Отваряне на линиите за комуникация между учените изследователи и по-широката общност

биологични

  • SITN Facebook страница
  • SITN Twitter Feed
  • Страница на SITN Instagram
  • Лекции на SITN в YouTube
  • SITN Подкаст на SoundCloud
  • Абонирайте се за пощенския списък на SITN
  • RSS емисия на уебсайт на SITN

от Моли Сарджен
фигури на Даниел Утър

Водата съставлява 60-75% от телесното тегло на човека. Загубата на само 4% от общата телесна вода води до дехидратация, а загуба от 15% може да бъде фатална. По същия начин човек може да оцелее един месец без храна, но няма да оцелее 3 дни без вода. Тази решаваща зависимост от водата в общи линии управлява всички форми на живот. Ясно е, че водата е жизненоважна за оцеляването, но какво я прави толкова необходима?

Молекулярният грим на водата

Много от ролите на водата в поддържането на живота се дължат на нейната молекулярна структура и няколко специални свойства. Водата е проста молекула, съставена от два малки, положително заредени водородни атома и един голям отрицателно зареден кислороден атом. Когато водородите се свързват с кислорода, той създава асиметрична молекула с положителен заряд от едната страна и отрицателен заряд от другата страна (Фигура 1). Този диференциал на заряда се нарича полярност и диктува как водата взаимодейства с други молекули.

Фигура 1: Химия на водата. Водните молекули са изградени от два водорода и един кислород. Тези атоми са с различни размери и заряди, което създава асиметрията в молекулярната структура и води до силни връзки между вода и други полярни молекули, включително самата вода.

Водата е „универсалният разтворител“

Като полярна молекула водата взаимодейства най-добре с други полярни молекули, като себе си. Това се дължи на явлението, при което противоположните заряди се привличат един към друг: тъй като всяка отделна водна молекула има както отрицателна, така и положителна част, всяка страна е привлечена от молекули с противоположния заряд. Това привличане позволява на водата да образува относително силни връзки, наречени връзки, с други полярни молекули около себе си, включително други водни молекули. В този случай положителният водород на една водна молекула ще се свърже с отрицателния кислород на съседната молекула, чиито собствени водороди се привличат към следващия кислород и т.н. (Фигура 1). Важното е, че тази връзка кара молекулите на водата да се слепват в свойство, наречено кохезия. Сближаването на водните молекули помага на растенията да поемат вода в корените си. Кохезията също допринася за високата точка на кипене на водата, което помага на животните да регулират телесната температура .

Освен това, тъй като повечето биологични молекули имат известна електрическа асиметрия, те също са полярни и водните молекули могат да образуват връзки и да обграждат както своите положителни, така и отрицателни области. При заобикалянето на полярните молекули на друго вещество водата се извива във всички кътчета между молекулите, като ефективно я разчупва и я разтваря. Това се случва, когато поставите кристали захар във вода: и водата, и захарта са полярни, позволявайки на отделни молекули вода да заобикалят отделни молекули захар, разграждайки захарта и я разтваряйки. Подобно на полярността, някои молекули са изградени от йони или противоположно заредени частици. Водата разгражда тези йонни молекули, като взаимодейства както с положително, така и с отрицателно заредени частици. Това се случва, когато поставите сол във вода, защото солта се състои от натриеви и хлоридни йони.

Широката способност на водата да разтваря различни молекули е спечелила наименованието „универсален разтворител“ и именно тази способност прави водата толкова безценна сила, поддържаща живота. На биологично ниво ролята на водата като разтворител помага на клетките да транспортират и използват вещества като кислород или хранителни вещества. Разтвори на водна основа като кръв помагат за пренасяне на молекули до необходимите места. По този начин ролята на водата като разтворител улеснява транспорта на молекули като кислород за дишане и оказва голямо влияние върху способността на лекарствата да достигат целите си в тялото.

Водата поддържа клетъчна структура

Водата също има важна структурна роля в биологията. Визуално водата запълва клетките, за да спомогне за поддържането на формата и структурата (Фигура 2). Водата в много клетки (включително тези, които изграждат човешкото тяло) създава натиск, който се противопоставя на външните сили, подобно на поставянето на въздух в балон. Въпреки това, дори някои растения, които могат да поддържат клетъчната си структура без вода, все още се нуждаят от вода, за да оцелеят. Водата позволява на всичко вътре в клетките да има правилната форма на молекулярно ниво. Тъй като формата е критична за биохимичните процеси, това е и една от най-важните роли на водата.

Фигура 2: Водата влияе върху формата на клетката. Водата създава налягане вътре в клетката, което й помага да поддържа формата. В хидратираната клетка (вляво) водата се изтласква навън и клетката поддържа кръгла форма. В дехидратираната клетка има по-малко вода, която изтласква навън, така че клетката става набръчкана.

Водата също допринася за образуването на мембрани около клетките. Всяка клетка на Земята е заобиколена от мембрана, повечето от които са образувани от два слоя молекули, наречени фосфолипиди (Фигура 3). Фосфолипидите, подобно на водата, имат два различни компонента: полярна „глава“ и неполярна „опашка“. Поради това полярните глави взаимодействат с водата, докато неполярните опашки се опитват да избягват водата и взаимно си взаимодействат. Търсейки тези благоприятни взаимодействия, фосфолипидите спонтанно образуват бислои с глави, обърнати навън към околната вода и опашки, обърнати навътре, с изключение на водата. Двуслоят обгражда клетките и избирателно позволява на вещества като соли и хранителни вещества да влизат и излизат от клетката. Взаимодействията, свързани с образуването на мембраната, са достатъчно силни, че мембраните се образуват спонтанно и не могат лесно да бъдат нарушени. Без вода клетъчните мембрани няма да имат структура и без подходяща мембранна структура клетките няма да могат да задържат важни молекули в клетката и вредни молекули извън клетката.

Фигура 3: Фосфолипидни бислоеве. Фосфолипидите образуват бислои, заобиколени от вода. Полярните глави са обърнати навън, за да взаимодействат с водата, а хидрофобните опашки са обърнати навътре, за да се избегне взаимодействието с водата.

Освен че влияе върху общата форма на клетките, водата влияе и върху някои основни компоненти на всяка клетка: ДНК и протеини. Протеините се произвеждат като дълга верига от градивни елементи, наречени аминокиселини и трябва да се сгънат в определена форма, за да функционират правилно. Водата задвижва сгъването на аминокиселинни вериги, тъй като различните видове аминокиселини търсят и избягват взаимодействието с водата. Протеините осигуряват структура, приемат сигнали и катализират химичните реакции в клетката. По този начин протеините са работните коне на клетките. В крайна сметка протеините стимулират свиването на мускулите, комуникацията, храносмилането на хранителни вещества и много други жизненоважни функции. Без правилната форма протеините не биха могли да изпълняват тези функции и клетката (камо ли цял човек) не би могла да оцелее. По същия начин ДНК трябва да бъде в определена форма, за да може инструкциите й да бъдат правилно декодирани. Протеините, които четат или копират ДНК, могат да свързват само ДНК, която има определена форма. Водните молекули заобикалят ДНК по подреден начин, за да поддържат характерната за нея двойна спирала конформация. Без тази форма клетките нямаше да могат да следват внимателните инструкции, кодирани от ДНК, или да ги предават на бъдещите клетки, правейки човешкия растеж, размножаването и в крайна сметка оцеляването невъзможни. .

Химични реакции на водата

Водата участва пряко в много химични реакции за изграждане и разграждане на важни компоненти на клетката. Фотосинтезата, процесът в растенията, който създава захари за всички форми на живот, изисква вода. Водата също така участва в изграждането на по-големи молекули в клетките. Молекули като ДНК и протеините са изградени от повтарящи се единици от по-малки молекули. Слагането на тези малки молекули заедно се осъществява чрез реакция, която произвежда вода. Обратно, водата е необходима за обратната реакция, която разгражда тези молекули, позволявайки на клетките да получат хранителни вещества или да преназначат парчета големи молекули.

Освен това водата буферира клетките от опасните ефекти на киселини и основи. Силно киселинни или основни вещества, като белина или солна киселина, са корозивни дори за най-трайните материали. Това е така, защото киселините и основите отделят излишък от водород или поемат излишък от водород, съответно, от околните материали. Загубата или получаването на положително заредени водороди нарушава структурата на молекулите. Както разбрахме, протеините се нуждаят от специфична структура, за да функционират правилно, така че е важно да ги предпазим от киселини и основи. Водата прави това, като действа едновременно като киселина и като основа (Фигура 4). Въпреки че химическите връзки в молекулата на водата са много стабилни, възможно е водната молекула да се откаже от водород и да се превърне в OH - като по този начин действа като основа или да приеме друг водород и да стане H 3 O +, като по този начин действа като киселина . Тази адаптивност позволява на водата да се бори с драстични промени в рН поради киселинни или основни вещества в тялото в процес, наречен буфериране. В крайна сметка това предпазва протеините и другите молекули в клетката.

Фигура 4: Водата действа като буфер чрез освобождаване или приемане на водородни атоми.

В заключение, водата е жизненоважна за целия живот. Неговата гъвкавост и адаптивност помагат за извършване на важни химични реакции. Неговата проста молекулярна структура помага да се поддържат важни форми за вътрешните компоненти на клетките и външната мембрана. Никоя друга молекула не отговаря на водата, когато става въпрос за уникални свойства, които поддържат живота. Вълнуващо изследователите продължават да установяват нови свойства на водата, като допълнителни ефекти от нейната асиметрична структура. Тепърва учените трябва да определят физиологичното въздействие на тези свойства. Удивително е как една проста молекула е универсално важна за организми с различни нужди.

Моли Сарджен е докторант в първа година по програма за биологични и биомедицински науки в Медицинското училище в Харвард.

Дан Утър е пета година докторант по органична и еволюционна биология в Харвардския университет.

За повече информация:

  • За да научите повече за значението на разтворимостта на лекарството, вижте тази статия .
  • Вижте тези статии за повече информация относно протеините и как водата влияе върху тяхното сгъване .
  • Научете повече за фосфолипидите тук .
  • Научете повече за влиянието на водата върху структурата на ДНК тук .
  • Научете повече за киселините и основите тук .
  • Вижте уникалните свойства на водата на тази страница или наскоро откритите свойства на водата на тази статия .

Тази статия е част от нашето специално издание за водата. За да прочетете повече, разгледайте нашата страница със специално издание!