Voda kao biološki solvent i biomolekul

Voda je osnovni konstituent žive materije, svakog živog bića, pa i čoveka. Zbog svojih fizičko-hemijskih svojstava, ona je neophodni redovni učesnik u svim hemijskim zbivanjima u organizmu, bilo neposredno kao reagujuća materija, bilo kao sredina u kojoj se reakcije dešavaju. Kada se ima u vidu da život nastao u vodi onda nije ništa čudno što najveći deo, oko 60% žive materije čini voda. Svi ostali konstituenti su u njoj rastvoreni jer voda po svojim osobinama idealan biološki solvent, pa svi organski konstituenti žive ćelije opstoje i funkcionišu samo u vodenom okruženju. Pri tome, ona nije samo sredina u kojoj su rastvorene sve ostale molekule, već voda ulazi u sastav makromolekula žive materije. Pored toga učestvuje u mnogobrojnim hemijskim reakcijama, ona se nehemijskim vezama uklapa u biomolekule pa tako i sama postaje biomolekul. Molekula vode ima specijalne osobine koje su bitne za biohemijske reakcije, jer ona ne samo što rastvara druge biomolekule već utiče na njihove osobine pre svega gradeći sa njima vodonične veze koje stabilizuju proteine i nukleinske kiseline.

Ukupna količina vode u organizmu u zavisnosti je od životnog doba, pola, uhranjenosti i starosti, a procenat vode se menja u širokim granicama u odnosu na različite organe i tkiva. Najviše vode u vidu depoa sadrže parenhimski organi pluća, bubrezi, srce, jetra i drugi, a najmanje masno i koštano tkivo. Neunošenje vode u organizam dovodi mnogo brže do letalnog ishoda nego neunošenje hrane, jer čovek ne može bez vode da preživi više od nekoliko dana.

Iako naizgled prost molekul voda ima mnogobrojne fizičke i hemijske osobine koje su od fundamentalnog značaja za nastanak i održavanje života. Medju njima su najvažnije dipolni karakter molekule, stvaranje vodoničnih veza, disocijacija vode, kao i termička svojstva vode.

Voda kao dipol

Molekula vode, kao što je poznato izgrađena je od dva atoma vodonika i jednog atoma kiseonika međusobno povezanih kovalentnim vezama tako što elektroni vodonika stvaraju dva zajednička elektronska para sa dva elektrona u spoljašnjoj ljusci kiseonika. Ova veza je veoma jaka i usmerena tako da su u prostoru ova dva protona potisnuta ka jednom kraju molekule i sklapaju između sebe manji ugao (105º) nego što bi to bio slučaj kod pravilnog tetraedra (109º). Istovremeno na zadnjem kraju molekule postoje dva usamljena elektronska para. Zbog ovakvih odnosa molekula vode ima nepravilan, izdužen oblik u kome na onom kraju gde se nalaze protoni postoji višak pozitivnog naelektrisanja, a na suprotnom gde su usamljeni elektronski parovi postoji višak negativnog naelektrisanja. Iako je u celini negativno i pozitivno naelektrisanje molekule jednako, ona se ponaša kao dipol, tj molekula u kojoj raspored naelektrisanja nije uniforman nego ima dva pola jedan kraj molekule je pozitivno a drugi negativno nalektrisan.

Vodnonična veza

Zahvaljujuci asimetričnosti svoje molekule, svom trajnom električnom dipolu, voda ostvaruje određene fizičke odnose između samih molekula vode i između molekula drugih jedinjenja. Pre svega, može da stupa u vezu sa drugom molekulom vode, takođe dipolom, ostvarujući hidrogenske mostove, vodonične veze, omogućene izvanredno snažnim električnim poljem koje postoji oko vodonika kada je vezan za kiseonik ili azot. Ustvari, pozitivni deo molekule vode, tj. atom vodonika, elektrostatički reaguje sa negativnim delom susedne molekule vode, tj. slobodnim elektronskim parom atoma kiseonika. Ovo relativno slabo elektrostatičko privlačenje ipak je dovoljno da formira dosta čvrstu vezu između dva dipol molekula vode, koja se naziva vodonična veza. Pošto je ona relativno slabija u odnosu na druge hemijske veze, obeležava se tačkicama za razliku od uobičajne pune linije. U prirodi, u tečnoj vodi povezivanje se vodoničnim vezama i više molekula, obično jedna molekula vode oko sebe veže još četiri susedne molekule vode. Isto je tako dokazano, da u posebnim okolnostima veliki broj molekula vode može da se povezuje vodoničnim vezama i stvara uređene kristalne mreže, kao što se može videti u snežnim pahuljicama.

Dipolni karakter molekula vode i stvaranje vodoničnih veza imaju ogroman biološki značaj. Pre svega, sposobnost vode da bude rastvarač kristaloida i mnogih organiskih molekula potiče baš od dipolnog karaktera molekula vode i mogućnosti stvaranja vodoničnih veza. Mehanizam rastvaranja u vodi odigrava se tako što molekule materija koje mogu sa vodom da stvaraju vodonične veze privlače oko sebe nekoliko molekula vode, sa njima stvaraju vodonične veze čime slabe snage medjumolekulskog privlačenja iste materije, pa se taj molekul obložen dipolima vode otkida, meša sa ostalim molekulama vode i prelazi u rastvor. Ova pojava nazva se hidratacija molekula, a sloj molekula vode hidratacioni sloj. Molekule koje mogu da stvaraju vodonične veze sa vodom nazivaju se hidrofilne, i one se lako rastvaraju u vodi.

Sličan je i način rastvaranja solubilnih proteina čije se makromolekule prekrivaju jednim hidratacionim slojem dipola vode tako što se intramolekulske vodonične veze iz dubine molekula prebacuju na površinu i formiraju vodonične veze sa molekulima vode. Belančevine su, po pravilu, jedinjenja čije su molekule hidrofilne, sa znatnim brojem vezanih molekula vode. To je razumljivo kada znamo da belančevinske molekule imaju brojne elektrodipolarne grupe, kao što su karboksilne, karbamilne, hidroksilne. Pored belančevina, kao hidrofilnih jedinjenja, tu osobinu pokazuju, u većoj i manjoj meri i mnogobrojna druga jedinjenja u organizmu. Vredno je spomenuti snažnu hidrofilnost fosfolipida.

U uskoj vezi sa dipol-karakterom vode je i disocijacija elektrolita u jone, fenomen od tako velikog biološkog značaja. U interakciji molekula vode sa kristalnom rešetkom elektrolita ne dolazi do odvajanja molekula kao kod kristaloida, nego dipoli vode oblažu i otkidaju atome tj. jone koji prelaze direktno u rastvor i ostaju u njemu kao hidratisani joni. Prema tome, pored hidratacije molekula, voda ostvaruje i intezivnu hidrataciju jona. Stepen te hidratacije zavisi od snage električnog polja jona koji je u pitanju. Tako jon natrijuma svojim električnim poljem privuče osam, dok jon kalijuma samo četiri molekula vode. Izvanredno je važan ovaj momenat, ova privlačna snaga jona natrijuma za zadržavanje vode u organizmu, i suprotno, za gubljenje vode iz organizma kada se gubi natrijum. Obično se za ovu pojavu uprošćeno kaže da natrijum povlači vodu za sobom ili da voda prati natrijum.

Veoma je važno naglasiti da se vodonična veza ne stvara samo uz učešće vode, već se ona može formirati između bilo kog otkrivenog atoma vodonika i slobodnih elektronskih parova na površini dipolnih molekula raznih jedinjenja. NPR. formiranje vodoničnih veza između alkohola i vode, dve molekule etalnola, kao i između dva peptida.

Dipolni karakter vode ima određeni značaj i u odnosu na ona jedinjenja i makromolekule koje nemaju nejednako raspoređen elektrostatski naboj pa su njihove molekule nepolarne za razliku od polarnih dipola. Zbog toga se ova jedinjenja odnosno makromolekuli međusobno odbijaju sa molekulima vode pa se zbog toga u njoj ne rastvaraju i nazivaju se hidrofobna jedinjenja. Najizrazitiji primeri ovakvih jedinjenja su lipidi kao i neki delovi makromolekula proteina i nukleinskih kiselina. Nepolarni molekuli kada se nalaze u vodenoj sredini imaju tendenciju da se međusobno jače spoje i formiraju tzv. hidrofobne veze. To se dešava zbog toga što između molekula vode koje okružuju nepolarne molekule vladaju veoma jake kohezione sile koje ih obuhvataju i sabijaju između sebe pa ih na taj način „teraju“ na čvršće povezivanje. Poseban uticaj hidrofobnosti se ispoljava na strukturi složenih makromolekula koji se sastoje iz polarnih i nepolarnih jedinjenja kada se nalaze u vodenoj sredini. U ovim slučajevima takve makromolekule formiraju loptaste formacije, micele tako što nepolarni delovi molekula odbijaju od okolnih molekula vode i orjentišu ka središtu micele dok se polarni delovi hidratišu i orijentišu ka površini takve strukture.

Jonizacija vode

Kao što jonizuju elektrolite, dipolni molekuli vode utiču na neke od molekula same vode i razdvajaju ih na negativni jon OH i pozitivni jon H+ koji je ustvari „hidratisan“ jednim molekulom vode u hidronijum jon H3O+ . Ipak radi jednostavnosti jonizacija vode se prikazuje kao reverzibilni proces disocijacije i rekombinacije na dva naelektrisana dela, pozitivno naelektrisani vodonik (proton) i negativno naelektrisani OH jon:

Procesi disocijacije i rekombinacije se dešavaju neprestano, a kako se proces rekombinacije dešava odmah nakon disocijacije, u jednom momentu postoji veoma mali broj molekula vode u stanju jona. Jedan jon vodonika nalazi se u 1,8 x 109 molekula čiste vode tako da na temperaturi tela koncentracija jona vodonika iznosi samo nešto vise od 10-7 mol/L. Iz praktičnih razloga ova se vrednost piše kao negativan logaritam tj. – log 10-7 = 7,0 i naziva se pH vrednost. Pošto se radi o logaritmu, niske pH vrednosti znače visoke koncentracije jona vodonika (kiseo rastvor), a visoke pH vrednosti znače niske koncentracije jona vodonika (bazični rastvor).

Koncentracija jona vodonika ima ogroman značaj u biohemiji. Fiziološka koncentracija jona vodonika u vanćelijskoj tečnosti čoveka iznosi pH = 7,36. Svi konstituenti ljudskog organizma, naročito proteini imaju normalnu makromolekularnu konformaciju samo pri ovoj koncentraciji jona vodonika, a kako njihova funkcija zavisi od konformacije, biohemijske reakcije se normalno odvijaju samo pri pH = 7,36. Svi enzimi u ćelijama imaju optimum aktivnosti na ovoj pH vrednosti pa je zbog toga koncentracija jona vodonika u organizmu striktno homeostatski regulisana puferima.

Zamolili bismo Vas da podelite tekst sa svojim prijateljima. Hvala :)

O autoru

Portal "Budi zdrav, produži život" osnovan je od strane studenata medicinskog fakulteta. Postavite pitanje na dnu teksta, a mi ćemo pokušati da odgovorimo na Vaša pitanja u najkraćem mogućem roku. Želite da nas bolje upoznate? Kliknite ovde >>

1 • Pitanja i odgovori

  1. Pingback: Edem (otok) • Budi zdrav, produži život.

Napišite Vaš odgovor/pitanje