Av Molly Sargen
tall Av Daniel Utter

Vann utgjør 60-75% av kroppsvekten. Et tap på bare 4% av total kroppsvann fører til dehydrering, og et tap på 15% kan være dødelig. På samme måte kan en person overleve en måned uten mat, men ville ikke overleve 3 dager uten vann. Denne avgjørende avhengigheten av vann styrer i stor grad alle livsformer. Klart vann er viktig for overlevelse, men hva gjør det så nødvendig?

Vannets Molekylære Sammensetning

Mange av vannets roller i å støtte liv skyldes dens molekylære struktur og noen spesielle egenskaper. Vann er et enkelt molekyl som består av to små, positivt ladede hydrogenatomer og et stort negativt ladet oksygenatom. Når hydrogenene binder seg til oksygen, skaper det et asymmetrisk molekyl med positiv ladning på den ene siden og negativ ladning på Den andre siden (Figur 1). Denne ladningsforskjellen kalles polaritet og dikterer hvordan vann interagerer med andre molekyler.

Vann Er Det»Universelle Løsningsmidlet»

som et polært molekyl interagerer vann best med andre polare molekyler, som seg selv. Dette er på grunn av fenomenet der motsatte kostnader tiltrekke hverandre: fordi hvert enkelt vannmolekyl har både en negativ del og en positiv del, tiltrekkes hver side av molekyler med motsatt ladning. Denne attraksjonen tillater vann å danne relativt sterke forbindelser, kalt bindinger, med andre polare molekyler rundt det, inkludert andre vannmolekyler. I dette tilfellet vil det positive hydrogenet i ett vannmolekyl binde seg til det negative oksygen i det tilstøtende molekylet, hvis egne hydrogen er tiltrukket av neste oksygen, og så videre (Figur 1). Det er viktig at denne bindingen gjør at vannmolekyler holder seg sammen i en egenskap som kalles kohesjon. Samholdet mellom vannmolekyler hjelper planter å ta opp vann ved sine røtter. Samhold bidrar også til vannets høye kokepunkt, noe som hjelper dyr med å regulere kroppstemperaturen.

siden de fleste biologiske molekyler har noe elektrisk asymmetri, er de også polare og vannmolekyler kan danne bindinger med og omgir både deres positive og negative regioner. I handlingen om å omgjøre polarmolekylene til et annet stoff, svinger vannet seg inn i alle kroker og kroker mellom molekyler, og effektivt bryter det fra hverandre, løser det opp. Dette er hva som skjer når du setter sukkerkrystaller i vann: både vann og sukker er polare, slik at individuelle vannmolekyler omgir individuelle sukkermolekyler, bryter fra hverandre sukkeret og løser det. I likhet med polaritet er noen molekyler laget av ioner eller motsatt ladede partikler. Vann bryter fra hverandre disse ioniske molekylene også ved å interagere med både de positivt og negativt ladede partiklene. Dette er hva som skjer når du setter salt i vann, fordi salt består av natrium-og kloridioner.

Vannets omfattende evne til å oppløse en rekke molekyler har tjent det betegnelsen «universelt løsningsmiddel», og det er denne evnen som gjør vann til en uvurderlig livsopprettholdende kraft. På biologisk nivå hjelper vannets rolle som løsemiddel celler med å transportere og bruke stoffer som oksygen eller næringsstoffer. Vannbaserte løsninger som blod bidrar til å bære molekyler til de nødvendige stedene. Dermed letter vannets rolle som løsemiddel transport av molekyler som oksygen for respirasjon og har stor innvirkning på stoffets evne til å nå sine mål i kroppen.

Vann Støtter Cellestruktur

Vann har også en viktig strukturell rolle i biologi. Visuelt fyller vann celler for å opprettholde form og struktur (Figur 2). Vannet i mange celler (inkludert de som utgjør menneskekroppen) skaper trykk som motsetter seg ytre krefter, som ligner på å sette luft i en ballong. Men selv noen planter, som kan opprettholde sin cellestruktur uten vann, krever fortsatt vann for å overleve. Vann gjør at alt inne i cellene har riktig form på molekylært nivå. Siden form er kritisk for biokjemiske prosesser, er dette også en av vannets viktigste roller.

Vann bidrar også til dannelsen av membraner som omgir celler. Hver celle på Jorden er omgitt av en membran, hvorav de fleste er dannet av to lag molekyler kalt fosfolipider (Figur 3). Fosfolipidene, som vann, har to forskjellige komponenter: et polar » hode «og en ikke-polar» hale.»På grunn av dette samhandler polarhodene med vann, mens de ikke-polare haler prøver å unngå vann og samhandle med hverandre i stedet. Søker disse gunstige interaksjonene, danner fosfolipider spontant bilag med hodene vendt utover mot det omkringliggende vannet og haler vender innover, unntatt vann. Dobbeltlaget omgir celler og lar selektivt stoffer som salter og næringsstoffer komme inn og ut av cellen. Interaksjonene som er involvert i å danne membranen er sterke nok til at membranene dannes spontant og ikke lett forstyrres. Uten vann ville cellemembraner mangle struktur, og uten riktig membranstruktur ville celler ikke kunne holde viktige molekyler inne i cellen og skadelige molekyler utenfor cellen.

i tillegg til å påvirke cellenes generelle form, påvirker vann også noen grunnleggende komponenter i hver celle: DNA og proteiner. Proteiner produseres som en lang kjede av byggeklosser kalt aminosyrer og må foldes inn i en bestemt form for å fungere riktig. Vann driver folding av aminosyrekjeder som forskjellige typer aminosyrer søker og unngår samspill med vann. Proteiner gir struktur, mottar signaler og katalyserer kjemiske reaksjoner i cellen. På denne måten er proteiner arbeidshester av celler. Til slutt driver proteiner sammentrekning av muskler, kommunikasjon, fordøyelse av næringsstoffer og mange andre vitale funksjoner. Uten riktig form ville proteiner ikke kunne utføre disse funksjonene, og en celle (enn si et helt menneske) kunne ikke overleve. PÅ SAMME måte MÅ DNA være i en bestemt form for at instruksjonene skal dekodes riktig. Proteiner som leser ELLER kopierer DNA kan bare binde DNA som har en bestemt form. Vannmolekyler omgir DNA på en bestilt måte for å støtte sin karakteristiske dobbelthelixkonformasjon. Uten denne formen ville celler ikke kunne følge de forsiktige instruksjonene kodet AV DNA eller å sende instruksjonene til fremtidige celler, noe som gjør menneskelig vekst, reproduksjon og til slutt overlevelse umulig .

Kjemiske Reaksjoner Av Vann

Vann er direkte involvert i mange kjemiske reaksjoner for å bygge og bryte ned viktige komponenter i cellen. Fotosyntese, prosessen i planter som skaper sukker for alle livsformer, krever vann. Vann deltar også i å bygge større molekyler i celler. Molekyler SOM DNA og proteiner er laget av repeterende enheter av mindre molekyler. Å sette disse små molekylene sammen skjer gjennom en reaksjon som produserer vann. Omvendt er det nødvendig med vann for omvendt reaksjon som bryter ned disse molekylene, slik at cellene kan skaffe næringsstoffer eller omdanne deler av store molekyler.

i Tillegg bufferer vannceller fra de farlige effektene av syrer og baser. Svært sure eller basiske stoffer, som blekemiddel eller saltsyre, er etsende for selv de mest holdbare materialene. Dette skyldes at syrer og baser frigjør overskytende hydrogen eller tar opp henholdsvis overskytende hydrogen fra de omkringliggende materialene. Å miste eller få positivt ladede hydrogen forstyrrer strukturen av molekyler. Som vi har lært, krever proteiner en bestemt struktur for å fungere skikkelig, så det er viktig å beskytte dem mot syrer og baser. Vann gjør dette ved å fungere som både en syre og en base(Figur 4). Selv om de kjemiske bindingene i et vannmolekyl er svært stabile, er det mulig for et vannmolekyl å gi opp et hydrogen og bli OH -, og dermed fungere som en base, eller godta et annet hydrogen og bli H3O+, og dermed virke som en syre. Denne tilpasningsevnen gjør det mulig for vann å bekjempe drastiske endringer i pH på grunn av sure eller basiske stoffer i kroppen i en prosess som kalles buffering. Til slutt beskytter dette proteiner og andre molekyler i cellen.

til slutt er vann viktig for alt liv. Dens allsidighet og tilpasningsevne bidrar til å utføre viktige kjemiske reaksjoner. Den enkle molekylære strukturen bidrar til å opprettholde viktige former for cellens indre komponenter og ytre membran. Ingen andre molekyler samsvarer med vann når det gjelder unike egenskaper som støtter livet. Spennende fortsetter forskerne å etablere nye egenskaper av vann som ytterligere effekter av sin asymmetriske struktur. Forskere har ennå ikke bestemt de fysiologiske effektene av disse egenskapene. Det er utrolig hvordan et enkelt molekyl er universelt viktig for organismer med ulike behov.

Molly Sargen er En Første års Doktorgradsstudent I Biologisk Og Biomedisinsk Vitenskapsprogram Ved Harvard Medical School.

Dan Utter er en femte år Doktorgradsstudent I Organismisk Og Evolusjonær Biologi Ved Harvard University.

For Mer Informasjon:

• hvis du vil vite mer om viktigheten av stoffet løselighet se denne artikkelen.
• Sjekk ut disse artiklene for mer informasjon om proteiner og hvordan vann påvirker deres folding.
• Lær mer om fosfolipider her.
• Lær mer om vann påvirker DNA-strukturen her.
• Lær mer om syrer og baser her.
• Sjekk ut de unike egenskapene til vann på denne siden eller nylig oppdagede egenskaper av vann på denne artikkelen.

denne artikkelen er en del av vår spesialutgave på vann. For å lese mer, sjekk ut vår spesialutgave hjemmeside!