Біологічна Роль Води: Чому вода необхідна для життя?

by Molly Sargen

figures by Daniel Utter

Вода складає 60-65% ваги людського тіла. Втрата лише 4% від загальної кількості призводить до зневодненнення, а втрата 15% може бути фатальною. Більш того, людина може вижити місяць без їжі, однак не витримає і 3 днів без води. Ця ключова залежність від води в цілому регулює всі форми життя. Безсумнівно вода життєво необхідна, однак що робить її настільки потрібною?

Молекулярна Структура Води

Значення води у підтримці життя обумовлене її молекулярною структурою та декількома особливими властивостями. Вода - проста молекула, що складається з двох невеликих, позитивно заряджених атомів Гідрогену та одного великого негативно зарядженого атому Оксигену. Коли атоми Гідрогену приєднуються до Оксигену, вони створюють асиметричну молекулу з позитивним зарядом на одному кінці (полюсі) та негативним - на іншому (Рис. 1). Ця різниця в зарядах називається полярністю і визначає взаємодію води з іншими молекулами.

Рис. 1. Хімія води. Молекули води складаються з двох атомів Гідрогену та одного атому Оксигену. Розміри і заряди цих атомів відрізняються, що створює асиметрію в молекулярній структурі та призводить до формування сильних зв'язків між водою та іншими полярними речовинами та молекулами води зокрема.

Вода - "Універсальний Розчинник"

Як полярна молекула, вода найкраще взаємодіє з іншими подібними до себе полярними речовинами. Причина цього - феномен, згідно якого протилежно заряджені частки притягують одна одну: кожна окрема молекула води має одночасно і негативну, і позитивну частини, що притягуються до інших молекул з протилежним зарядом. Ці взаємодії дозволяють молекулі води формувати відносно міцні зв'язки і з іншими полярними молекулами навколо неї, і з іншими молекулами води включно. В останньому випадку позитивно заряджений Гідроген однієї молекули води притягується до Оксигену наступної молекули води і так далі (Рис. 1). Важлио, що ці зв'язки змушують молекули води злипатись; ця властивість називається когезія. Когезія допомагає рослинам піднімати воду коренями, а також сприяє її високій температурі кипіння, що відіграє істотне значення в терморегуляції.

Крім того, оскільки більшість органічних молекул має деяку електричну асиметрію, вони також полярні, отже молекули води можуть формувати з ними зв'язки та водночас оточувати їх позитивні та негативні ділянки. Оточуючи полярні молекули інших речовин, вода просочується в усі найдрібніші проміжки між молекулами, ефективно розділяючи та розчиняючи їх. Ось що відбувається, якщо покласти цукор у воду: обидві речовини полярні, в результаті чого окремі молекули води оточують окреі молекули цукру, таким чином розчиняючи його. Подібно до полярності деякі молекули складаються з йонів - протилежно заряджених часток. Вода так само добре розділяє ці йонні молекули, взаємодіючи з їх негативно і позитивно зарядженими частками. Прикладом такої взаємодії є розчинення солі, яка складається з йонів Хлору та Натрію.

Завдяки широким можливостям розчиняти безліч речовин вода відома як "універсальний розчинник", саме ця властивість робить воду настільки безцінною у підтримці життя. На біологічному рівні роль води як розчинника дозволяє клітинам транспортувати та використовувати поживні речовини та кисень. Розчини на водній основі, такі як кров, допомагають доставляти молекули у місця їх використання. Таким чином вода сприяє транспорту речовин, зоерема кисню для дихання,  та має визначний вплив на здатність ліків досягати їх мішеней в організмі.  

Значення Води у Підтримці Клітинної Структури

Вода також має важливе структурне значення (Рис. 2). Вода всередині багатьох клітин (включаючи ті, що формують організм людини) створює тиск, що протидіє зовнішнім впливам, подібно повітрю у кульці. Навіть рослини, які здатні зберігати свою клітинну структуру без води, все одно потребують воду для виживання. На молекулярному рівні вода надає правильну форму всім структурам клітини. А оскільки форма має визначну роль для біохімічних процесів, це обумовлює ще одну надзвичайно важливу функцію води.  

Рис. 2. Вода впливає на форму клітини. Вода створює тиск всередині клітини, що допомагає підтримувати форму. В гідратованій клітині (зліва) вода тисне зсередини і клітина має округлу форму. В зневодненій клітині води менше, і вона з меншою силою тисне на оболонку, тому клітина втрачає свою форму.

Вода також сприяє формуванню мембран, що отчуюють клітини. Кожна клітина на Землі 

оточена мембраною, більшість з яких утворені двома шарами фосфоліпідів (Рис. 3). Фосфоліпіди, як і молекули води, мають дві виражені частини: полярну "голівку" та неполірний "хвіст". Відповідно голівка взаємодіє з водою, тоді як неполярні хвости намагаються уникнути її молекул, натомість взаємодіючи між собою. Шукаючи цих сприятливих взаємодій, фосфоліпіди мимовільно формують подвійний шар з голівками орієнтованими назовні, контактуючи з оточуючою водою, тоді як хвости орієнтуються всередину, уникаючи води. Подвійний шар ліпідів оточує клітину та вибірково дозволяє поживнм речовинам та солям проникати в клітину і виводитись з неї. Взаємодії, що беруть участь у формуванні мембран, достатнь міцні щоб забезпечити їх мимовільне утворення та протидію зовнішнім чинникам. Без води підтримка необхідної структури мембран була б неможливою, отже і клітини не могли б утримувати важливі речовини всередині, а шкідливі - за своїми межами.

Рис. 3. Фосфоліпідний бішар. Фосфоліпіди утворюють подвійний шар, оточений водою. Полярні головки орієнтуються назовні, щоб взаємодіяти з водою, тоді як гідрофобні хвости направлені всередину, щоб уникнути контакту з водою. 

Окрім загальної форми, вода також впливає на основні компоненти кожної клітини: ДНК та білки. Білки синтезуються як довгі ланцюги послідовно з'єднаних амінокислот. Ці ланцюги повинні специфічно згорнутись, щоб коректно функціонувати. Вода направляє згортання амінокислотних ланцюгів, оскільки різні типи амінокислот різним чином взаємодіють з водою.  Білки виконують структурну функцію, приймаюють сигнали, каталізують хімічні реакції в клітиннах. Білки можна вважати робочими конячками клітини. Накінець білки відповідають за скорочення м'язів, комунікацію, травлення поживних речовин та багато інщих життєво важливих функцій. Без правильної форми молекули білків не здатні виконувати свої функцфї, і клітина (не кажучи вже про людину вцілому) не може вижити. Подібно до білків, ДНК також має перебувати в специфічній формі для того щоб записана в її молекулах інформація декодувалась належним чином. Білки, які зчитують або копіюють інформацію з ДНК зв'язуються з тільки з молекулами правильної форми. Молекули води оточуюють ДНК, щоб підтримувати її характерну конформацію подвійної спіралі. В іншому випадку клітини не змогли б дотримуватись інструкцій закодованих у ДНК або передавати їх наступним поколінням клітин, що в свою чергу унеможливлює ріст, репродукцію та, зрештою, виживання людини вцілому.

Хімічні Ракціїї Води

Вода безпосередньо бере участь в багатьох реакціях синтезу та розщеплення важливих компонентів клітини. Фотосинтез - процес у рослинах, що забезпечує вуглеводами усі життєві форми - потребує води. Вода необхідна і для утворення макромолекул. Такі молекули як ДНК та білки складаються з повторюваних ланок менших молекул. З'єднання цих невеликих молекул відбувається в результаті реакції, що утворює воду. І навпаки, вода необхідна для зворотньої реакції, яка розщеплює макромолекули, що дозволяє клітинам отримувати поживні речовини або переробляти фрагменти великих молекул. 

Крім того, вода захищає клітини від небезпечного впливу кислот і лугів. Концентровані кислі або лужні речовини, такі як хлористе вапно або соляна кислота, роз'їдають навіть найбільш міцні матеріали. Причина полягає в тому, що кислоти віддають, а луги віднімають надлишок йонів гідрогену у оточуючих речовин. Втрачаючи або отримуючи позитивно заряджені йони гідрогену, молекули речовин зазнають порушення своєї структури. Як нам вже відомо, для того щоб виконувати свої функціїї, білки потребують специфічної форми, отже важливо захищати їх від кислот та лугів. Це можливо оскільки вода може поводити себе водночас і як кислота, і як луг (Рис. 4). Хоча хімічні зв'язки в молекулах води дуже стабільні, вода може втратити гідроген і перетвориться на ОН-, або прийняти йон гідрогену і перетворитися на Н3О+. Ця адаптивність дозволяє воді боротися з різкими змінами рН в організмі у процесі, який називається буферизація, зрештою захищаючи білки та інші компоненти клітини.

Рис. 4. Вода діє як буфер приймаючи, або віддаючи йони гідрогену.

В заключення, вода життєво важлива для всього живого. Її універсальність та адаптивність дозволяє здійснювати ключові для організмів хімічні реакції. Її проста молекулярна структура допомагає підтримувати форму внутрішніх компонентів клітини та клітинних мембран. Жодна інша молекула не витримує порівняння з водою, коли йдеться про унікальні властивості підтримки життя. Дивовижно, однак вчені досі продовжують досліджувати нові властивості води, такі як додаткоі ефекти асиметричної структури. Дослідники ще не визначили фізіологічні впливи цих властивостей.   Вражає, що проста молекула однаково важлива дла організмів з найрізноманішими потребами.