av Molly Sargen
siffror av Daniel Utter

vatten utgör 60-75% av människans kroppsvikt. En förlust på bara 4% av det totala kroppsvattnet leder till uttorkning och en förlust på 15% kan vara dödlig. På samma sätt kan en person överleva en månad utan mat men skulle inte överleva 3 dagar utan vatten. Detta avgörande beroende av vatten styr i stort sett alla livsformer. Klart vatten är avgörande för överlevnad, men vad gör det så nödvändigt?

den molekylära sammansättningen av vatten

många av vattnets roller för att stödja livet beror på dess molekylära struktur och några speciella egenskaper. Vatten är en enkel molekyl som består av två små, positivt laddade väteatomer och en stor negativt laddad syreatom. När väten binder till syret skapar det en asymmetrisk molekyl med positiv laddning på ena sidan och negativ laddning på andra sidan (Figur 1). Denna laddningsskillnad kallas polaritet och dikterar hur vatten interagerar med andra molekyler.

vatten är det ”universella lösningsmedlet”

som en polär molekyl interagerar vatten bäst med andra polära molekyler, såsom sig själv. Detta beror på fenomenet där motsatta laddningar lockar varandra: eftersom varje enskild vattenmolekyl har både en negativ del och en positiv del, lockas varje sida till molekyler med motsatt laddning. Denna attraktion gör att vatten kan bilda relativt starka förbindelser, kallade bindningar, med andra polära molekyler runt den, inklusive andra vattenmolekyler. I detta fall kommer det positiva väte av en vattenmolekyl att bindas med det negativa syret hos den intilliggande molekylen, vars egna väten lockas till nästa syre, och så vidare (Figur 1). Viktigt är att denna bindning gör att vattenmolekyler håller sig ihop i en egenskap som kallas sammanhållning. Sammanhållningen av vattenmolekyler hjälper växter att ta upp vatten vid sina rötter. Sammanhållning bidrar också till vattnets höga kokpunkt, vilket hjälper djur att reglera kroppstemperaturen.

eftersom de flesta biologiska molekyler har viss elektrisk asymmetri är de också polära och vattenmolekyler kan bilda bindningar med och omge både deras positiva och negativa regioner. I handlingen att omge polära molekyler av en annan substans, vatten slingrar sig in i alla skrymslen och vrår mellan molekyler, effektivt bryta den isär löser det. Detta är vad som händer när du lägger sockerkristaller i vatten: både vatten och socker är polära, vilket gör att enskilda vattenmolekyler kan omge enskilda sockermolekyler, bryta isär sockret och lösa upp det. I likhet med polaritet är vissa molekyler gjorda av joner eller motsatt laddade partiklar. Vatten bryter också isär dessa Joniska molekyler genom att interagera med både de positivt och negativt laddade partiklarna. Detta är vad som händer när du lägger salt i vatten, eftersom salt består av natrium-och kloridjoner.

vattnets omfattande förmåga att lösa upp en mängd olika molekyler har förtjänat beteckningen ”universellt lösningsmedel”, och det är denna förmåga som gör vatten till en ovärderlig livsuppehållande kraft. På biologisk nivå hjälper vattnets roll som lösningsmedel celler att transportera och använda ämnen som syre eller näringsämnen. Vattenbaserade lösningar som blod hjälper till att transportera molekyler till nödvändiga platser. Således underlättar vattnets roll som lösningsmedel transporten av molekyler som syre för andning och har stor inverkan på läkemedlets förmåga att nå sina mål i kroppen.

vatten stöder cellstruktur

vatten har också en viktig strukturell roll i biologi. Visuellt fyller vatten celler för att bibehålla form och struktur (Figur 2). Vattnet i många celler (inklusive de som utgör människokroppen) skapar tryck som motsätter sig yttre krafter, som liknar att sätta luft i en ballong. Men även vissa växter, som kan behålla sin cellstruktur utan vatten, kräver fortfarande vatten för att överleva. Vatten gör att allt inuti celler har rätt form på molekylär nivå. Eftersom form är avgörande för biokemiska processer är detta också en av vattnets viktigaste roller.

vatten bidrar också till bildandet av membran som omger celler. Varje cell på jorden är omgiven av ett membran, varav de flesta bildas av två lager molekyler som kallas fosfolipider (Figur 3). Fosfolipiderna, som vatten, har två distinkta komponenter: ett polärt ”huvud” och en icke-polär ”svans.”På grund av detta interagerar polarhuvudena med vatten, medan de icke-polära svansarna försöker undvika vatten och interagera med varandra istället. Genom att söka dessa gynnsamma interaktioner bildar fosfolipider spontant dubbelskikt med huvuden vända utåt mot det omgivande vattnet och svansarna vända inåt, exklusive vatten. Dubbelskiktet omger celler och tillåter selektivt ämnen som salter och näringsämnen att komma in och ut ur cellen. De interaktioner som är involverade i att bilda membranet är tillräckligt starka för att membranen bildas spontant och inte lätt störs. Utan vatten skulle cellmembran sakna struktur, och utan korrekt membranstruktur skulle celler inte kunna hålla viktiga molekyler inuti cellen och skadliga molekyler utanför cellen.

förutom att påverka den övergripande formen av celler påverkar vatten också några grundläggande komponenter i varje cell: DNA och proteiner. Proteiner produceras som en lång kedja av byggstenar som kallas aminosyror och behöver vikas i en specifik form för att fungera korrekt. Vatten Driver vikningen av aminosyrakedjor eftersom olika typer av aminosyror söker och undviker att interagera med vatten. Proteiner ger struktur, tar emot signaler och katalyserar kemiska reaktioner i cellen. På detta sätt är proteiner arbetshästar av celler. I slutändan driver proteiner sammandragning av muskler, kommunikation, matsmältning av näringsämnen och många andra vitala funktioner. Utan rätt form skulle proteiner inte kunna utföra dessa funktioner och en cell (än mindre en hel människa) kunde inte överleva. På samma sätt måste DNA vara i en specifik form för att dess instruktioner ska avkodas korrekt. Proteiner som läser eller kopierar DNA kan bara binda DNA som har en viss form. Vattenmolekyler omger DNA på ett ordnat sätt för att stödja dess karakteristiska dubbelhelixkonformation. Utan denna form skulle celler inte kunna följa de noggranna instruktionerna som kodas av DNA eller skicka instruktionerna till framtida celler, vilket gör mänsklig tillväxt, reproduktion och i slutändan överlevnad omöjlig .

kemiska reaktioner av vatten

vatten är direkt involverat i många kemiska reaktioner för att bygga och bryta ner viktiga komponenter i cellen. Fotosyntes, processen i växter som skapar socker för alla livsformer, kräver vatten. Vatten deltar också i att bygga större molekyler i celler. Molekyler som DNA och proteiner är gjorda av repetitiva enheter av mindre molekyler. Att sätta ihop dessa små molekyler sker genom en reaktion som producerar vatten. Omvänt krävs vatten för den omvända reaktionen som bryter ner dessa molekyler, vilket gör att celler kan få näringsämnen eller återanvända bitar av stora molekyler.

dessutom buffrar vatten celler från de farliga effekterna av syror och baser. Mycket sura eller basiska ämnen, som blekmedel eller saltsyra, är frätande för även de mest hållbara materialen. Detta beror på att syror och baser släpper ut överskott av väten eller tar upp överskott av väten från de omgivande materialen. Att förlora eller få positivt laddade väten stör molekylernas struktur. Som vi har lärt oss kräver proteiner en specifik struktur för att fungera korrekt, så det är viktigt att skydda dem från syror och baser. Vatten gör detta genom att fungera som både en syra och en bas (Figur 4). Även om de kemiska bindningarna i en vattenmolekyl är mycket stabila är det möjligt för en vattenmolekyl att ge upp ett väte och bli OH– och därmed fungera som en bas eller acceptera ett annat väte och bli H3O+ och därmed fungera som en syra. Denna anpassningsförmåga gör det möjligt för vatten att bekämpa drastiska förändringar av pH på grund av sura eller basiska ämnen i kroppen i en process som kallas buffring. I slutändan skyddar detta proteiner och andra molekyler i cellen.

Sammanfattningsvis är vatten viktigt för allt liv. Dess mångsidighet och anpassningsförmåga hjälper till att utföra viktiga kemiska reaktioner. Dess enkla molekylstruktur hjälper till att upprätthålla viktiga former för cellernas inre komponenter och yttre membran. Ingen annan molekyl matchar vatten när det gäller unika egenskaper som stöder livet. Spännande fortsätter forskare att etablera nya egenskaper hos vatten, såsom ytterligare effekter av dess asymmetriska struktur. Forskare har ännu inte bestämt de fysiologiska effekterna av dessa egenskaper. Det är fantastiskt hur en enkel molekyl är universellt viktig för organismer med olika behov.

Molly Sargen är en förstaårs doktorand i programmet biologiska och biomedicinska vetenskaper vid Harvard Medical School.

Dan Utter är en femteårig doktorand i Organismisk och evolutionär biologi vid Harvard University.

för mer Information:

• för att lära dig mer om vikten av läkemedelslöslighet, se den här artikeln.
• kolla in dessa artiklar för mer information om proteiner och hur vatten påverkar deras vikning.
• Läs mer om fosfolipider här.
• Läs mer om vatten påverkar DNA-strukturen här.
• Läs mer om syror och baser här.
• kolla in de unika egenskaperna hos vatten på den här sidan eller nyligen upptäckta egenskaper hos vatten i den här artikeln.

denna artikel är en del av vår specialutgåva på vatten. För att läsa mer, kolla in vår specialutgåva hemsida!