Molly Sargen
dane Daniela Uttera

woda stanowi 60-75% masy ciała człowieka. Utrata zaledwie 4% całkowitej wody w organizmie prowadzi do odwodnienia, a utrata 15% może być śmiertelna. Podobnie osoba może przetrwać miesiąc bez jedzenia, ale nie przeżyje 3 dni bez wody. Ta zasadnicza zależność od wody zasadniczo rządzi wszystkimi formami życia. Oczywiście woda jest niezbędna do przetrwania, ale co czyni ją tak niezbędną?

molekularny skład wody

wiele ról wody we wspieraniu życia wynika z jej struktury molekularnej i kilku specjalnych właściwości. Woda jest prostą cząsteczką złożoną z dwóch małych, dodatnio naładowanych atomów wodoru i jednego dużego ujemnie naładowanego atomu tlenu. Kiedy wodory wiążą się z tlenem, tworzy on asymetryczną cząsteczkę z dodatnim ładunkiem po jednej stronie i ujemnym ładunkiem po drugiej stronie (Rysunek 1). Ta różnica ładunku nazywana jest polaryzacją i określa, w jaki sposób woda oddziałuje z innymi cząsteczkami.

woda jest „uniwersalnym rozpuszczalnikiem”

jako cząsteczka polarna, woda najlepiej współdziała z innymi cząsteczkami polarnymi, takimi jak ona sama. Wynika to ze zjawiska, w którym przeciwne ładunki przyciągają się nawzajem: ponieważ każda pojedyncza cząsteczka wody ma zarówno część ujemną, jak i dodatnią, każda strona jest przyciągana do cząsteczek o przeciwnym ładunku. Przyciąganie to pozwala wodzie tworzyć stosunkowo silne połączenia, zwane wiązaniami, z innymi cząsteczkami polarnymi wokół niej, w tym innymi cząsteczkami wody. W tym przypadku dodatni Wodór jednej cząsteczki wody będzie wiązał się z ujemnym tlenem sąsiedniej cząsteczki, której własne wodory są przyciągane do następnego tlenu, i tak dalej (Rysunek 1). Co ważne, Wiązanie to sprawia, że cząsteczki wody sklejają się ze sobą w właściwość zwaną spójnością. Spójność cząsteczek wody pomaga roślinom pobierać wodę u ich korzeni. Spójność przyczynia się również do wysokiej temperatury wrzenia wody, co pomaga zwierzętom regulować temperaturę ciała.

Ponadto, ponieważ większość cząsteczek biologicznych ma pewną asymetrię elektryczną, one również są polarne, a cząsteczki wody mogą tworzyć wiązania i otaczać zarówno swoje pozytywne, jak i negatywne regiony. W akcie otaczania polarnych cząsteczek innej substancji Woda wije się we wszystkich zakamarkach między cząsteczkami, skutecznie rozbijając ją rozpuszczając. Oto, co się dzieje, gdy wkładamy kryształy cukru do wody: zarówno woda, jak i cukier są polarne, co pozwala poszczególnym cząsteczkom wody otaczać poszczególne cząsteczki cukru, rozbijając cukier i rozpuszczając go. Podobnie jak polaryzacja, niektóre cząsteczki są zbudowane z jonów lub przeciwstawnie naładowanych cząstek. Woda rozbija te cząsteczki jonowe, jak również poprzez interakcję z dodatnio i ujemnie naładowanych cząstek. Tak się dzieje, gdy dodajemy sól do wody, ponieważ sól składa się z jonów sodu i chlorku.

szeroka zdolność wody do rozpuszczania różnych cząsteczek przyniosła jej miano „uniwersalnego rozpuszczalnika” i to właśnie ta zdolność sprawia, że woda jest tak nieocenioną siłą podtrzymującą życie. Na poziomie biologicznym rola wody jako rozpuszczalnika pomaga komórkom transportować i wykorzystywać substancje, takie jak tlen lub składniki odżywcze. Roztwory na bazie wody, takie jak krew, pomagają przenosić cząsteczki do niezbędnych miejsc. Tak więc rola wody jako rozpuszczalnika ułatwia transport cząsteczek takich jak tlen do oddychania i ma duży wpływ na zdolność leków do osiągnięcia swoich celów w organizmie.

woda wspiera strukturę komórkową

woda ma również ważną rolę strukturalną w biologii. Wizualnie woda wypełnia komórki, aby pomóc w utrzymaniu kształtu i struktury (Rysunek 2). Woda wewnątrz wielu komórek (w tym tych, które tworzą ludzkie ciało) tworzy ciśnienie, które przeciwstawia się siłom zewnętrznym, podobnie jak wprowadzanie powietrza do balonu. Jednak nawet niektóre rośliny, które mogą utrzymać swoją strukturę komórkową bez wody, nadal potrzebują wody, aby przetrwać. Woda pozwala, aby wszystko wewnątrz komórek miało odpowiedni kształt na poziomie molekularnym. Ponieważ kształt ma kluczowe znaczenie dla procesów biochemicznych, jest to również jedna z najważniejszych ról wody.

woda przyczynia się również do tworzenia błon otaczających komórki. Każda komórka na Ziemi otoczona jest błoną, z której większość tworzą dwie warstwy cząsteczek zwanych fosfolipidami(ryc. 3). Fosfolipidy, podobnie jak woda, mają dwa odrębne składniki: biegunową ” głowę „i niepolarny” ogon.”Z tego powodu głowy biegunowe oddziałują z wodą, podczas gdy ogony niepolarne starają się unikać wody i oddziałują ze sobą. Poszukując tych korzystnych interakcji, fosfolipidy spontanicznie tworzą dwie warstwy z głowami skierowanymi na zewnątrz w kierunku otaczającej wody i ogonami skierowanymi do wewnątrz, z wyłączeniem wody. Dwuwarstwowa otacza komórki i selektywnie pozwala substancji, takich jak sole i składniki odżywcze, aby wejść i wyjść z komórki. Interakcje związane z tworzeniem membrany są na tyle silne, że membrany tworzą się spontanicznie i nie są łatwo zakłócone. Bez wody, błonom komórkowym brakuje struktury, a bez odpowiedniej struktury błon komórkowych komórki nie byłyby w stanie utrzymać ważnych cząsteczek wewnątrz komórki i szkodliwych cząsteczek na zewnątrz komórki.

oprócz wpływu na ogólny kształt komórek, woda wpływa również na niektóre podstawowe składniki każdej komórki: DNA i białka. Białka są produkowane jako długi łańcuch bloków budulcowych zwanych aminokwasami i muszą złożyć się w określony kształt, aby prawidłowo funkcjonować. Woda napędza składanie łańcuchów aminokwasowych, ponieważ różne rodzaje aminokwasów szukają i unikają interakcji z wodą. Białka zapewniają strukturę, odbierają sygnały i katalizują reakcje chemiczne w komórce. W ten sposób białka są końcami roboczymi komórek. Ostatecznie białka napędzają skurcz mięśni, komunikację, trawienie składników odżywczych i wiele innych funkcji życiowych. Bez odpowiedniego kształtu białka nie byłyby w stanie wykonać tych funkcji, a komórka (nie mówiąc już o całym człowieku) nie mogłaby przetrwać. Podobnie, DNA musi być w określonym kształcie, aby jego instrukcje były prawidłowo dekodowane. Białka, które odczytują lub kopiują DNA, mogą wiązać tylko DNA o określonym kształcie. Cząsteczki wody otaczają DNA w uporządkowany sposób, aby wspierać jego charakterystyczną konformację podwójnej helisy. Bez tego kształtu komórki nie byłyby w stanie postępować zgodnie z uważnymi instrukcjami zakodowanymi przez DNA lub przekazać instrukcji przyszłym komórkom, co uniemożliwiłoby ludzki wzrost, reprodukcję i ostatecznie przetrwanie .

reakcje chemiczne wody

woda jest bezpośrednio zaangażowana w wiele reakcji chemicznych, aby zbudować i rozbić ważne składniki komórki. Fotosynteza, proces w roślinach, który tworzy cukry dla wszystkich form życia, wymaga wody. Woda uczestniczy również w budowaniu większych cząsteczek w komórkach. Cząsteczki, takie jak DNA i białka, zbudowane są z powtarzających się jednostek mniejszych cząsteczek. Połączenie tych małych cząsteczek zachodzi w reakcji, która wytwarza wodę. Odwrotnie, woda jest potrzebna do odwrotnej reakcji, która rozkłada te cząsteczki, umożliwiając komórkom uzyskanie składników odżywczych lub zmianę przeznaczenia kawałków dużych cząsteczek.

dodatkowo woda buforuje komórki przed niebezpiecznym działaniem kwasów i zasad. Substancje silnie kwaśne lub zasadowe, takie jak wybielacz lub kwas solny, działają korozyjnie nawet na najbardziej trwałe materiały. Dzieje się tak, ponieważ kwasy i zasady uwalniają nadmiar wodoru lub pobierają nadmiar wodoru odpowiednio z otaczających materiałów. Utrata lub uzyskanie dodatnio naładowanych wodorów zaburza strukturę cząsteczek. Jak dowiedzieliśmy się, białka do prawidłowego funkcjonowania wymagają określonej struktury, dlatego ważne jest, aby chronić je przed kwasami i zasadami. Woda działa tak, działając zarówno jako kwas, jak i zasada (ryc. 4). Chociaż wiązania chemiczne w cząsteczce wody są bardzo stabilne, możliwe jest, że cząsteczka wody zrezygnuje z wodoru i stanie się OH -, działając w ten sposób jako zasada, lub zaakceptuje inny wodór i stanie się H3O+, działając w ten sposób jako kwas. Ta zdolność adaptacji pozwala wodzie zwalczać drastyczne zmiany pH spowodowane substancjami kwaśnymi lub zasadowymi w organizmie w procesie zwanym buforowaniem. Ostatecznie chroni to białka i inne cząsteczki w komórce.

podsumowując, woda jest niezbędna do życia. Jego wszechstronność i zdolność adaptacji pomagają wykonywać ważne reakcje chemiczne. Jego prosta struktura molekularna pomaga zachować ważne kształty dla wewnętrznych komponentów komórek i zewnętrznej błony. Żadna inna cząsteczka nie pasuje do wody, jeśli chodzi o unikalne właściwości, które wspierają życie. Co ciekawe, naukowcy nadal ustalają nowe właściwości wody, takie jak dodatkowe efekty jej asymetrycznej struktury. Naukowcy nie ustalili jeszcze fizjologicznego wpływu tych właściwości. To niesamowite, jak prosta cząsteczka jest uniwersalnie ważna dla organizmów o różnych potrzebach.

Molly Sargen jest studentką pierwszego roku studiów doktoranckich w zakresie nauk biologicznych i biomedycznych w Harvard Medical School.

Dan Utter jest studentem piątego roku studiów doktoranckich z biologii Organizmicznej i Ewolucyjnej na Uniwersytecie Harvarda.

więcej informacji:

• aby dowiedzieć się więcej o znaczeniu rozpuszczalności leku, zobacz ten artykuł.
• Sprawdź te artykuły, aby uzyskać więcej informacji na temat białek i tego, jak woda wpływa na ich składanie.
• dowiedz się więcej o fosfolipidach tutaj.
• dowiedz się więcej o wodzie wpływa na strukturę DNA tutaj.
• dowiedz się więcej o kwasach i Zasadach tutaj.
• Sprawdź unikalne właściwości wody na tej stronie lub ostatnio odkryte właściwości wody w tym artykule.

ten artykuł jest częścią naszego specjalnego wydania o wodzie. Aby dowiedzieć się więcej, zajrzyj na naszą stronę główną edycji specjalnej!