I ruoli biologici dell’acqua: perché è importante per la vita?

Dagli organismi più semplici fino a quelli più complessi non c’è nessuna eccezione alla regola. Secondo la NASA (National Aeronautics and Space Administration) ogni singolo essere vivente fa affidamento all’acqua per poter sopravvivere. L’acqua è fondamentale per la vita. Alcuni organismi sono fatti per il 95% di acqua mentre quasi tutti sono fatti al 50% da acqua.

Ma cos’è che la rende così tanto speciale? Ha forse una personalità frizzante?

Ha questo e molto di più. Le sue proprietà chimico-fisiche sono uniche e adesso le vedremo nel dettaglio scoprendo anche qual è il suo ruolo all’interno dei sistemi biologici!

La struttura chimica dell’acqua

Nel corpo umano l’acqua rappresenta una frazione del 60-75% del peso totale. L’acqua è ripartita tra l’ambiente intracellulare, gli interstizi e il sangue. Contribuisce a mantenere i valori fisiologici e la concentrazione dei soluti. Una sola perdita del 4% porta alla disidratazione, mentre una perdita del 15% può essere fatale per la sopravvivenza.

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Struttura della molecola dell’acqua e legami a idrogeno.

L’acqua è una molecola semplicissima formata da due piccoli atomi di idrogeno carichi positivamente e un solo atomo di ossigeno carico negativamente. Quando gli atomi di idrogeno sono legati all’ossigeno, si forma una molecola asimmetrica con carica parzialmente positiva da un lato e carica parzialmente negativa dall’altro. L’ossigeno è un atomo altamente elettronegativo e tende ad attrarre a sé gli elettroni creando di fatto una molecola con due poli: un polo positivo (i due atomi di idrogeno) e un polo negativo (l’atomo di ossigeno).

Questa carica differenziale è chiamata polarità e consente alle molecole di interagire tra loro e con altre molecole circostanti. Questo legame debole e di natura elettrostatica prende il nome di legame a idrogeno.

I legami a idrogeno si instaurano tra l’atomo di ossigeno di una molecola (carico negativamente) e l’atomo di idrogeno (carico positivamente) di un’altra molecola. In questo modo le molecole di acqua sono tra loro legate formando quella che sembra una struttura a reticolo.

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Una goccia d’acqua rimbalza su una superficie soggetta a vibrazioni. Autore A7N8X.

Le forze di coesione che si instaurano tra le molecole creano la tensione superficiale. In questo modo è come se l’acqua fosse circondata da una pellicola sottile che consente a piccoli organismi e a oggetti di galleggiare. La tensione superficiale è sfruttata da alcuni insetti che sono in grado di camminare tranquillamente su di essa, mentre per altri organismi ancora più piccoli rappresenta una barriera invalicabile.

La natura sfrutta l’acqua e la sua capacità di creare legami a idrogeno in moltissimi contesti diversi. In questo modo la molecola partecipa a molteplici reazioni chimiche fondamentali per la vita.

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Gerris remigis è anche detto “insetto pattinatore”, sfrutta la tensione superficiale per pattinare con eleganza sull’acqua!

Il metabolismo dei viventi

La molecola dell’acqua è direttamente coinvolta in molte reazioni chimiche che prevedono la sintesi o scissione di componenti cellulari.

Molecole come il DNA e le proteine, sono fatte di unità ripetitive di piccole molecole che sono rispettivamente i nucleotidi e gli amminoacidi. La reazione di sintesi di queste macromolecole complesse produce acqua. Allo stesso modo, l’acqua partecipa alle reazioni che portano alla rottura di queste stesse molecole (anche se non ne determina direttamente la scissione), permettendo alle cellule di ottenere molecole più semplici.

Oltre a questo svolge un ruolo importante nel tamponare il pH del citosol della cellula, prevenendo l’effetto pericoloso di acidi e di basi. Gli H+ liberati dalla dissociazione degli acidi, se sono in eccesso possono creare seri danni alle delicate strutture cellulari come le proteine. Per correre ai ripari e proteggere la cellula, la natura ha scelto l’acqua. Acido o base? No problem, l’acqua può comportarsi in entrambi i modi, sia da acido che da base.

In chimica l’acido è la specie che cede un protone (H+) ad un’altra. Quest’ultima che invece accetta il protone (H+) è detta base.

L’acqua può accettare un ulteriore protone (H+) passando da H2O a H3O+ che può agire da acido. Oppure può perdere il protone passando da H2O a OH- che si comporta da base. Questa adattabilità consente all’acqua di combattere i cambiamenti drastici del pH dovuto alle sostanze acide o basiche, salvando la vita delle cellule.

Il ruolo nella formazione di nuovi habitat

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A differenza di altre sostanze, le molecole di acqua hanno due proprietà uniche più uniche che rare. L’acqua rimane al suo stato liquido in un ampio range di temperature e nel momento in cui si congela passando allo stato solido, ha una minore densità rispetto al suo stato liquido. Ma questo come è possibile?

Se consideriamo altre sostanze, quando queste passano al loro stato solido tendono ad essere molto più dense rispetto a quando erano liquidi. Ma per l’acqua non è così, e il merito è dovuto alla particolare organizzazione delle molecole allo stato liquido. Con il raffreddamento le molecole di acqua assumono un’organizzazione definita “a lattice.” Infatti, il congelamento dell’acqua al di sotto dei 4 °C porta a un allontanamento delle molecole che creano ampi spazi nel reticolo.

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A sinistra, disposizione a “lattice” delle molecole nel ghiaccio

In questo modo il ghiaccio è più leggero e può galleggiare tranquillamente su di essa come una tavola da surf. Questo è fondamentale importanza per alcuni animali. In quanto il ghiaccio crea una copertura isolata proteggendo le acque sottostanti dal congelamento. Così contribuisce alla formazione di nuovi habitat in posti dove altrimenti la vita non potrebbe prosperare.

Oggi il riscaldamento globale sta danneggiando seriamente le coperture dei ghiacciai nel Mare Glaciale Artico e se la sua corsa non dovesse arrestarsi, gli orsi polari rischierebbero di perdere il loro habitat.

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Se il ghiaccio fosse stato più denso, questo sarebbe affondato sul fondo degli oceani spingendo l’acqua fredda (più densa) in superficie. Questo circolo vizioso sarebbe andato avanti fino a quando tutta l’acqua presente negli oceani non si sarebbe congelata. Sarebbe una tragedia per la vita!

Ci sarebbe ancora molto altro da dire sull’acqua e sui ruoli, per questo ne parleremo sicuramente ancora in futuro! Voi conoscevate questi ruoli? Ditecelo con un commento!

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