Neobične osobine vode - I deo

Nijedna tečnost se ne ponaša kao voda. Opisaću neke od tih osobenosti, kao i kontroverzne teorije koje pokušavaju da objasne ove anomalije. Kada pogledamo molekul vode, a to zna svaki srednjoškolac, rekli bismo da je veoma jednostavan.

Slika 1. Šematski prikza molekula vode. Joni vodonika su kovalentno vezani za jako elektronegativne atome (kakvi su kiseonik i azot). Dva elektrona sa dva atoma vodonika su vezana za dva elektrona kiseonika, ostavljajući četiri slobodna elektrona (dva para), za vezivanje za susedne molekule vode. Ovo je esencijano za shvatanje kako funkcioniše molekul vode. 

 Slika 2. Pet molekula vode čine strukturu koja se zove tetrahedron.

Međutim, osobina molekula vode da sa drugim molekulima vode stupa u interakciju je od izuzetnog značaja. Lako je shvataiti iz gornje slike, da svaki molekul vode može da privuče četiri druga molekula vode (ovo se zove tetrahedron).

Ova osnovna struktura vode se dalje organizuje kao kristal. Još 1892, Rendgen, koji je otkrio x zrane i za to dobio Nobelovu nagradu, predložio model vode kao kristala. 2008, Takashi Tokušima, istraživač u Institutu RIKEN u Japanu je izučavao svojstva vode, bombardujući je x zracima.

Slika 3. Kada se atom vode pogodi x zracima, on gubi jedan elektron (koji je može izmeriti kao emitovana energija). Može se izračunati razlika izmedju energije korišćene da se bombarduje atom i emitovane energije.

Slika 4. Voda postoji u dva oblika, gusta i retka voda. Ovo objašnjava kako je moguće da voda bude gušća od leda na 4 Celzijusa

Korišćenjem moćnog spektroskopa, pokazalo se da voda ima krajnje neobično svojstvo da istovremeno postoji u dva stanja. Jedno su relativno dobro organizovane strukture slične ledu (voda niske gustine), koje plivaju u moru relativno neorganizovanih molekula vode sa pokidanim vodoničnim vezama (voda visoke gustine).

Kakav je značaj ovog istraživanja za biologiju? Ima mnogo teorija o tome kako voda funkcioniše u našem organizmu, ali o tome stvarno ne znamo mnogo. Pretpostavlja se da je oko 5% vode u ćelijama vezano za različite materije (voda rastvarač), dok je ostatak čista voda (šta god to značilo).  Sve vreme, kako je gore objašnjeno, ona menja stanje izmedju kristalne vode i guste, dezorganizovane. Ona je u stalnom pokretu, sa frekvencom od oko 1/1000 dela milijarde u sekundi. U ćelijama, voda je vezana za proteine, što menja njene osobine, čineći je sporijom. Vodu bolje vezuju kiseli proteini, zbog njenog pozitivnog naelektrisanja. Jedan od molekula za koji se voda dobro vezuje je i DNK.

Slika 5. Voda se vezuje na DNK na vrlo specifičan način. Kada je DNK delimično dehidrirana, nalazi se u tzv. A obliku (A-DNA). B oblik se nalazi pri saturaciji vodom od oko 66% (to je DNK u hromatinu). Z-DNK ima  cik-cak izgled i tada je DNK izdužena. Voda se najviše vezuje za regione bogate parovima gvanina i citozina. Ovo su delovi DNK koji imaju najviše regulatornih funkcija u sintezi proteina. Ovo postavlja zanimljivo putanje, da li višak vode može pokrenuti neželjene reakcije u ćeliji?

Naučnici u Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) su otkrili da tekstura hidracije DNK zavisi od sadržava vode u ćeliji, ali i da voda utiče na funkcionisanje genetske supstance. Međutim, neki molekuli vode su vezani jače, a neki labavije za DNK. Kako se povećava količina vode u ćeliji, jačina vezivanja se izjednačava. Ovo dovodi do promena u izgledu DNK, koja se izdužuje i savija. "Struktura DNK zavisi od količine vode u ćeliji", kaže šef laboratorije Dr. Fahmy.

To znači da funkcionisanje našeg organizma zavisi od količine vode u njemu. Povećavanje količine vode u okolini DNK za samo 2 molekula po fosfatnoj grupi, za koju se najviše vezuju dovodi do uvijanja DNK u A oblik, što znači prestanak aktivacije gena. Višak vode u ćelijama nije poželjan, jer remeti funkcionisanje. Stoga ćelije poseduju anjonsku pumpu (tzv. VRAC kanal) koji pri razblaživanju elektrolita u ćeliji počinje da ih izbacuje.

Iako je poslednjih godina popularno pijenje velikih količina vode (viđdjate po ulici ljude sa flašicama koje nose da ne bi dehidrrali), istina je da za ovakve preporuke ne postoje nikakvi naučni dokazi. Preporuke različitih organizacija nisu bazirane na eksperimentalnim dokazima. Jedan naučni rad je skorije ispitivao preporuke i zaključio da ne znamo dovoljno kako hidracija utiče na zdrave, a posebno na hronično obolele osobe. Populacione studije se zasnivaju na merenju unosa vode i gustine (osmolarnosti) mokraće. Ograničenje ovakvih studija je u tome da gustina urina uopšte nije u korelaciji sa stanje hidracije (stanjem vode u telu). On odražava količinu unete vode (kada popijemo više vode, mokraća će biti bleda i razređena). Obrnuto, ako nismo pili vodu poslednjih nekoliko sati, mokraća će biti gusta (ali to ne znači da smo dehidrirani). Merenje davanjem izotopa vode, deuterima, meri ukupno količinu vode u telu, ali i odnos unosa i izlučovanja. Dakle, danas nemamo biomarker da procenimo stanje hisracije na nivou populacije, pa su samim tim sve dosadašnje preporuke sasvim proizvoljne.

Ljudi su ranije pili vodu kada su žedni, a ne bi se moglo reći da su bili više bolesni od današnjih (čak nasuprot, ali to će biti tema drugog posta).  Mehanizam žeđi je izuzetan mehanizam za podsećanje kada treba da pijemo vodu.  On ne funkcioniše najbolje kod osoba starijeg životnog doba, kao i onih sa nekim oboljenjima mozga.

Slika 6. Promene u funkcionisanju mozga tokom žeđi i posle pijenja vode. PET sken pokazuje promene, vidljivo je da se najkasnije gasi aktivnost korteksa, tj. osećaj žeđi se gubi postepeno.

Naučnici dosta dugo znaju da je centar žeđi u hipotalamusu. On reaguje na smanjenje količine vode u organizmu, bilo znog smanjene zapremine krvi, bilo zbog njenog zgušanjavanja (povišenja natrijuma u serumu). Sa jedne strane izaziva osećaj žeđi, a sa druge smanjuje izličuvanje mokraće. Ovo se obavlja preko hormona vazopresina (antiduretskog hormona). Ono što je značajno je da se on pkjačano luči tokom fizičkog ili psihičkog stresa, smanjujući količinu mokraće. To znači da posle jakih fizičkih zamaranja ne treba piti velike količine vode, jer može doći do ozbiljnih posledica. U poslednje  vreme je opisano više slučajeva smrtnog ishoda znog unošenja velikih količina vode, koju organizam na uspeva da eliminiše. Ovo posebno važi za osobe koje intenzivno treniraju.

Zanimljivo je da se osećaj žeđi gubi čim voda dospe u želudac, pre nego što pređe u cirkulaciju i popuni krvne sudove.To znači da je mehanizam žeđi izuzetno precizan. Nema razloga da ga izbegavamo, pijući vodu kada nismo žedni.

Životinje ne piju vodu preventivno, pa nema razloga da to čine ljudi. Pijte kada ste žedni, koliko osećate da vam je neophodno.

Dalje čitanje:

 http://www.brainfacts.org/brain-basics/neural-network-function/articles/2008/the-neural-regulation-of-thirst/

http://www.crystalblueent.com/structured-water---what-is-it-part-1.html