Menselijke biologie & genetica
Vertaling van het handboek Human Biology van Mader & Windelspecht -fourteenth ed.
Hoofdstuk 2: Chemie van het leven
2.2 Water en leven
Water is het meest voorkomende molecuul in levende organismen en maakt meestal
ongeveer 60-70% van het totale lichaamsgewicht uit. Bovendien maken de fysische en
chemische eigenschappen van water het leven zoals wij dat kennen mogelijk.
In water brengen de elektronen meer tijd door met het zuurstof (O) atoom dan de
hydrogenen, omdat zuurstof, het grotere atoom, een groter vermogen heeft om elektronen
aan te trekken dan de kleinere waterstof (H) atomen. De negatief geladen elec- tronen liggen
dichter bij het zuurstofatoom, waardoor het zuurstofatoom een beetje negatief wordt. De
hydrogenen zijn op hun beurt weer licht positief. Daarom is water een polair molecuul; het
zuurstofuiteinde van het molecuul heeft een lichte negatieve lading (δ-), en het
waterstofuiteinde heeft een lichte positieve lading (δ+).
In figuur 2.7a is in het diagram links een structuurmodel van water te zien, en het diagram
rechts heet een ruimtevullend model.
Waterstofbruggen
Een waterstofbrug is de aantrekkingskracht van een licht positief, covalent gebonden
waterstof op een licht negatief atoom in de omgeving. Deze komen meestal voor tussen een
waterstof en een zuurstof- of stikstofatoom. Een waterstofbrug wordt door een stippellijn
opnieuw verteerd, omdat deze relatief zwak is en vrij gemakkelijk kan worden verbroken.
In figuur 2.7b kun je zien dat elk waterstofatoom, dat licht positief is, zich bindt aan het licht
negatieve zuurstofatoom van een ander watermolecuul.
,Eigenschappen van het water
Watermoleculen zijn cohesief, wat betekent dat ze aan elkaar kleven, vanwege hun polariteit
en waterstofbinding. Door polariteit en waterstofbinding heeft water veel eigenschappen die
gunstig zijn voor het leven.
1. Water is een vloeistof op kamertemperatuur. Daarom zijn we in staat om het te drinken, te
koken en te baden. Samenstellingen met een laag moleculair gewicht zijn meestal gassen bij
kamertemperatuur. Zo is zuurstof (O2), met een moleculair gewicht van 32, een gas; maar
water, met een moleculair gewicht van 18, is een vloeistof. De waterstofbinding tussen
watermoleculen houdt water een vloeistof en geen gas op kamertemperatuur. Water kookt
niet en wordt pas een gas bij 100°C, één van de referentiepunten voor de Celsius-
temperatuurschaal. Zonder waterstofbinding tussen watermoleculen, ons lichaam
vloeistoffen - en inderdaad ons lichaam - zou gasvormig zijn!
2. De temperatuur van vloeibaar water stijgt en daalt langzaam, om plotselinge of drastische
veranderingen te voorkomen. De vele waterstofbruggen die watermoleculen verbinden,
zorgen ervoor dat het water veel warmte opneemt voordat het kookt. Een calorie warmte-
energie verhoogt de temperatuur van 1 g water 1°C. Dit is ongeveer twee keer de hoeveelheid
warmte die nodig is voor andere covalent gebonden vloeistoffen. Aan de andere kant houdt
water warmte vast en daalt de temperatuur ervan langzaam. Daarom beschermt water ons
en andere organismen tegen snelle temperatuurveranderingen en helpt het ons om onze
normale interne temperatuur te behouden. Deze eigenschap maakt het ook mogelijk dat
grote waterlichamen, zoals oceanen, een relatief constante temperatuur behouden. Water is
een goede temperatuurbuffer.
3. Water heeft een hoge verdampingswarmte, waardoor het lichaam niet oververhit raakt. Er
is een grote hoeveelheid warmte nodig om water te verdampen, d.w.z. om water in stoom te
veranderen. (het omzetten van 1 g van het heetste water aan stoom vereist een input van 540
calorieën aan warmte-energie). Deze eigenschap van water helpt de temperatuur van de
aarde te matigen, zodat het leven kan blijven bestaan. Ook, in een heet milieu, zweten de
meeste zoogdieren, en het lichaam koelt af als lichaamswarmte wordt gebruikt om zweet te
verdampen, meestal vloeibaar water.
4. Bevroren water is minder dicht dan vloeibaar
water, dus ijs drijft op water. Opmerkelijk is dat
het water bij 4°C dichter is dan bij 0°C. De meeste
stoffen trekken samen wanneer ze stollen. Water
zet daarentegen uit wanneer het bevriest, omdat
in ijs de watermoleculen een rooster vormen
waarin de waterstofbruggen verder uit elkaar
liggen dan in vloeibaar water (Fig. 2.9). Dit is de
reden waarom blikjes soda barsten wanneer ze in
een diepvriezer worden geplaatst of waarom
vorstgolven de noordelijke wegen in de winter
hobbelig maken. Ook omdat ijs lichter is dan
koud water, bevriezen de waterlichamen van
boven naar beneden. Het ijs werkt als een
,isolator om te voorkomen dat het water eronder bevriest. Zo worden waterorganismen
beschermd en hebben ze een betere kans om de winter te overleven.
5. Watermoleculen zijn cohesief, maar stromen toch vrijelijk. Daarom vullen vloeistoffen
vaten, zoals bloedvaten. Watermoleculen kleven aan elkaar vanwege de waterstofbinding. Je
hebt die cohesieve eigenschap van water in je dagelijks leven gezien als je ooit drinkglazen
hebt gewassen en ze vervolgens nat hebt gestapeld. Grote fout! De glazen zullen aan elkaar
plakken alsof ze vastgeplakt zijn door de waterstofbinding in de waterfilm op het glas. Maar
hoewel de moleculen aan elkaar kleven, kan het water nog steeds vrij stromen. Door de
cohesieve eigenschap van water kunnen opgeloste en gesuspendeerde moleculen gelijkmatig
over een systeem worden verdeeld. Daarom is water een uitstekend transportmedium. In ons
lichaam vult het bloed onze slagaders en aders omdat het voor 92% uit water bestaat. Nadat
het bloed zuurstof en voedingsstoffen naar de cellen heeft getransporteerd, worden deze
moleculen gebruikt voor de productie van cellulaire energie. Bloed verwijdert ook
afvalstoffen, zoals kooldioxide, uit de cellen.
6. Water is een oplosmiddel voor polaire (geladen) moleculen en vergemakkelijkt daardoor
chemische reacties zowel buiten als binnen ons lichaam. Wanneer ionen en moleculen zich in
water verspreiden, bewegen ze zich en botsen ze, waardoor er reacties kunnen optreden.
Daarom is water een oplosmiddel dat chemische reacties vergemakkelijkt. Wanneer
bijvoorbeeld een zout zoals natriumchloride (NaCl) in water wordt gebracht, worden de
negatieve uiteinden van de watermoleculen aangetrokken tot de positief geladen
natriumionen, en de positieve uiteinden van de watermoleculen worden aangetrokken tot de
negatief geladen chloride-ionen. Hierdoor scheiden de natriumionen en de chloride-ionen
zich van elkaar en lossen ze op in water:
Ionen en moleculen die in wisselwerking staan met water zouden hydrofiel zijn, dat wil zeggen
"waterverliefd". Niet-geïoniseerde en niet-polaire moleculen die niet met water in
wisselwerking staan, zouden hydrofoob zijn, d.w.z. "watervreesbaar".
Zuren en basen
Wanneer watermoleculen uiteenvallen (afbreken), geven ze een gelijk aantal waterstofionen
(H+) en hydroxide-ionen (OH-) vrij:
, Slechts enkele watermoleculen per keer scheiden zich, en het werkelijke aantal H+ of OH- is
10 tot de -7de mol/liter. Een mol is een wetenschappelijke meeteenheid voor atomen, ionen
en moleculen.
Zure oplossingen (hoge H+ concentraties)
Citroensap, azijn, tomaten en koffie zijn allemaal zure oplossingen. Wat hebben ze gemeen?
Zuren zijn sub-standen die in water dissociëren, waardoor waterstofionen (H+) vrijkomen. De
zuurgraad van een stof hangt af van de volledige dissociatie in water. Een belangrijk
anorganisch zuur is bijvoorbeeld zoutzuur (HCl), dat op deze manier dissocieert:
HCl → H+ + Cl-
De dissociatie van HCl is bijna voltooid. Als zoutzuur aan een bekerglas water wordt
toegevoegd, neemt het aantal waterstofionen (H+) sterk toe. Daarom wordt HCl een sterk
zuur genoemd. Zoutzuur wordt geproduceerd door de maag en helpt bij de voedselvertering.
Basisoplossingen (lage H+ concentraties)
Melk van magnesia en ammoniak zijn algemeen bekende basisstoffen. Basen zijn stoffen die
ofwel hydrogen-ionen (H+) opnemen ofwel hydroxide-ionen (OH-) afgeven. Een belangrijke
basis is bijvoorbeeld natriumhydroxide (NaOH), dat op deze manier bijna volledig scheidt:
NaOH → Na+ + OH-
Als er natriumhydroxide aan een beker water wordt toegevoegd, neemt het aantal hydroxide-
ionen toe. Natriumhydroxide wordt dus een sterke basis genoemd. Natriumhydroxide wordt
ook wel loog genoemd en zit in veel afvoer- reinigingsproducten. Je moet geen sterke zuren
of basen proeven omdat ze destructief zijn voor de cellen. Veel huishoudelijke
reinigingsmiddelen, zoals ammoniak of bleekmiddel, hebben gifsymbolen en dragen een
sterke waarschuwing om het product niet in te nemen.
pH schaal
De pH-schaal wordt gebruikt om de zuurgraad en de basegraad (alkaliteit) van een oplossing
aan te geven. Zuiver water met een gelijk aantal waterstofionen (H+) en hydroxide-ionen (OH-
) heeft een pH van precies 7. De pH-schaal is bedacht om de discussie over de
waterstofionenconcentratie [H+] en dus over de hydroxide-ionenconcentratie [OH-] te
vereenvoudigen. Het elimineert het gebruik van omslachtige getallen. Om het verband tussen
de waterstofionenconcentratie en de pH te begrijpen, kunt u het volgende overwegen:
U zult merken dat om de pH te bepalen, elk getal eerst in wetenschappelijke notatie wordt
uitgedrukt. De negatieve waarde van de exponent (denk eraan, de exponent is het superscript
getal) is gelijk aan de pH. Dus voor een oplossing van 0,000001 mollen per liter waterstofionen
is de wetenschappelijke notatie 1 × 10-6, en de pH is -[-6] of pH 6.
Van de twee waarden boven en onder pH 7 geeft één een hogere waterstofionenconcentratie
aan dan pH 7 en verwijst dus naar een zure oplossing? Een getal met een kleinere negatieve
