: نقش زیستی آب

!مقدمه

((آب)) از فراوانترین ترکیبات در ماده زنده است که بیش از 70 درصد وزن آن را تشکیل می‌دهد. آب محیطی است که در آن کلیه فرایندها زیستی ، اعم از آنزیمی ، متابولیسمی ، انتقال مواد و انرژی‌زایی صورت می‌گیرد. یک فرد بالغ در هر روز حدود دو لیتر آب می‌آشامد و یا از دست می‌دهد. علاوه بر آبی که از مایعات و مواد غذایی بدست می‌آید، آب متابولیسمی که طی ((اکسیداسیون)) (اکسایش) مواد غذایی در بدن حاصل می‌شود، نیز مهم است. در اثر اکسایش صد گرم ((چربی)) ، ((هیدروکربنها|کربوهیدرات)) و ((پروتئین)) به ترتیب 107 و 55 و 41 گرم آب تولید می‌شود.

کلیه اشکال ساختاری و فعالیتهای یاخته به ویژگیهای فیزیکوشیمیایی آب وابسته‌اند. شکلهایی از حیات مانند دانه‌های گیاهان ، هاگها ، باکتریها و قارچها و خزه‌ها و گلسنگها و کرمهای لوله‌ای و نماتودها قادراند مدتهای طولانی در محیطهای نسبتا خشک به سر برند، اما فعالیت متابولیسمی در اینها به کمترین میزان می‌رسد و برای بازگشت به زندگی فعال به آب نیاز دارند.

!ساختار آب ({TEX()} {H_2O} {TEX})

یک مولکول آب شامل دو اتم ((هیدوژن)) و یک اتم ((اکسیژن)) است که هر یک دو اتم هیدروژن مولکول آب با اتم اکسیژن ، حفت الکترون به اشتراک می‌گذارد، به طوری که شکلی همانند V به آن می‌دهد. در این ساختار اتم اکسیژن بار منفی و اتمهای هیدروژن بار مثبت دارند. با اینکه مولکول از نظر الکتریکی خنثی است، لیکن بارهای مثبت و منفی آن تا حدودی جدا از هم قرار می‌گیرند و به همین سبب مولکول آب حالت ((مولکول دو قطبی|دو قطبی)) دارد. بین مولکولهای آب کنشهای شدیدی وجود دارد که بین بار منفی اکسیژن یک مولکول آب و بار مثبت هیدروژن مولکول دیگر آب صورت می‌گیرد.

!خواص زیستی آب

یکی از مهمترین ویژگیهای آب این است که حلال خوبی است. اکثر مولکولهای زیستی مانند ((هیدروکربنها|قندها)) ، ((اسید آمینه|اسیدهای آمینه)) در آب محلول‌اند و آنها را ''آب دوست'' می‌نامند. از طرفی مولکول آب به علت خاصیت دو قطبی خود می‌تواند به طرف بارهای مثبت یا منفی سایر ترکیبات جهت گیری کند. مانند حل شدن ((کلرید سدیم|نمک طعام)) در آب. نمک طعام از دو یون سدیم (بار مثبت {TEX()} {Na^+} {TEX}) و کلر (بار منفی {TEX()} {Cl^-} {TEX}) تشکیل شده است.

در آب مولکولهای قطبی آب حلقه‌ای از هیدروژن (بارمثبت) در پیرامون یون کلر و حلقه‌ای از اکسیژن (بار منفی) در پیرامون هر یون سدیم ایجاد کرده و از این طریق مانع از نزدیک شدن یونهای سدیم و کلر به یکدیگر می‌شوند. در این حالت یونهای سدیم و کلر را ''یونهای هیدراته'' می‌نامند. به همین سبب آب بهترین حلالهاست. لیکن همه مواد در آن حل نمی‌شوند. بسیاری از مواد که گروههای ناقطبی یا آب گریز دارند، در آب نامحلول‌اند. وارد شدن این ترکیبات در آب اشکال خاصی را می‌سازد که ((میسل)) خوانده می‌شود. میسلها محلول حقیقی نیستند، بلکه محلول پراکنده به شمار می‌آیند.

!PH آب

آبّ ((الکترولیز|الکترولیت)) ضعیفی است و این می‌رساند که درصد کمی از مولکولهای آب در آب خالص یونیزه می‌شوند. موقعی که مولکول آب یونیزه می‌شود، یک پیوند O-H می‌شکند و یک یون هیدروژن دارای بار مثبت ({TEX()} {H^+} {TEX}) و یک یون هیدروکسیل دارای بار منفی ({TEX()} {OH^-} {TEX}) تشکیل می‌شود. واکنش زیر یون‌زایی آب را نشان می‌دهد که برگشت پذیر است.

::{TEX()} {H_2O \longleftrightarrow H^+ + OH^-} {TEX}::

این واکنش در حالت تعادل است و اندازه گیریهای انجام شده مشخص کرده‌اند که حاصل ضرب غلظت یونهای {TEX()} {H^+} {TEX} و {TEX()} {OH^-} {TEX} برابر {TEX()} {10^-14} {TEX} مول بر لیتر است. غلظت با علامت [] نشان داده می‌شود.

::{TEX()} {[H^+][OH^-] = 10^-14} {TEX}::

در سال 1909 « ((سورنسن)) » برای اولین بار غلظت یون هیدروژن را PH نامید. طبق تعریف PH عبارتست از ''لگاریتم معکوس غلظت یون هیدروژن''. لگاریتم معکوس یک عدد مساوی است با منفی لگاریتم آن عدد.

::{TEX()} {PH = log {1 \over [H^+]} = -log [H^+]} {TEX}::

در آب خالص و دمای 25 درجه سانتیگراد غلظت یون هیدروژن {TEX()} {10^-7} {TEX} مول بر لیتر است.

مقیاس PH از صفر تا 14 تعریف شده است. PH میانی که 7 است، PH خنثی نامیده می‌شود، زیرا در این غلظت یونهای هیدروژن مثبت و هیدروکسیل منفی برابرند. محلولهایی با PH کمتر از 7 ، غلظت یونی {TEX()} {H^+} {TEX} بیش از {TEX()} {10^-7} {TEX} دارند و ((اسید|اسیدی)) هستند و محلولهایی با PH بیشتر از 7 یونهای {TEX()} {OH^-} {TEX} زیادی دارند و ((قلیا|قلیایی)) می‌باشند.

یکی از خواص مهم مایعات زیستی ، PH آنهاست. PH ((سیتوپلاسم)) سلولها معمولا 7.2 است. جالب توجه است بدانیم PH در برخی موارد مستقیما بر فعالیت سلولی اثر می‌گذارد. فعال سازی سلول تخم بعد از لقاح در ((توتیای دریایی)) که زیاد مورد مطالعه قرار گرفته است، برای نشان دادن تاثیر PH مورد خوبی است. فعالیت متابولیسمی در تخمک لقاح نیافته بسیار ناچیز است، اما بعد از ورود هسته اسپرم متابولیسم به شدت افزایش می‌یابد. PH در تخمک 6.6 است و 60 ثانیه بعد از ورود هسته اسپرم به 7.2 می‌رسد. این تغییر PH برای فعال سازی متابولیسم بعد از لقاح الزامی است.

((لیزوزوم|لیزوزوم‌ها)) که جز اندامکهای سلولهای یوکاریوتی هستند، نیز از لحاظ PH حالت استثنایی دارند. PH درون این اندامک حدود 5 است که نشان دهنده تفاوت قابل ملاحظه‌ای بین غلظت {TEX()} {H^+} {TEX} در لیزوزوم و در سیتوپلاسم می‌باشد. آنزیم‌های لیزوزوم‌ها ، بهترین فعالیت را در PH اسیدی دارند.

!سایر خواص زیستی آب

مولکولهای آب در آب مایع ، شبکه سه بعدی وسیعی تشکیل می‌دهند تا تمام آنها بتوانند در تشکیل ((پیوند هیدروژنی|پیوندهای هیدروژنی)) شرکت داشته باشند. پیوندهای هیدروژنی به علت ضعیف بودن مرتبا شکسته و مجددا تشکیل می‌شوند و به این دلیل آب ، مایع است. در ضمن تمایل مولکولهای آب برای تشکیل پیوندهای هیدروژنی با مولکولهای دیگر آب ، سبب می‌شود که آب بسیار چسبناک باشد و گفته شود که خاصیت کشش سطحی آب زیاد است. بالا بودن کشش سطحی آب ((خاصیت موئینگی)) را ممکن می‌سازد و موئینگی یکی از عوامل موثر در بالا رفتن آب در لوله‌های آوندی گیاهان است.

همچنین علت این که برخی حشرات می‌توانند روی سطح آب قرار بگیرند و در آن فرو نروند، کشش سطحی آب است. پیوندهای هیدروژنی بین مولکولهای آب نیز باعث می‌شوند که ((گرمای ویژه)) آب زیاد باشد. ''گرمای ویژه هر ماده مساوی است با مقدار گرمای لازم برای افزایش دمای یک گرم از آن ماده به میزان یک درجه سانتیگراد''. گرمای ویژه آب یک کالری بر گرم بر درجه سانتیگراد است که در مقایسه با گرمای ویژه سایر مایعات ، رقم بالایی است.

اهمیت بالا بودن گرمای ویژه آب برای سیستمهای زنده در این است که گرمای وارده شده به این سیستم ، صرف شکستن پیوندهای هیدروژنی بین مولکولهای آب می‌شود و در نتیجه دمای آن سیستم افزایش نمی‌یابد. طی واکنشهای متابولیسمی مقدار قابل توجهی انرژی در سلولها آزاد می‌شود که اگر گرمای ویژه آب بالا نبود، اشکالات فراوانی را برای سلول بوجود می‌آورد.

!مباحث مرتبط با عنوان

*((آب))

*((آب اسرار آمیز))

*((اکسیژن))

*((پیوند هیدروژنی))

*((خاصیت موئینگی))

*((مولکول دو قطبی))

*((میسل))

*((هیدوژن))