de Molly Sargen
cifre de Daniel Utter

apa reprezintă 60-75% din greutatea corpului uman. O pierdere de doar 4% din apa totală a corpului duce la deshidratare, iar o pierdere de 15% poate fi fatală. De asemenea, o persoană ar putea supraviețui o lună fără hrană, dar nu ar supraviețui 3 zile fără apă. Această dependență crucială de apă guvernează în general toate formele de viață. Evident, apa este vitală pentru supraviețuire, dar ce o face atât de necesară?

compoziția moleculară a apei

multe dintre rolurile apei în susținerea vieții se datorează structurii sale moleculare și câtorva proprietăți speciale. Apa este o moleculă simplă compusă din doi atomi de hidrogen mici, încărcați pozitiv și un atom mare de oxigen încărcat negativ. Când hidrogenii se leagă de oxigen, creează o moleculă asimetrică cu sarcină pozitivă pe o parte și sarcină negativă pe cealaltă parte (Figura 1). Acest diferențial de încărcare se numește polaritate și dictează modul în care apa interacționează cu alte molecule.

apa este „solventul Universal”

ca moleculă polară, apa interacționează cel mai bine cu alte molecule polare, cum ar fi ea însăși. Acest lucru este din cauza fenomenului în care opuse Taxe atrage unul pe altul: deoarece fiecare moleculă de apă individuală are atât o porțiune negativă, cât și o porțiune pozitivă, fiecare parte este atrasă de molecule cu sarcină opusă. Această atracție permite apei să formeze conexiuni relativ puternice, numite legături, cu alte molecule polare din jurul ei, inclusiv alte molecule de apă. În acest caz, hidrogenul pozitiv al unei molecule de apă se va lega cu oxigenul negativ al moleculei adiacente, ale cărui hidrogeni proprii sunt atrași de următorul oxigen și așa mai departe (Figura 1). Important, această legătură face ca moleculele de apă să rămână împreună într-o proprietate numită coeziune. Coeziunea moleculelor de apă ajută plantele să preia apa la rădăcinile lor. Coeziunea contribuie, de asemenea, la punctul de fierbere ridicat al apei, care ajută animalele să regleze temperatura corpului.

mai mult, deoarece majoritatea moleculelor biologice au o anumită asimetrie electrică, și ele sunt polare, iar moleculele de apă pot forma legături cu și înconjoară atât regiunile lor pozitive, cât și cele negative. În Actul de a înconjura moleculele polare ale unei alte substanțe, apa se strecoară în toate unghiurile și crăpăturile dintre molecule, rupând-o efectiv, o dizolvă. Acest lucru se întâmplă atunci când puneți cristale de zahăr în apă: atât apa, cât și zahărul sunt polare, permițând moleculelor individuale de apă să înconjoare molecule individuale de zahăr, rupând zahărul și dizolvându-l. Similar cu polaritatea, unele molecule sunt formate din ioni sau particule încărcate opus. Apa descompune aceste molecule ionice, precum și prin interacțiunea cu ambele particule încărcate pozitiv și negativ. Acest lucru se întâmplă atunci când puneți sare în apă, deoarece sarea este compusă din ioni de sodiu și clorură.

capacitatea extinsă a apei de a dizolva o varietate de molecule i-a adus denumirea de „solvent universal” și această abilitate face din apă o forță atât de neprețuită care susține viața. La nivel biologic, rolul apei ca solvent ajută celulele să transporte și să utilizeze substanțe precum oxigenul sau nutrienții. Soluțiile pe bază de apă, cum ar fi sângele, ajută la transportul moleculelor în locațiile necesare. Astfel, rolul apei ca solvent facilitează transportul moleculelor precum oxigenul pentru respirație și are un impact major asupra capacității medicamentelor de a-și atinge țintele în organism.

apa susține structura celulară

apa are, de asemenea, un rol structural important în biologie. Din punct de vedere vizual, apa umple celulele pentru a ajuta la menținerea formei și structurii (Figura 2). Apa din interiorul multor celule (inclusiv cele care alcătuiesc corpul uman) creează presiune care se opune forțelor externe, similar cu introducerea aerului într-un balon. Cu toate acestea, chiar și unele plante, care își pot menține structura celulară fără apă, necesită încă apă pentru a supraviețui. Apa permite ca totul din interiorul celulelor să aibă forma potrivită la nivel molecular. Deoarece forma este esențială pentru procesele biochimice, acesta este, de asemenea, unul dintre cele mai importante roluri ale apei.

apa contribuie, de asemenea, la formarea membranelor din jurul celulelor. Fiecare celulă de pe Pământ este înconjurată de o membrană, dintre care majoritatea sunt formate din două straturi de molecule numite fosfolipide (Figura 3). Fosfolipidele, ca și apa, au două componente distincte: un „cap” polar și o coadă „nepolară”.”Datorită acestui fapt, capetele polare interacționează cu apa, în timp ce cozile nepolare încearcă să evite apa și să interacționeze între ele. Căutând aceste interacțiuni favorabile, fosfolipidele formează spontan bistraturi cu capetele orientate spre exterior spre apa din jur și cozile orientate spre interior, excluzând apa. Stratul dublu înconjoară celulele și permite selectiv substanțelor precum sărurile și nutrienții să intre și să iasă din celulă. Interacțiunile implicate în formarea membranei sunt suficient de puternice încât membranele se formează spontan și nu sunt ușor perturbate. Fără apă, membranele celulare ar lipsi de structură și, fără o structură adecvată a membranei, celulele nu ar putea păstra molecule importante în interiorul celulei și molecule dăunătoare în afara celulei.

pe lângă faptul că influențează forma generală a celulelor, apa influențează și unele componente fundamentale ale fiecărei celule: ADN și proteine. Proteinele sunt produse ca un lanț lung de blocuri de construcție numite aminoacizi și trebuie să se plieze într-o formă specifică pentru a funcționa corect. Apa conduce plierea lanțurilor de aminoacizi, deoarece diferite tipuri de aminoacizi caută și evită interacțiunea cu apa. Proteinele asigură structura, primesc semnale și catalizează reacțiile chimice din celulă. În acest fel, proteinele sunt caii de lucru ai celulelor. În cele din urmă, proteinele determină contracția mușchilor, comunicarea, digestia nutrienților și multe alte funcții vitale. Fără forma adecvată, proteinele nu ar putea îndeplini aceste funcții și o celulă (să nu mai vorbim de un întreg om) nu ar putea supraviețui. În mod similar, ADN-ul trebuie să fie într-o formă specifică pentru ca instrucțiunile sale să fie decodificate corespunzător. Proteinele care citesc sau copiază ADN – ul pot lega doar ADN-ul care are o anumită formă. Moleculele de apă înconjoară ADN-ul într-un mod ordonat pentru a susține conformația sa caracteristică cu dublu helix. Fără această formă, celulele ar fi incapabile să urmeze instrucțiunile atente codificate de ADN sau să transmită instrucțiunile celulelor viitoare, făcând imposibilă creșterea, reproducerea și, în cele din urmă, supraviețuirea umană .

reacții chimice ale apei

apa este direct implicată în multe reacții chimice pentru a construi și descompune componente importante ale celulei. Fotosinteza, procesul din plante care creează zaharuri pentru toate formele de viață, necesită apă. Apa participă, de asemenea, la construirea de molecule mai mari în celule. Moleculele precum ADN – ul și proteinele sunt formate din unități repetitive de molecule mai mici. Punerea acestor molecule mici împreună are loc printr-o reacție care produce apă. În schimb, apa este necesară pentru reacția inversă care descompune aceste molecule, permițând celulelor să obțină nutrienți sau să refacă bucăți de molecule mari.

în plus, apa tamponează celulele de efectele periculoase ale acizilor și bazelor. Substanțele foarte acide sau bazice, cum ar fi înălbitorul sau acidul clorhidric, sunt corozive chiar și pentru cele mai durabile materiale. Acest lucru se datorează faptului că acizii și bazele eliberează excesul de hidrogeni sau, respectiv, preiau excesul de hidrogeni din materialele din jur. Pierderea sau câștigarea hidrogenilor încărcați pozitiv perturbă structura moleculelor. După cum am învățat, proteinele necesită o structură specifică pentru a funcționa corect, deci este important să le protejăm de acizi și baze. Apa face acest lucru acționând atât ca acid, cât și ca bază (Figura 4). Deși legăturile chimice dintr– o moleculă de apă sunt foarte stabile, este posibil ca o moleculă de apă să renunțe la un hidrogen și să devină OH -, acționând astfel ca bază sau să accepte un alt hidrogen și să devină H3O+, acționând astfel ca un acid. Această adaptabilitate permite apei să combată modificările drastice ale pH-ului datorate substanțelor acide sau bazice din organism într-un proces numit tamponare. În cele din urmă, acest lucru protejează proteinele și alte molecule din celulă.

în concluzie, apa este vitală pentru toată viața. Versatilitatea și adaptabilitatea sa ajută la efectuarea unor reacții chimice importante. Structura sa moleculară simplă ajută la menținerea unor forme importante pentru componentele interioare ale celulelor și membrana exterioară. Nicio altă moleculă nu se potrivește cu apa atunci când vine vorba de proprietăți unice care susțin viața. În mod interesant, cercetătorii continuă să stabilească noi proprietăți ale apei, cum ar fi efectele suplimentare ale structurii sale asimetrice. Oamenii de știință încă nu au determinat impactul fiziologic al acestor proprietăți. Este uimitor cum o moleculă simplă este universal importantă pentru organismele cu nevoi diverse.

Molly Sargen este doctorand în primul an în cadrul Programului de științe Biologice și Biomedicale de la Harvard Medical School.

Dan Utter este doctorand în anul cinci în biologie organismică și evolutivă la Universitatea Harvard.

pentru mai multe informații:

• pentru a afla mai multe despre importanța solubilității medicamentului, consultați acest articol.
• consultați aceste articole pentru mai multe informații despre proteine și modul în care apa afectează plierea lor.
• Aflați mai multe despre fosfolipide aici.
• Aflați mai multe despre apa afectează structura ADN-ului aici.
• Aflați mai multe despre acizi și baze aici.
• verificați proprietățile unice ale apei la această pagină sau proprietățile recent descoperite ale apei la acest articol.

acest articol face parte din ediția noastră specială despre apă. Pentru a citi mai multe, consultați pagina noastră de pornire a ediției speciale!