Dlaczego woda jest niezbędna do życia?

Woda stanowi 60-75% masy ludzkiego ciała. Utrata zaledwie 4% całkowitej ilości wody w organizmie prowadzi do odwodnienia, a utrata 15% może być śmiertelna. Podobnie, człowiek mógłby przeżyć miesiąc bez jedzenia, ale nie przeżyłby 3 dni bez wody. Ta kluczowa zależność od wody reguluje zasadniczo wszystkie formy życia. Najwyraźniej woda jest niezbędna do przetrwania, ale co czyni ją tak niezbędną?

Woda od strony molekularnej

Wiele z funkcji wody w podtrzymywaniu życia wynika z jej struktury molekularnej i kilku specjalnych właściwości. Woda jest prostą cząsteczką składającą się z dwóch małych, dodatnio naładowanych atomów wodoru i jednego dużego ujemnie naładowanego atomu tlenu. Kiedy hydrogeny wiążą się z tlenem, tworzy się asymetryczna cząsteczka z ładunkiem dodatnim po jednej stronie i ujemnym po drugiej (rysunek 1). Ta różnica ładunków jest nazywana biegunowością i dyktuje sposób, w jaki woda wchodzi w interakcję z innymi cząsteczkami.

Rysunek 1 Chemia wody. Molekuły wody składają się z dwóch hydrogenów i jednego tlenu. Atomy te mają różne rozmiary i ładunki, co powoduje asymetrię w strukturze molekularnej i prowadzi do silnych wiązań pomiędzy wodą i innymi cząsteczkami polarnymi, w tym samą wodą.

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 wzajemnie: ponieważ każda pojedyncza cząsteczka wody ma zarówno ujemną jak i dodatnią część, każda ze stron jest przyciągana do cząsteczek przeciwnego ładunku. Przyciąganie pozwala wodzie na tworzenie stosunkowo silnych połączeń, zwanych wiązaniami, z innymi cząsteczkami polarnymi wokół niej, w tym z innymi cząsteczkami wody. Wówczas dodatni wodór jednej z cząsteczek wody połączy się z ujemnym tlenem sąsiedniej cząsteczki, której własne hydrogeny są przyciągane do następnego tlenu i tak dalej (rysunek 1). Co ważne, to wiązanie sprawia, że cząsteczki wody łączą się we właściwość zwaną spójnością. Spójność cząsteczek wody pomaga roślinom pobierać wodę z korzeni. Spójność przyczynia się również do wysokiej temperatury wrzenia wody, co pomaga zwierzętom regulować temperaturę ciała.

Ponadto, ponieważ większość cząsteczek biologicznych ma pewną asymetrię napięciową, są one również polarne, a cząsteczki wody mogą tworzyć wiązania i otaczać zarówno ich pozytywne, jak i negatywne części. W trakcie otaczania cząsteczek polarnych innej substancji, woda wije się we wszystkich zakamarkach pomiędzy cząsteczkami, skutecznie rozbijając i rozpuszczając je. Tak właśnie dzieje się, gdy wsypujemy kryształki cukru do wody: zarówno woda, jak i cukier są polarne, dzięki czemu poszczególne cząsteczki wody otaczają poszczególne cząsteczki cukru, rozbijając cukier i rozpuszczając go. Podobnie jak w przypadku polaryzacji, niektóre cząsteczki są zbudowane z jonów lub przeciwstawnie naładowanych cząstek. Woda rozbija te cząsteczki jonowe również poprzez oddziaływanie zarówno z dodatnio jak i ujemnie naładowanymi cząsteczkami. Tak właśnie dzieje się, gdy wkładamy sól do wody, ponieważ sól składa się z jonów sodu i chlorków.

Szeroka zdolność wody do rozpuszczania różnych molekuł zyskała 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 czy składniki odżywcze. Roztwory na bazie wody, takie jak krew, pomagają przenosić cząsteczki w niezbędne miejsca. 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 podtrzymuje strukturę komórkową

Woda ma również ważną rolę strukturalną w biologii. Wizualnie, woda wypełnia komórki, pomagając zachować ich kształt i strukturę (Rysunek 2). Woda w wielu komórkach (także tych, które tworzą ludzkie ciało) wytwarza ciśnienie, które przeciwstawia się siłom zewnętrznym, podobnie jak powietrze w balonie. Jednak nawet niektóre rośliny, które są w stanie utrzymać swoją strukturę komórkową bez wody, nadal potrzebują wody, aby przeżyć. Woda sprawia, że wszystko, co znajduje się wewnątrz komórek, ma właściwy kształt na poziomie molekularnym. Ponieważ kształt jest krytyczny dla procesów biochemicznych, jest to również jedna z najważniejszych ról wody.

Rysunek 2: Woda wpływa na kształt komórki. Woda wytwarza w komórce ciśnienie, które pomaga jej utrzymać kształt. W nawodnionej komórce (po lewej) woda wypycha się na zewnątrz, a komórka zachowuje okrągły kształt. W odwodnionej komórce jest mniej wody wypychającej się na zewnątrz, więc komórka staje się pomarszczona.

Oprócz wpływu na ogólny kształt komórek, woda wpływa również na niektóre podstawowe składniki każdej komórki: DNA i białka. Białka produkowane są jako długi łańcuch bloków budulcowych nazywanych aminokwasami i muszą składać się w określony kształt, aby prawidłowo funkcjonować. Woda napędza składanie się łańcuchów aminokwasów, ponieważ różne typy aminokwasów poszukują i unikają interakcji z wodą. Białka zapewniają strukturę, odbierają sygnały i katalizują reakcje chemiczne w komórce. Ostatecznie białka napędzają skurcz mięśni, komunikację, trawienie składników odżywczych i wiele innych funkcji życiowych. Bez odpowiedniego kształtu, białka nie byłyby w stanie pełnić tych funkcji i komórka (nie mówiąc już o całym ciele człowieka) nie mogłaby przeżyć. I analogicznie - DNA musi być w określonym kształcie, aby jego instrukcje mogły zostać prawidłowo zdekodowane. Białka, które odczytują lub kopiują DNA, mogą wiązać tylko DNA o określonym kształcie.

Reakcje chemiczne wody

Woda jest bezpośrednio zaangażowana w wiele reakcji chemicznych mających na celu zbudowanie i rozbicie ważnych składników komórki. Fotosynteza, proces w roślinach, który tworzy cukry dla wszystkich form życia, wymaga wody. Woda bierze również udział w budowaniu większych cząsteczek w komórkach. Molekuły takie jak DNA i białka są wykonane z powtarzających się jednostek mniejszych cząsteczek. Połączenie tych małych molekuł zachodzi w wyniku reakcji, w której powstaje woda. I odwrotnie, woda jest potrzebna do odwrócenia reakcji, która rozbija te molekuły, pozwalając komórkom na uzyskanie składników odżywczych lub ponowne wykorzystanie kawałków dużych molekuł.

Dodatkowo chroni komórki wodne przed niebezpiecznym działaniem kwasów i zasad. Substancje wysoce kwaśne lub zasadowe, takie jak wybielacz lub kwas solny, są żrące nawet dla najbardziej trwałych materiałów. Dzieje się tak, ponieważ kwasy i zasady uwalniają nadmiar hydrogenów lub pobierają ich nadmiar z otaczających materiałów. Utrata lub uzyskanie dodatnio naładowanych hydrogenów zakłóca strukturę cząsteczek. Białka wymagają specyficznej struktury do prawidłowego funkcjonowania, dlatego ważne jest, aby chronić je przed kwasami i zasadami. Woda czyni to poprzez działanie zarówno jako kwas, jak i zasada (rysunek 3). Chociaż wiązania chemiczne w cząsteczce wody są bardzo stabilne, możliwe jest, że cząsteczka wody rezygnuje z wodoru i staje się OH-, działając w ten sposób jako zasada, lub przyjmuje inny wodór i staje się H3O+, działając w ten sposób jako kwas. Ta zdolność adaptacyjna pozwala wodzie przeciwdziałać drastycznym zmianom pH spowodowanym obecnością w organizmie substancji kwaśnych lub zasadowych w procesie zwanym buforowaniem. Ostatecznie, chroni to białka i inne molekuły w komórce.

Rysunek 3: Woda działa jak bufor, uwalniając lub przyjmując atomy wodoru.

Podsumowując, woda jest niezbędna do całego życia. Jej wszechstronność i zdolność adaptacji pomaga przeprowadzać ważne reakcje chemiczne. Żadna inna molekuła nie dorównuje wodzie, jeśli chodzi o unikalne właściwości podtrzymujące życie. Co ciekawe, badacze nadal ustalają nowe właściwości wody, takie jak dodatkowe plusy jej asymetrycznej struktury. Naukowcy nie określili jeszcze fizjologicznego wpływu tych właściwości. To zadziwiające, jak prosta cząsteczka jest powszechnie ważna dla organizmów o różnych potrzebach.

Oryginał artykułu: http://sitn.hms.harvard.edu/uncategorized/2019/biological-roles-of-water-why-is-water-necessary-for-life/