Apa reprezintă 60-75% din masa corpului uman. O pierdere a numai 4% din apa corporală duce la deshidratare, iar o pierdere de 15% poate fi fatală. O persoană poate trăi fără hrană timp de o lună, însă nu ar putea supraviețui trei zile fără apă. Dependența crucială față de apă este caracteristică tuturor formelor de viață, dar ce face apa așa de necesară vieții, care sunt rolurile biologice ale apei?
Molecula de apă
Multe dintre rolurile apei în susținerea vieții derivă din structura sa moleculară și din câteva proprietăți speciale. Apa este o moleculă simplă, compusă din doi atomi de hidrogen, încărcați pozitiv și un atom de oxigen mai mare, încărcat negativ. Când atomii de hidrogen se leagă de atomul de oxigen, se formează o moleculă asimetrică, încărcată pozitiv pe o parte și negativ pe cealaltă parte. Această încărcare diferențială se numește polaritate și dictează modul în care apa interacționează cu alte molecule.
Structura apei. Moleculele de apă sunt formate din doi atomi de hidrogen și unul de oxigen. Acești atomi au mărimi și încărcări electrice diferite, ceea ce creează o asimetrie în structura moleculară și duce la formarea de legături puternice între apă și alte molecule polare, inclusiv alte molecule de apă. | Foto: HARVARD.EDU
Apa este solventul universal
Fiind o moleculă polară, apa interacționează cel mai bine cu alte molecule polare, cum ar fi ea însăși. Acest fenomen se întâmplă deoarece două sarcini opuse se atrag între ele: fiecare moleculă de apă prezintă o porțiune pozitivă și alta negativă, astfel încât fiecare parte este atrasă de partea opusă a altei molecule de apă. Această atracție permite apei să formeze legături puternice cu alte molecule polare, inclusiv cu alte molecule de apă.
În acest caz, hidrogenul încărcat pozitiv al unei molecule de apă se leagă de oxigenul încărcat negativ al unei molecule de apă adiacente, ale cărei atomi de hidrogen se leagă de oxigenul altei molecule și așa mai departe. Aceste legături fac ca moleculele de apă să fie strâns legate între ele într-o proprietate denumită coeziune. Coeziunea moleculelor de apă ajută plantele să preia apa prin intermediul rădăcinilor și contribuie la punctul de fierbere ridicat al apei, care ajută animalele să-și regleze temperatura corpului.
Mai mult, din moment ce majoritatea moleculelor biologice prezintă o asimetrie electrică, ele sunt și polare, iar moleculele de apă pot forma legături cu ele, atât la polii pozitivi, cât și la cei negativi, înconjurând practic aceste molecule organice. Aceasta se întâmplă atunci când se introduc cristale de zahăr în apă: moleculele de apă și de zahăr sunt polare, ceea ce face ca moleculele de apă individuale să înconjoare moleculele individuale de zahăr, rupând zahărul și dizolvându-l. Similar cu polaritatea, unele molecule sunt făcute din ioni sau particule cu încărcare electrică opusă. Apa sparge aceste molecule ionice interacționând atât cu particulele pozitive, cât și cu cele negative. Aceasta se întâmplă atunci când se introduce sare în apă, deoarece sarea este compusă din ioni de sodiu și clor.
Capacitatea apei de a dizolva o varietate de molecule i-a atras denumirea de „solvent universal” și reprezintă trăsătura care face apa indispensabilă pentru susținerea vieții. La nivel biologic, rolul de solvent al apei ajută la transportul celular de substanțe, precum oxigenul sau nutrimentele. Soluțiile pe bază de apă, cum ar fi sângele, ajută la transportul moleculelor la locurile necesare. Apa are un impact major asupra capacității medicamentelor de a ajunge la țintele din corp.
Apa suportă structura celulară
Apa are un rol structural important în biologie. Ea umple celulele pentru a le menține forma și structura. Apa din interiorul multor celule (inclusiv cele din corpul uman) creează o presiune care se opune forțelor din exterior, similar cu introducerea aerului într-un balon. Apa face ca tot ce este în interiorul celulei să aibă forme corespunzătoare la nivel molecular. Deoarece forma este foarte importantă pentru procesele biochimice, acesta este și unul dintre cele mai importante roluri ale apei.
Apa influențează forma celulei. Apa creează presiune în interiorul celulei, care o ajută să-și mențină forma. În celula hidratată (stânga), apa împinge înspre exterior, iar celula își menține forma rotundă. În celula deshidratată (dreapta), există mai puțină apă care să împingă către exterior, iar celula devine încrețită. | Foto: HARVARD.EDU
Apa contribuie la formarea membranelor celulare. Fiecare celulă de pe Pământ este înconjurată de o membrană, iar majoritatea membranelor sunt formate din două straturi de molecule denumite fosfolipide. Fosfolipidele, la fel ca apa, au două componente distincte: un „cap” polar și o „coadă” nepolară. Datorită acestui fapt, capul polar interacționează cu apa, în timp ce cozile nepolare încearcă să evite apa și interacționează între ele.
Astfel fosfolipidele formează în mod spontan straturi duble, în care capetele polare sunt îndreptate înspre mediul apos din exterior, iar cozile sunt orientate înspre interior. Straturile duble (bistraturile) înconjoară celulele și permit trecerea selectivă a unor substanțe, cum ar fi sărurile și nutrimentele. Interacțiunile implicate în formarea membranelor sunt suficient de puternice pentru a forma membranele în mod spontan și pentru a le face greu de dezintegrat. În absența apei, membranelor celulare le-ar lipsi structura, iar fără membrană, celulele nu ar putea menține în interior moleculele importante și la exterior pe cele dăunătoare.
Bistraturile fosfolipidice. Fosfolipidele formează bistraturi înconjurate de apă. Capul polar este orientat către exterior pentru a interacționa cu apa, în timp ce coada hidrofobă este orientată înspre interior, departe de interacțiunea cu apa. | Foto: HARVARD.EDU
n plus față de influențarea formei generale a celulei, apa are impact și asupra unor componente fundamentale ale fiecărei celule: ADN-ul și proteinele.
Proteinele sunt compuse din lanțuri de aminoacizi și trebuie să se plieze în anumite forme pentru a funcționa corect. Aminoacizii sunt aceia care dictează plierea lanțurilor proteice, deoarece diferiții aminoacizi caută sau evită interacțiunea cu moleculele de apă.
Proteinele contribuie la structura celulară, recepționează semnale și catalizează reacțiile chimice din celulă. Într-un fel, proteinele sunt caii de povară ai celulelor. Ele produc contracția musculară, digestia nutrimentelor și alte funcții vitale. Fără forma adecvată, proteinele nu ar putea îndeplini aceste funcții, iar celula nu ar putea supraviețui.
În mod similar, ADN-ul trebuie să aibă o formă specifică pentru că instrucțiunile sale să fie corect decodificate. Moleculele de apă înconjoară ADN-ul într-o manieră ordonată pentru a-i susține conformația de dublu helix, fără de care celulele nu ar putea citi informațiile codificate și nu le-ar putea transmite mai departe celulelor-fiice.
Reacțiile chimice în care este implicată apa
Apa este implicată direct în multe reacții chimice care construiesc sau degradează componente importante ale celulei. Fotosinteza, procesul prin care plantele biosintetizează zaharuri, necesită apă. Molecule ca ADN-ul și proteinele sunt formate din unități repetitive ale unor molecule mai mici, a căror unire se realizează printr-o reacție care produce apă. În schimb, apa este necesară pentru reacția inversă, de rupere a acestor molecule, permițând celulei să-și obțină nutrimentele sau să refolosească părți ale moleculelor mai mari.
Mai mult, apa funcționează ca tampon, protejând celulele de efectele periculoase ale acizilor și bazelor. Substanțele puternic acide sau bazice, cum sunt înălbitorii și acidul clorhidric, sunt corozive și față de cele mai dure materiale. Aceasta deoarece acizii și bazele eliberează, respectiv primesc hidrogen în exces din materialele înconjurătoare. Pierderea sau primirea unor atomi de hidrogen încărcați pozitiv duce la distrugerea structurii moleculelor.
După cum am văzut mai sus, proteinele necesită o structură specifică pentru a funcționa corect, deci este important să le protejăm față de acizi și baze. Acest rol este îndeplinit de către apă, care funcționează atât ca acid, cât și ca bază. Deși legăturile chimice din molecula de apă sunt foarte puternice, este posibil ca o moleculă de apă să cedeze un atom de hidrogen și să devină OH–, funcționând astfel ca o bază, sau să accepte un atom de hidrogen și să devină H3O+, funcționând astfel ca un acid. Această capacitate de adaptare îi permite apei să combată modificări drastice de pH din corp, printr-un proces denumit tamponare.
Apa funcționează ca un tampon, cedând sau acceptând atomi de hidrogen. | Foto: HARVARD.EDU
În concluzie, apa este vitală pentru organismele vii. Versatilitatea și adaptabilitatea sa o ajută să participe la reacții chimice importante. Structura sa moleculară simplă ajută la menținerea formei celulare și a membranei celulare. Nu există altă moleculă care să echivaleze cu apa în ceea ce privește proprietățile unice de susținere a vieții.
Sursa: Science in the News – Universitatea Harvard (CC BY-NC-SA 4.0 )