％を占めています。 総体水分のわずか4％の損失は脱水につながり、15％の損失は致命的になる可能性があります。 同様に、人は食べ物なしで月に生き残ることができますが、水なしで3日間生き残ることはできません。 この水への重要な依存は、すべての生命体を広く支配しています。 明らかに水は生存のために不可欠ですが、何がそれを必要としていますか？

水の分子構造

生命を支える水の役割の多くは、その分子構造といくつかの特殊な特性によるものです。 水は、2つの小さな正に帯電した水素原子と1つの大きな負に帯電した酸素原子からなる単純な分子です。 水素が酸素に結合すると、一方の側に正の電荷を持ち、他方の側に負の電荷を持つ非対称分子が生成します（図1）。 この電荷差は極性と呼ばれ、水が他の分子とどのように相互作用するかを決定します。

水は「普遍的な溶媒」です

極性分子として、水はそれ自体のような他の極性分子と最もよく相互作用します。 これは反対の充満が互いを引き付けるか現象のためにあります: それぞれの個々の水分子は負の部分と正の部分の両方を有するので、それぞれの側は反対の電荷の分子に引き寄せられる。 この引力は、水が他の水分子を含むその周りの他の極性分子と、結合と呼ばれる比較的強い結合を形成することを可能にする。 この場合、1つの水分子の正の水素は、隣接する分子の負の酸素と結合し、その水素は次の酸素に引き寄せられます（図1）。 重要なことは、この結合は、水分子が凝集と呼ばれる特性で一緒に固執することになります。 水分子の凝集は、植物が根に水を取り込むのに役立ちます。 凝集はまた、動物が体温を調節するのを助ける水の高沸点に寄与する。

さらに、ほとんどの生体分子はある程度の電気的非対称性を持っているので、それらも極性であり、水分子はそれらの正と負の領域の両方と結合を形成し、取り囲むことができる。 別の物質の極性分子を囲む行為では、水は分子間のすべての隅と割れ目にその方法をうねる、効果的にそれを分解しているそれを分解しています。 これは、水に砂糖の結晶を入れたときに何が起こるかです：水と砂糖の両方が極性であり、個々の水分子が個々の砂糖分子を取り囲み、砂糖を分解して溶解 極性と同様に、いくつかの分子はイオン、または反対に荷電粒子でできています。 水は、正に荷電粒子と負に荷電した粒子の両方と相互作用することによって、これらのイオン分子を同様に分解する。 塩はナトリウムと塩化物イオンで構成されているので、これは水に塩を入れると何が起こるかです。

様々な分子を溶解する水の豊富な能力は、”普遍的な溶媒”の指定を得ており、水を非常に貴重な生命維持力としているのはこの能力です。 生物学的レベルでは、溶媒としての水の役割は、細胞が酸素や栄養素などの物質を輸送して使用するのに役立ちます。 血液のような水ベースの溶液は、必要な場所に分子を運ぶのに役立ちます。 したがって、溶媒としての水の役割は、呼吸のための酸素のような分子の輸送を容易にし、薬物が体内の標的に到達する能力に大きな影響を与える。

水は細胞構造を支えている

水は生物学においても重要な構造的役割を果たしている。 視覚的には、水は細胞を満たし、形状と構造を維持するのに役立ちます（図2）。 多くの細胞（人体を構成する細胞を含む）の中の水は、風船に空気を入れるのと同様に、外力に対抗する圧力を作り出します。 しかし、水なしで細胞構造を維持することができるいくつかの植物でさえ、まだ生き残るために水を必要とする。 水は、細胞内のすべてのものが分子レベルで正しい形状を持つことを可能にします。 形状は生化学的プロセスにとって重要であるため、これは水の最も重要な役割の一つでもあります。

水は細胞を取り囲む膜の形成にも寄与します。 地球上のすべての細胞は膜に囲まれており、そのほとんどはリン脂質と呼ばれる分子の二つの層によって形成されています（図3）。 リン脂質は、水のように、2つの異なる成分を持っています：極性の「頭」と非極性の「尾」。「このため、極性の頭は水と相互作用し、非極性の尾は水を避け、代わりに互いに相互作用しようとします。 これらの良好な相互作用を求めて、リン脂質は、水を除いて、頭部が周囲の水に向かって外側に向いており、尾部が内側に向いている二重層を自発的に形 二重層は細胞を取り囲んでおり、塩や栄養素などの物質が細胞に出入りすることを選択的に可能にします。 膜の形成に関与する相互作用は、膜が自発的に形成され、容易に破壊されないほど十分に強い。 水がなければ、細胞膜は構造を欠いており、適切な膜構造がなければ、細胞は細胞内の重要な分子と細胞外の有害な分子を保持することができないで

細胞全体の形状に影響を与えることに加えて、水はすべての細胞のいくつかの基本的な構成要素、すなわちDNAとタンパク質にも影響を与えます。 蛋白質はアミノ酸と呼ばれるブロックの長い鎖として作り出され、正しく作用するために特定の形に折る必要があります。 水は異なったタイプのアミノ酸が水と相互に作用していることを追求し、避けると同時にアミノ酸の鎖の折畳みを運転する。 蛋白質は構造を提供し、信号を受け取り、そして細胞の化学反応に触媒作用を及ぼします。 このようにして、タンパク質は細胞の主力です。 最終的にタンパク質は、筋肉の収縮、コミュニケーション、栄養素の消化、および他の多くの重要な機能を駆動します。 適切な形状がなければ、タンパク質はこれらの機能を果たすことができず、細胞（ヒト全体はおろか）は生き残ることができませんでした。 同様に、DNAは、その命令が適切に解読されるために特定の形状である必要がある。 DNAを読み取りまたはコピーするタンパク質は、特定の形状を有するDNAのみに結合することができる。 水分子は、その特徴的な二重らせん立体配座をサポートするために秩序のある方法でDNAを囲みます。 この形状がなければ、細胞はDNAによってコードされた慎重な指示に従うことができず、将来の細胞に指示を渡すことができず、ヒトの成長、生殖、最終的には生存が不可能である。

水の化学反応

水は、細胞の重要な構成要素を構築し、分解するための多くの化学反応に直接関与しています。 光合成、すべての生命体のための糖を作成する植物のプロセスは、水を必要とします。 水はまた、細胞内のより大きな分子の構築にも関与しています。 DNAおよび蛋白質のような分子はより小さい分子の反復的な単位から成っています。 これらの小分子を一緒に置くことは、水を生成する反応を介して発生します。 逆に、これらの分子を分解する逆反応には水が必要であり、細胞が栄養素を得たり、大きな分子の断片を再利用したりすることができます。

さらに、水は酸や塩基の危険な影響から細胞を緩衝します。 漂白剤や塩酸のような酸性または塩基性の高い物質は、最も耐久性のある材料でさえ腐食性があります。 これは、酸および塩基が過剰な水素を放出するか、または周囲の材料から過剰な水素をそれぞれ占有するためである。 正に荷電した水素を失うか、または得ることは分子の構造を破壊する。 我々が学んだように、タンパク質は適切に機能するために特定の構造を必要とするので、酸や塩基からそれらを保護することが重要です。 水は酸と塩基の両方として作用することによってこれを行います（図4）。 水分子内の化学結合は非常に安定していますが、水分子が水素を放棄してOH–になり、塩基として作用するか、別の水素を受け入れてh3O+になり、酸 この適応性は水が緩衝と呼ばれるプロセスのボディの酸性か塩基性物質によるpHの徹底的な変更を戦うようにします。 最終的に、これは細胞の蛋白質そして他の分子を保護します。

結論として、水はすべての生命にとって不可欠です。 その多様性および適応性は重要な化学反応を行うのを助ける。 その簡単な分子構造の助けは細胞の内部の部品および外の膜のための重要な形を維持します。 生命を支える独特な特性に関しては他の分子が水に一致させない。 興奮して、研究者は、その非対称構造の追加の効果などの水の新しい特性を確立し続けています。 科学者たちは、これらの特性の生理学的影響をまだ決定していません。 単純な分子が多様なニーズを持つ生物にとって普遍的に重要であることは驚くべきことです。

Molly Sargenは、Harvard Medical Schoolの生物学的および生物医学的科学プログラムの1年目の博士課程の学生です。

ダン-アッターは、ハーバード大学の生物学と進化生物学の五年の博士課程の学生です。

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• 薬物溶解性の重要性の詳細については、この記事を参照してください。
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• 水がDNA構造に影響を与えることについての詳細はこちらをご覧ください。
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この記事は、私たちの水に関する特別版の一部です。 続きを読むには、私たちの特別版のホームページをチェックしてくださ