door Molly Sargen
cijfers door Daniel Utter

Water maakt 60-75% van het menselijk lichaamsgewicht uit. Een verlies van slechts 4% van het totale lichaamsvocht leidt tot uitdroging, en een verlies van 15% kan fataal zijn. Ook kan een persoon overleven een maand zonder voedsel, maar zou niet overleven 3 dagen zonder water. Deze cruciale afhankelijkheid van water beheerst in grote lijnen alle levensvormen. Het is duidelijk dat water essentieel is om te overleven, maar wat maakt het zo noodzakelijk?

de moleculaire samenstelling van Water

veel van de rol van water in het leven is te danken aan zijn moleculaire structuur en enkele speciale eigenschappen. Water is een eenvoudig molecuul dat bestaat uit twee kleine, positief geladen waterstofatomen en een groot negatief geladen zuurstofatoom. Wanneer de waterstof aan de zuurstof bindt, ontstaat er een asymmetrisch molecuul met positieve lading aan de ene kant en negatieve lading aan de andere kant (figuur 1). Dit ladingsdifferentieel wordt polariteit genoemd en dicteert hoe water met andere molecules in wisselwerking staat.

Water is het”universele oplosmiddel”

als een polair molecuul interageert water het beste met andere polaire moleculen, zoals zichzelf. Dit komt door het fenomeen waarbij tegengestelde ladingen elkaar aantrekken: omdat elk individueel watermolecuul zowel een negatief gedeelte als een positief gedeelte heeft, wordt elke kant aangetrokken tot moleculen van de tegenovergestelde lading. Door deze aantrekking kan water relatief sterke verbindingen vormen met andere polaire moleculen eromheen, waaronder andere watermoleculen. In dit geval zal de positieve waterstof van een watermolecuul zich binden met de negatieve zuurstof van het aangrenzende molecuul, waarvan de eigen waterstof wordt aangetrokken door de volgende zuurstof, enzovoort (figuur 1). Belangrijk is dat deze binding watermoleculen aan elkaar laat kleven in een eigenschap die cohesie heet. De samenhang van watermoleculen helpt planten bij het opnemen van water bij hun wortels. Cohesie draagt ook bij aan het hoge kookpunt van water, dat dieren helpt de lichaamstemperatuur te reguleren.

bovendien, omdat de meeste biologische moleculen enige elektrische asymmetrie hebben, zijn ook zij polair en kunnen watermoleculen bindingen vormen met en omringen zowel hun positieve als negatieve gebieden. In de handeling van het omringen van de polaire moleculen van een andere stof, water kronkelt zijn weg in alle hoeken en gaatjes tussen moleculen, effectief breken het uit elkaar op te lossen. Dit is wat er gebeurt als je suikerkristallen in water doet: zowel water als suiker zijn polair, waardoor individuele watermoleculen individuele suikermoleculen kunnen omringen, de suiker uit elkaar halen en oplossen. Vergelijkbaar met polariteit, zijn sommige moleculen gemaakt van ionen, of tegenovergesteld geladen deeltjes. Water breekt deze Ionische moleculen ook door interactie met zowel de positief als negatief geladen deeltjes. Dit gebeurt er als je zout in water doet, omdat zout bestaat uit natrium-en chloride-ionen.

het uitgebreide vermogen van Water om een verscheidenheid aan moleculen op te lossen heeft het de benaming “universeel oplosmiddel” opgeleverd, en het is dit vermogen dat water zo ‘ n onschatbare levensondersteunende kracht maakt. Op biologisch niveau helpt de rol van water als oplosmiddel cellen om stoffen zoals zuurstof of voedingsstoffen te transporteren en te gebruiken. Op Water gebaseerde oplossingen zoals bloed helpen moleculen naar de nodige locaties te dragen. Aldus, vergemakkelijkt de rol van water als oplosmiddel het vervoer van molecules zoals zuurstof voor ademhaling en heeft een belangrijke invloed op de capaciteit van drugs om hun doelstellingen in het lichaam te bereiken.

water ondersteunt de cellulaire structuur

Water speelt ook een belangrijke structurele rol in de biologie. Visueel vult water cellen om vorm en structuur te behouden (Figuur 2). Het water in veel cellen (inclusief die waaruit het menselijk lichaam bestaat) zorgt voor druk die tegen externe krachten ingaat, vergelijkbaar met het plaatsen van lucht in een ballon. Echter, zelfs sommige planten, die hun celstructuur zonder water kunnen behouden, hebben nog steeds water nodig om te overleven. Water zorgt ervoor dat alles in cellen de juiste vorm heeft op moleculair niveau. Omdat vorm cruciaal is voor biochemische processen, is dit ook een van de belangrijkste rollen van water.

Water draagt ook bij tot de vorming van membranen rond cellen. Elke cel op aarde is omgeven door een membraan, waarvan de meeste gevormd worden door twee lagen moleculen genaamd fosfolipiden (Figuur 3). De fosfolipiden hebben, net als water, twee verschillende componenten: een polaire “kop” en een niet-polaire “staart.”Hierdoor interageren de poolkoppen met water, terwijl de niet-polaire staarten water proberen te vermijden en in plaats daarvan met elkaar communiceren. Op zoek naar deze gunstige interacties, fosfolipiden spontaan vormen bilagen met de hoofden naar buiten gericht naar het omringende water en de staarten naar binnen gericht, met uitzondering van water. De dubbellaag omringt cellen en staat selectief substanties zoals zouten en voedingsstoffen toe om de cel in te gaan en te verlaten. De interacties die betrokken zijn bij het vormen van het membraan zijn sterk genoeg dat de membranen spontaan vormen en niet gemakkelijk worden verstoord. Zonder water, zouden de celmembranen structuur missen, en zonder juiste membraanstructuur, zouden de cellen niet in staat zijn om belangrijke molecules binnen de cel en schadelijke molecules buiten de cel te houden.

water beïnvloedt niet alleen de algemene vorm van cellen, maar ook een aantal fundamentele componenten van elke cel: DNA en eiwitten. De proteã nen worden geproduceerd als een lange keten van bouwstenen genoemd aminozuren en moeten in een specifieke vorm vouwen om correct te functioneren. Het Water drijft het vouwen van aminozuurketens aangezien de verschillende types van aminozuren interactie met water zoeken en vermijden. De proteã nen verstrekken structuur, ontvangen signalen, en katalyseren chemische reacties in de cel. Op deze manier zijn eiwitten de werkpaarden van cellen. Uiteindelijk leiden eiwitten tot samentrekking van spieren, communicatie, vertering van voedingsstoffen en vele andere vitale functies. Zonder de juiste vorm zouden eiwitten deze functies niet kunnen uitvoeren en zou een cel (laat staan een hele mens) niet kunnen overleven. Op dezelfde manier moet DNA in een specifieke vorm zijn om zijn instructies goed te decoderen. De proteã nen die DNA lezen of kopiëren kunnen DNA slechts binden dat een bepaalde vorm heeft. Watermoleculen omringen DNA op een geordende manier om zijn karakteristieke dubbel-helixconstructie te ondersteunen. Zonder deze vorm, zouden de cellen niet in staat zijn om de zorgvuldige instructies te volgen die door DNA worden gecodeerd of om de instructies aan toekomstige cellen door te geven, die menselijke groei, reproductie, en, uiteindelijk, overleving ondoenlijk maken .

chemische reacties van Water

Water is direct betrokken bij veel chemische reacties om belangrijke componenten van de cel op te bouwen en af te breken. Fotosynthese, het proces in planten dat suikers creëert voor alle levensvormen, vereist water. Water neemt ook deel aan het bouwen van grotere moleculen in cellen. Molecules zoals DNA en proteã nen worden gemaakt van repetitieve eenheden van kleinere molecules. Het samenbrengen van deze kleine moleculen gebeurt door een reactie die water produceert. Omgekeerd, wordt water vereist voor de omgekeerde reactie die deze molecules afbreekt, die cellen toestaat om voedingsstoffen te verkrijgen of stukken van grote molecules te hergebruiken.

bovendien buffert water cellen van de gevaarlijke effecten van zuren en basen. Zeer zure of basische stoffen, zoals bleekmiddel of zoutzuur, zijn corrosief voor zelfs de meest duurzame materialen. Dit komt omdat zuren en basen overtollige waterstof afgeven of overtollige waterstof opnemen, respectievelijk, uit de omringende materialen. Het verliezen of verkrijgen van positief geladen waterstofstoffen verstoort de structuur van moleculen. Zoals we hebben geleerd, hebben eiwitten een specifieke structuur nodig om goed te functioneren, dus het is belangrijk om ze te beschermen tegen zuren en basen. Water doet dit door zowel een zuur als een base te zijn (figuur 4). Hoewel de chemische bindingen in een watermolecuul zeer stabiel zijn, is het mogelijk voor een watermolecuul om een waterstof op te geven en OH– te worden, dus als base, of een andere waterstof te accepteren en H3O+ te worden, dus als zuur. Dit aanpassingsvermogen laat water toe om drastische veranderingen van pH als gevolg van zure of basische stoffen in het lichaam te bestrijden in een proces dat buffering wordt genoemd. Uiteindelijk beschermt dit eiwitten en andere moleculen in de cel.

kortom, water is van vitaal belang voor al het leven. Zijn veelzijdigheid en aanpassingsvermogen helpen bij het uitvoeren van belangrijke chemische reacties. De eenvoudige moleculaire structuur helpt belangrijke vormen voor cellen’ innerlijke componenten en buitenmembraan te handhaven. Geen enkel ander molecuul komt overeen met water als het gaat om unieke eigenschappen die leven ondersteunen. Spannend blijven onderzoekers nieuwe eigenschappen van water vaststellen, zoals extra effecten van de asymmetrische structuur. Wetenschappers moeten nog de fysiologische effecten van deze eigenschappen bepalen. Het is verbazingwekkend hoe een eenvoudig molecuul universeel belangrijk is voor organismen met uiteenlopende behoeften. Molly Sargen is een eerstejaars promovendus in het Biological and Biomedical Sciences Program aan de Harvard Medical School.

Dan Utter is een vijfde-jaars PhD student in Organismische en evolutionaire biologie aan Harvard University.

voor meer informatie:

• voor meer informatie over het belang van geneesmiddeloplosbaarheid zie dit artikel.
• bekijk deze artikelen voor meer informatie over eiwitten en hoe water hun vouwen beïnvloedt.
• Leer hier meer over fosfolipiden.
• Leer hier meer over water beïnvloedt de DNA-structuur.
• Leer hier meer over zuren en basen.
• bekijk de unieke eigenschappen van water op deze pagina of recent ontdekte eigenschappen van water op dit artikel.

dit artikel maakt deel uit van onze speciale editie over water. Om meer te lezen, kijk op onze special edition homepage!