The physical and chemical characteristics of water are very special and largely affect the properties of life. For those who have seen the chemical formula of the water molecule (H2O), it is difficult to forget that it is composed of two hydrogen atoms and one oxygen atom. What is less known is the three-dimensional way in which these three atoms are distributed. The water molecule has a shape similar to a "V,” with the two hydrogen atoms, eight times smaller than the oxygen atom, located in proximity to the two tips of the "V,” which is represented inverted in the figure.
The three-dimensional shape of water has relevant consequences for chemistry and for life. Although the net electric charge of the molecule is neutral (two negative charges of the oxygen atom offset by two positive charges of the hydrogen atoms), there is a local residual charge asymmetry at both ends, negative at the top of the molecule in the figure and positive at the bottom, where the hydrogen atoms are located.
The negative residual charge of oxygen attracts positively charged atoms, and the positive residual charge of hydrogen attracts negatively charged atoms. When there are enough water molecules available, they are able to break the union of other molecules or, in other words, dissolve them. Water's great ability to act as a solvent makes it an ideal vehicle for molecules that are essential for life (1).
In addition to its capacity to dissolve other molecules, the shape of the water molecule causes hydrogen atoms to bond (through hydrogen bonds) with other molecules. This is a fundamental property in the interactions of molecules that are as important for life as the nucleic acids, the carriers of genes.
Water can dissociate (although only in a small part of its molecules) in protons (the positively charged nucleus of hydrogen) and hydroxyls (a negatively charged OH ion), being able to permit chemical reactions between acid and basic molecules. No less important is the property of water that makes it less dense in solid state than in liquid form. In satellites of our solar system there are liquid oceans isolated from the exterior by a frozen surface, a phenomenon that might have permitted the existence of life there (2).
About 70% of the mass of a cell is water. In the liquid medium inside the cell are all the components that support life, take place all the chemical reactions necessary for life, and remain all the substances resulting from these reactions.
Versión en español:
Las características físicas y químicas del agua son muy especiales y afectan en gran medida las propiedades de la vida. Para aquellos que han visto la fórmula química de la molécula de agua (H2O), es difícil olvidar que está compuesta por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Lo que es menos conocido es la forma tridimensional en que se distribuyen estos tres átomos. La molécula de agua tiene una forma similar a una "V", con los dos átomos de hidrógeno, ocho veces más pequeños que el átomo de oxígeno, ubicados cerca de las dos puntas de la "V", que se representa invertida en la figura.
La forma tridimensional del agua tiene consecuencias relevantes para la química y para la vida. Aunque la carga eléctrica neta de la molécula es neutra (dos cargas negativas del átomo de oxígeno compensadas por dos cargas positivas de los átomos de hidrógeno), existe una asimetría de carga residual local en ambos extremos, negativa en la parte superior de la molécula en la figura y positiva en la parte inferior, donde se encuentran los átomos de hidrógeno.
La carga residual negativa del oxígeno atrae átomos cargados positivamente, y la carga residual positiva del hidrógeno atrae átomos cargados negativamente. Cuando hay suficientes moléculas de agua disponibles, son capaces de romper la unión de otras moléculas o, en otras palabras, disolverlas. La gran capacidad del agua para actuar como disolvente la convierte en un vehículo ideal para moléculas que son esenciales para la vida (1).
Además de su capacidad para disolver otras moléculas, la forma de la molécula de agua hace que los átomos de hidrógeno se unan (a través de enlaces de hidrógeno) con otras moléculas. Esta es una propiedad fundamental en las interacciones de moléculas que son tan importantes para la vida como los ácidos nucleicos, los portadores de los genes.
El agua puede disociarse (aunque sólo en una pequeña parte de sus moléculas) en protones (el núcleo cargado positivamente del hidrógeno) e hidroxilos (un ion OH cargado negativamente), siendo capaz de permitir reacciones químicas entre moléculas ácidas y básicas. No menos importante es la propiedad del agua que la hace menos densa en estado sólido que en forma líquida. En satélites de nuestro sistema solar hay océanos líquidos aislados del exterior por una superficie congelada, un fenómeno que podría haber permitido la existencia de vida allí (2).
Alrededor del 70% de la masa de una célula es agua. En el medio líquido dentro de la célula se encuentran todos los componentes que sostienen la vida, tienen lugar todas las reacciones químicas necesarias para la vida, y se depositan todas las sustancias resultantes de estas reacciones.
References / Referencias:
(1) Edward O. Wilson. The Meaning of Human Existence. Liveright Publishing Corporation, Nueva York, 2014.
(2) Carlos Briones, José Mª Bermúdez de Castro y Alberto Fernández Soto. Orígenes. El universo, la vida, los humanos. Editorial Planeta, Barcelona, España, 2015.
Image / Imagen: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Water_molecule_3D_with-signs.svg. File: Water molecule 3D.svg. derivative work: MikeRun, Public Domain, via Wikimedia Commons