Afbeelding in de hoofding: Een polaire watermolecule: met positieve en negatieve partiële lading. Bron: ESA.
We kunnen water erg alledaags vinden, maar eigenlijk is het een wonderbaarlijke kleine molecule met heel uitzonderlijke eigenschappen, die zorgen voor een ideale omgeving voor levende cellen. We bekijken in dit hoofdstuk wat de meest essentiële eigenschappen zijn van water en waarom ze zowel voor levende cellen als voor de leefbaarheid van onze planeet zo belangrijk zijn.
Water als oplosmiddel
Water of H2O is een polaire molecule. Dat wil zeggen: deze molecule draagt niet aan beide zijden gelijke lading. De molecule is asymetrisch: de waterstofatomen zitten langs de ene kant, en het vrije elektronenpaar van zuurstof wijst naar de andere kant. Zuurstof heeft de neiging om de elektronen van de molecule meer naar zich toe te trekken. Daarom draagt de waterstofkant minder negatieve lading. De elektronen dragen immers een negatieve lading, en bevinden zich in een watermolecule meer aan de zuurstofkant. Je kan ook zeggen dat de zuurstofkant een partieel negatieve lading δ– draagt, en de waterstofkant een partieel positieve lading δ+.
Als er nu een andere negatief geladen molecuul of atoom (een ion dus) in het water gegooid wordt, dan gaan de watermoleculen daarrond hun waterstofkant (positieve partiële lading) allemaal naar dat ion gaan richten. Ze gaan als het ware een manteltje van water rond dat ion gaan vormen. Dit is erg stabiel. Daarom wordt het ion goed opgelost in water. Het klassieke voorbeeld is keukenzout of NaCl (Natriumchloride). Dit zout gaat in water spontaan splitsen in twee ionen: Na+ en Cl–. Beiden ionen worden dan snel omgeven door watermanteltjes, zoals op de tekening hierboven.
Ook andere zouten, suikers, etc. lossen gemakkelijk op in water op dezelfde manier. En dat geldt ook voor grote biomoleculen – bijvoorbeeld proteïnen – wanneer ze aan hun buitenkant veel ion-ladingen of partiële ladingen dragen. Of anders gezegd: polaire moleculen lossen gemakkelijk op in water. Een levende cel is in essentie een zakje water waarin allerlei chemische reacties plaatsvinden. In de regel is er water zowel binnen als buiten de cel. De cel regelt dan alle chemische reacties binnen de cel en aan de grens met de buitenwereld, het celmembraan. Water is het ideale oplosmiddel als kleine polaire molecule. Bovendien maken biochemische reacties erg veel gebruik van de ionen die water zelf kan vormen: H+ en OH–. De concentratie aan vrije H+ ionen (= de zuurtegraad) is dan ook nog eens een zeer belangrijke regulator die bepaalt of sommige reacties doorgaan of niet.
Hydrofiel of hydrofoob (waterminnend of waterafstotend)
Er bestaan echter ook apolaire moleculen, zoals bijvoorbeeld vet en olie. Dit zijn dus moleculen waarin de elektrische lading juist gelijkmatig verdeeld zitten. Dus ze hebben geen partiële ladingen op hun zijkanten. Het apolaire watermolecuul kan hierrond geen stabiel manteltje vormen. In zulke gevallen is het stabieler dat de apolaire moleculen tegen mekaar gaan zitten. Daarom zijn ze zeer slecht oplosbaar in water. Dat is de reden dat er olievlekken kunnen bestaan op water of dat vet niet gemakkelijk afwast met zuiver water. Zulke stoffen noemen we hydrofoob: ze houden niet van water. Bepaalde grote vetten of eiwitten hebben een hydrofiele en een hydrofobe kant. Deze moleculen gaan in het water met hun hydrofobe kant tegen elkaar gaan hangen, terwijl alle hydrofiele kanten naar buiten wijzen. Ze kunnen zo spontaan microscopische bolletjes of celletjes (micellen) gaan vormen zonder dat er energie voor nodig is.
Membranen
Net zoals bij zeep bestaan er ook biomoleculen die een polaire kop en apolaire staart hebben: bijvoorbeeld fosfolipiden. Bij fosfolipiden worden de staarten gevormd door hydrofobe vetzuren (waterafstotend). Zulke moleculen organiseren zich dus spontaan in micellen of zelfs grotere dubbellagen in het water. Die dubbellagen zijn membranen. Alle levende cellen op Aarde maken gebruik van membranen van fosfolipiden als buitengrens van hun cellichaam. Dat is ongelooflijk handig. De meeste moleculen kunnen niet zomaar door het membraan heen geraken. Daarom wordt de membraan semipermeabel genoemd: alleen doorlaatbaar voor slechts enkele kleine moleculen. Zo krijgt de levende cel heel veel controle over wat er binnen en buiten gaat. Om het allemaal heel fijn te regelen worden dan proteïnen gemaakt die door het membraan uitsteken, en het binnen- en buitengaan van specifieke stoffen regelt als een echte grenscontrole.
Waterstofbruggen maken deze stof uniek
Als veel watermoleculen naast elkaar zitten, dan gaan de positief geladen waterstofzijden zich richten naar de negatief geladen zuurstofzijden. Dit zorgt ervoor dat alle water als het ware een beetje aan mekaar hangt via zogenaamde ‘waterstofbruggen‘. Water is hier heel goed in! Andere stoffen kunnen ook waterstofbruggen maken, maar bij water is door de vorm van de molecule H2O gans de molecule volledig omgeven door bruggen. Het gevolg is dat een druppel water goed aan elkaar hangt en als een bolletje kan op de tafel liggen. Deze eigenschap noemen we grote oppervlaktespanning. Het heeft heel wat gevolgen dat voor leven op Aarde interessant is.
Wat dacht je bijvoorbeeld van capillaire effecten. Als in een heel dun verticaal buisje water binnen komt, dan zie je dat water vanzelf omhoog kruipen. Dat is te danken aan de hoge oppervlaktespanning. Planten gebruiken dat natuurlijk om het water van de bodem naar hun bladeren te transporteren. Ook het effect dat regendruppels overal blijven op liggen. Bijvoorbeeld op boombladeren in het regenwoud of in poriën van bodems of gesteenten. Zonder die grote oppervlaktespanning zouden die druppels wegvloeien. Dat helpt natuurlijk wel om een biotoop niet snel te laten uitdrogen. En de volgende keer dat je een schrijvertje of een staafwants op het water ziet lopen: weet dan dat mogelijk is dankzij een hoge oppervlaktespanning.
Een ander effect heeft te maken met verdamping. Door de waterstofbruggen is er erg veel energie nodig om watermoleculen te laten ontsnappen uit de vloeistof naar de lucht erboven. Deze hoge verdampingsenergie wordt te snelle uitdroging vermeden, maar kan je ook bijvoorbeeld een lichaam actief afkoelen als het te warm is. Als onze zweetklieren onze huid nat maken, dan zal de verdamping van dat zweet veel warmteenergie uit onze huid halen, en koelen we goed af.