معلومة

2: الماء ودوره في الحياة - علم الأحياء


2: الماء ودوره في الحياة

2: الماء ودوره في الحياة - علم الأحياء

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على:

هل تساءلت يومًا لماذا يقضي العلماء وقتًا في البحث عن الماء على الكواكب الأخرى؟ لأن الماء ضروري للحياة ، حتى الآثار الدقيقة له على كوكب آخر يمكن أن تشير إلى أن الحياة يمكن أن توجد أو كانت موجودة بالفعل على هذا الكوكب. الماء هو أحد الجزيئات الأكثر وفرة في الخلايا الحية والأكثر أهمية للحياة كما نعرفها. ما يقرب من 70 في المائة من جسمك يتكون من الماء. بدونها ، ببساطة لم تكن الحياة موجودة.


الماء في الخلية

في حين أن الماء في الخلية كان يُنظر إليه تقليديًا على أنه خلفية - يجب حذفه بسهولة من المخططات الشريطية الملونة للتركيبات الجزيئية الحيوية - منحت مدرسة فكرية بديلة الماء دورًا شبه صوفي باعتباره وكالة للحياة. يشير مصطلح "المياه البيولوجية" أحيانًا إلى حالة مفترضة يُزعم أنها "تم ترويضها" وجعلها محبة للحيوية بواسطة الخلايا (8).

لا توجد قيمة ذات معنى في مفهوم المياه البيولوجية اليوم (9). ومع ذلك ، لا يمكننا أيضًا افتراض أن الماء في الخلية هو نفسه الماء السائل النقي والكتل. تشير المقاييس الإجمالية لديناميكيات الماء ، على سبيل المثال ، إلى أن حوالي 10-25٪ من جزيئات الماء في الخلايا لها ديناميكيات إعادة توجيه أبطأ ، بحوالي ترتيب من حيث الحجم ، من تلك الموجودة في الكتلة (10 ، 11). من المفترض عمومًا أن هذا "الماء البطيء" يعمل بطريقة ما في ترطيب الجزيئات الكبيرة والمذابات السيتوبلازمية الأخرى. ومع ذلك ، فإن الشيطان يكمن في التفاصيل ، وتقسيم مياه الخلية إلى كسور تسمى "ملزمة" و "حرة" ، أو "بطيئة" و "شبيهة بالكتلة" ، لا تفعل سوى القليل لتوضيح الوظائف التي تخدمها.

حتى طبيعة المياه السائلة السائبة نفسها كانت ممزقة بالخلافات والخلافات. من نواحٍ عديدة ، تنبع هذه الحجج من توتر طويل الأمد بين الميل إلى الحديث عن "بنية الماء" بمصطلحات بلورية تقريبًا والاعتراف بأنها كيان ديناميكي بطبيعته (12). تشكل المياه السائلة شبكة متقلبة من الروابط الهيدروجينية ، لكن كل رابطة لها متوسط ​​عمر يبلغ حوالي بيكو ثانية. شكل حرف H2يشجع جزيء O على تكوين نموذج منسق رباعي السطوح ، والذي هو في حد ذاته لبنة بناء الحلقات سريعة الزوال من خمسة وستة أعضاء (13). تخلق مثل هذه الهياكل الحلقية قدرًا كبيرًا من المساحة الفارغة داخل الشبكة ، مما يعطي الجليد كثافة أقل من السائل ، حيث قد تمكن العيوب في الشبكة الجزيئات من التعدي على الفضاء الحر. في الأساس ، يمكن اعتبار هيكل المياه بمثابة حل وسط بين الشبكات المفتوحة الشبيهة بالجليد والتعبئة المغلقة العشوائية التي تشبه السائل. تخضع الديناميكا الحرارية للإذابة في الماء عمومًا للتوازن بين تفاعلات الماء - الماء والماء - المذاب الحراري (الترابط الهيدروجيني ، الكهروستاتيكي ، وفان دير فال) والعواقب الحتمية لتشكيل وتعطيل شبكات مرتبطة بالهيدروجين مرتبة نسبيًا ، مشروطة من خلال العوامل الهندسية للواجهات وربما البيئة المكروية.

على وجه الخصوص ، فإن الكثير من مياه الخلية ، إلى حد ما ، محصورة أو مقيدة. يبلغ متوسط ​​المسافة بين الجزيئات الكبيرة في السيتوبلازم حوالي 1 نانومتر ، وهو ما يقابل ثلاث إلى أربع طبقات جزيئية فقط من الماء - والتي ، ببساطة على أساس نظرية الذوبان الكلاسيكية ، لا يمكن اعتبارها شبيهة بالكتل. عادة ما يؤدي وجود المذاب إلى تغيير شبكة الروابط الهيدروجينية. بعض المواد المذابة القطبية الصغيرة ، مثل اليوريا (14) ، يمكن "تركيبها" مع القليل من إعادة ترتيب المذيبات ، بينما يمكن وضع المذابات الصغيرة الكارهة للماء في تجويف حوله تحافظ جزيئات الماء المحيطة على روابطها الهيدروجينية عن طريق إعادة الترتيب (15). يتم عادةً إذابة الأيونات الصغيرة والبسيطة بواسطة طبقتين أو نحو ذلك من ماء الإماهة ، مع عدم وجود اضطراب بعيد المدى للبنية السائبة (16). بالنسبة للأسطح الأكبر ، مثل تلك الموجودة في البروتينات ، فإن اقتطاع شبكة الروابط الهيدروجينية أمر لا مفر منه. في الواجهات المحبة للماء ، قد تشترك جزيئات الماء في رابطة هيدروجينية مع مجموعات السطح ، مثل البقايا الحمضية في البروتينات. في غضون ذلك ، في الأسطح الكارهة للماء ، يمكن اعتبار الماء على أنه هياكل تحافظ على أكبر قدر ممكن من الروابط الهيدروجينية.

كانت هذه الصورة "لترتيب الماء" حول جسيم كاره للماء أساس التفسير الكلاسيكي للتفاعلات الكارهة للماء الذي قدمه كاوزمان (17). إن جاذبية الكروب المائي في الماء موثقة جيدًا وهي واحدة من القوى الدافعة الرئيسية لطي البروتين وتشكيل مجاميع وظيفية متعددة البروتينات (18). كما أنه يحافظ على التجميع الذاتي للأغشية الدهنية ، وغالبًا ما يتم ملاحظة مطابقة الأسطح الكارهة للماء في الارتباط بالبروتين والليغند. ليس من المبالغة القول إن التفاعلات الكارهة للماء هي قوة مهيمنة في البيولوجيا الجزيئية.

كانت حجة كوزمان (17) هي أن هذه القوة هي في الأصل إنتروبيا. إذا أصبح الماء أكثر تنظيماً - ربما يكون أكثر "شبيهاً بالجليد" (مع حلقات مكونة من ستة أعضاء) أو "شبيه بالكثافة" (مع حلقات خماسية) - حول الأسطح الكارهة للماء ، فإن طرد هذا الماء عندما يجتمع سطحان من هذا القبيل قسط الانتروبيا. الصورة جذابة للغاية بشكل حدسي ، وهذا بلا شك سبب استمرار المرء في رؤيتها. ومع ذلك ، فشلت كل من عمليات المحاكاة الحاسوبية والقياسات المباشرة لهيكل المياه والديناميكيات حول المواد المذابة الكارهة للماء في تقديم الدعم لبيئة ترطيب أكثر ثباتًا وانتظامًا (19 ، 20) - في بعض النواحي ، العكس تمامًا (21). هناك سبب وجيه للاعتقاد بأن الانتروبيا هي بالفعل العامل الرئيسي في التفاعل الكارثي للماء (22) ، ولكن كيفية تفسير ذلك على المستوى الجزيئي - على الأقل من حيث الصور الهيكلية للرابطة الهيدروجينية - ليس واضحًا. جزء من المشكلة هنا هو أنه لا توجد طريقة فريدة لتقدير بنية المياه ، والخيارات المختلفة لا تتوافق بالضرورة مع بعضها البعض (20).

على أي حال ، يوجد الآن سبب وجيه لافتراض أن التفاعل الكارثي للماء ليس ظاهرة واحدة. لوم وآخرون اقترح (23) أنه يجب أن يكون هناك تقاطع بين المذابات الصغيرة (& lt1 نانومتر) الكارهة للماء ، والتي يمكن لشبكة رابطة الهيدروجين المائية أن تتكيف معها إلى حد ما ، وكاربات الماء الكبيرة (& gt1 نانومتر) ، والتي يجب أخذها في الاعتبار بدلاً من ذلك في سياق الترطيب الممتد والطاقات الحرة البينية (24). بالنسبة للكارات المائية الصغيرة ، مثل الميثان (25) ، قد تشكل جزيئات الماء بالفعل بنية شبيهة بالكثريات حول المذاب ، وإن لم يكن بمعنى ثابت. بدلاً من ذلك ، من الواضح أن غلاف الماء ديناميكي ، على الرغم من أنه ليس من الواضح مقدار ذلك بالنسبة إلى الكتلة: أظهرت بعض القياسات (26) استرخاءً أبطأ ، في حين أظهر البعض الآخر (27) حركة دورانية معززة. الصورتان اللتان تم الحصول عليهما بتقنيات تجريبية مختلفة ، ليسا متعارضين بالضرورة (28).

بالنسبة للكوارض المائية الكبيرة ، في هذه الأثناء ، Lum et al. (23) اقترح أن التجاذب الكاره للماء يحدث من خلال الظاهرة الكلاسيكية للتبخر الشعري: إخلاء جماعي مفاجئ للمياه من الفراغ الفاصل بين الأسطح عند بعض الفصل الحرج ، مما يؤدي إلى سحب الأسطح معًا بسبب الهلالة الموجودة عند الحواف. هذا الانتقال التجفيف مدفوع بالتقلبات الواضحة في كثافة الماء (29) ، والتي قد تسهل آلية تنوي غير كلاسيكية لتجويف البخار مع حاجز طاقة حر منخفض (30).

هناك سبب لتوقع انتقال تجفيف للأسطح الملساء شديدة الكراهية للماء (31) ما إذا كان يمكن أن يحدث للأسطح البروتينية غير المتجانسة وغير المستوية كيميائيًا أقل وضوحًا (32 ، 33). Camilloni et al. لقد جادل (34) ، على أساس نمذجة التحولات الكيميائية بالرنين المغناطيسي النووي ، أن جزيئات الماء على سطح البروتين لها نفس عدد الروابط الهيدروجينية في المتوسط ​​كتلك الموجودة في الكتلة ، وبالتالي يجب اعتبارها في -الهيدروفوبي "النظام الذي يتم فيه تقليل الانتروبيا الدورانية فقط. ومع ذلك ، فإن هذه النظرة المتطرفة تتعارض مع دليل الروابط المتدلية (مجموعات OH غير المرتبطة بالهيدروجين) على أسطح البروتينات ، خاصة في المناطق المستوية والمقعرة (35). علاوة على ذلك ، لوحظ تقلبات محسّنة في كثافة الماء من النوع الذي يُعتقد أنه يؤدي إلى إزالة الرطوبة (29) على أسطح البروتين بغض النظر عما إذا كانت قد خضعت بالفعل لعملية إزالة الندى أثناء التجميع (36 ، 37). على الرغم من أن عمومية إزالة الرطوبة كآلية للتفاعل بين الأسطح أو البقع "الكبيرة" الكارهة للماء في علم الأحياء تظل بالتالي سؤالًا مفتوحًا ، يبدو من المعقول تمامًا أن "الضبط" التطوري للبروتينات يجعل بيئة الترطيب قريبة من انتقال طور يوفر هذا النوع طريقة لإحداث تأثيرات كبيرة من التغييرات الصغيرة في الظروف البيئية (36).

هذا النوع من "الحياة على الحافة" التي تم ضبطها بدقة ، والتي تسهل التجفيف المفاجئ لمساحة مغلقة كارهة للماء ، تمت ملاحظتها أيضًا في محاكاة قنوات البروتين وقد تكون مسؤولة عن بوابات نقل الأيونات في المسام الحساسة للميكانيكية والجهد (38 ، 39) ). هنا ، يؤدي تفريغ المسام إلى منع انتقال الأيونات ليس بطريقة معقمة ولكن بسبب التكلفة الباهظة للجفاف الأيوني في البيئة الجافة. قد يؤدي إفراغ الماء من التجاويف الكارهة للماء أيضًا إلى خلق قوة دافعة لرسو الترابط في البروتينات المحبة للحرارة (40).

باختصار ، تعتبر التفاعلات الكارهة للماء أساسية في الكيمياء فوق الجزيئية للخلية ، لكن أصولها لا تزال غير مفهومة تمامًا ، وفي جميع الاحتمالات لا توجد آلية فريدة: الطبيعة الكيميائية والحجم والهندسة للجسيمات المتفاعلة كلها مهمة ، كما هي التقلبات الديناميكية والجماعية للمياه المتداخلة (41).

كلمة تحذير يجب أن تكون: لا يوجد سبب واضح للاعتقاد بأن التأثيرات المضادة للذوبان ، مثل انتقالات التجفيف ، خاصة بالمياه. السؤال ، الذي لم يتم حله بعد ، هو إلى أي مدى ترشدهم خصوصيات المياه وتكيفهم (42). هل من الممكن أن تجعل العواقب الحرارية والنتروبية لقدرة الماء على تكوين شبكات رابطة هيدروجينية منظمة نسبيًا في مجموعات وتجاويف صغيرة حساسة بشكل خاص لهندسة الحبس ، على سبيل المثال؟ هل يمكن أن يمنح التوتر السطحي الكبير للمياه مقياسًا طويلًا لطول التبخر بشكل غير عادي (وإن لم يكن غير عادي) ، وهو مقياس لمدى استعداده للخضوع لتحولات التجفيف (43)؟ أو قد تكون تقلبات الكثافة المحسنة خاصية عامة للمذيبات في الأشكال الهندسية الصغيرة المحصورة بين الكتل المقاومة للذوبان ، بسبب تأثيرات التبخر الشعري الأولي على الانضغاط المحلي للمذيب (44)؟ ما مدى خصوصية الماء حقًا في قدرته على التوسط في هذه التفاعلات الجزيئية؟ قد لا نتمكن بعد من تقديم إجابة محددة لهذا السؤال ، ولكن لدينا الآن فكرة أفضل عن مكان البحث عنه.


مراجع

Raschke، T. M. بنية المياه والتفاعلات مع أسطح البروتين. بالعملة. رأي. هيكل. بيول. 16, 152–159 (2006).

شابلن ، م.ف.الماء: أهميته في الحياة. بيوتشيم. مول. بيول. تعليم. 29, 54–59 (2001).

Albiser، G.، Lamiri، A. & amp Premilat، S. الانتقال A-B: تأثيرات درجة الحرارة وتركيب القاعدة على ترطيب الحمض النووي. كثافة العمليات J. بيول. ماكرومول. 28, 199–203 (2001).

Fuxreiter، M.، Mezei، M.، Simon، I. & amp Osman، R. بامأهلا. بيوفيز. ج. 89, 903–911 (2005).

جيوفامباتيستا ، N. ، Mazza ، M.G ، Buldyrev ، S.V ، Starr ، F. W. & amp Stanley ، H. E. التغايرات الديناميكية في المياه فائقة التبريد. J. فيز. تشيم. ب 108, 6655–6662 (2004).

برودسكي ، أ. هل توجد قيمة تنبؤية في محاكاة المياه بالكمبيوتر؟ تشيم. فيز. بادئة رسالة. 261, 563–568 (1996).

بيليتر ، M. جزيئات الماء الترطيب التي تم رؤيتها بواسطة الرنين المغناطيسي النووي وعلم البلورات بالأشعة السينية. بروغ. مطياف الرنين المغناطيسي النووي. 27, 635–645 (1995).

سوبير ، أ. ك. وظائف التوزيع الشعاعي للماء والجليد من 220 إلى 673 كلفن وعند ضغوط تصل إلى 400 ميجا باسكال. تشيم. فيز. 258, 121–137 (2000).

هال ، ب. ديناميات ترطيب البروتين في المحلول: مسح نقدي. فيل. عبر. R. Soc. لوند. ب 359, 1207–1224 (2004).

Cheung، M. S.، Garcia، A.E & amp Onuchic، J.N. طي البروتين بوساطة الذوبان: يحدث طرد الماء وتشكيل النواة الكارهة للماء بعد الانهيار الهيكلي. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 99, 685–690 (2002).

Papoian، G. A.، Ulander، J.، Eastwood، M. P.، Luthey-Schulten، Z. & amp Wolynes، P.G Water in protein هيكل التنبؤ. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 101, 3352–3357 (2004).

Bandyopadhyay، S.، Chakraborty، S. & amp Bagchi، B. حساسية البنية الثانوية لديناميكيات عمر الرابطة الهيدروجينية في طبقة ترطيب البروتين. جيه. تشيم. شركة 127, 16660–16667 (2005).

ناكاساكو ، م. تفاعلات الماء والبروتين من دراسة البلورات البروتينية عالية الدقة. فيل. عبر. R. Soc. لوند. ب 359, 1191–1206 (2004).

قام فرنانديز ، أ ، وأمب شراجا ، هـ. أ بتجفيف روابط الهيدروجين بشكل غير كافٍ كمحددات لتفاعلات البروتين. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 100, 113–118 (2003).

Dunn، R. V. & amp Daniel، R. M. استخدام ركائز الطور الغازي لدراسة تحفيز الإنزيم عند الترطيب المنخفض. فيل. عبر. R. Soc. لوند. ب 359, 1309–1320 (2004).

Smolin، N.، Oleinikova، A.، Brovchenko، I.، Geiger، A. & amp Winter، R. خصائص شبكات المياه الممتدة على أسطح البروتين. J. فيز. تشيم. ب 109, 10995–11005 (2005).

أيزنمير ، إي زد وآخرون. الديناميات الجوهرية للإنزيم هو أساس التحفيز. طبيعة سجية. 438, 36–37 (2005).

Brovchenko، I. et al. الانكسار الحراري لشبكات المياه الممتدة في غلاف ترطيب البروتينات. J. كيم. فيز. 123, 224905 (2005).

بن نعيم ، أ. التعرف الجزيئي - ينظر إليه من خلال عيون المذيب. بيوفيز. تشيم. 101–102, 309–319 (2002).

Li، Z. & amp Lazaridis، T. تأثير إزاحة الماء على الديناميكا الحرارية الملزمة: concanavalin A. J. فيز. تشيم. ب 109, 662–670 (2005).

Cukierman، S. Etu، Grotthuss! وغيرها من القصص غير المكتملة. بيوكيم. بيوفيز. اكتا للطاقة الحيوية 29 ديسمبر 2005 (دوى: 10.1016 / j.bbabio.2005.12.001).

تاجخورشيد ، إي وآخرون. التحكم في انتقائية عائلة قناة المياه aquaporin عن طريق الضبط التوجيهي العالمي. علم 296, 525–530 (2002).

Lin، J.، Balabin، I. A. & amp Beratan، D.N. طبيعة مسارات الأنفاق المائية بين بروتينات نقل الإلكترون. علم 310, 1311–1313 (2005).

Makarov، V.، Pettitt، B. M. & amp Feig، M. إذابة وترطيب البروتينات والأحماض النووية: نظرة نظرية للمحاكاة والتجربة. Acc. تشيم. الدقة. 35, 376–384 (2002).

آراي ، إس وآخرون. الاتجاهات المائية المعقدة في الأخدود الصغير لمحلل B-DNA d (CCATTAATGG) 2 التي تمت ملاحظتها بواسطة قياسات حيود النيوترونات. نوكل. الدقة الأحماض. 33, 3017–3024 (2005).

بيلتون ، P. S. دراسات الرنين المغناطيسي النووي لترطيب البروتينات والحمض النووي. زنزانة. مول. علوم الحياة. 57, 993–998 (2000).

Dastidar، S.G & amp Mukhopadhyay، C. هيكل وديناميكيات وطاقة الماء على سطح بروتين كروي صغير: محاكاة ديناميكية جزيئية. فيز. القس إي 68, 021921 (2003).

Ruffle، S. V.، Michalarias، I.، Li، J.-C. & amp Ford ، R. C. دراسات تشتت النيوترونات غير المرنة وغير المتماسكة للماء المتفاعل مع الجزيئات البيولوجية الكبيرة جيه. تشيم. شركة 124, 565–569 (2002).

García-Martín، M. L.، Ballesteros، P. & amp Cerdá n، S. استقلاب الماء في الخلايا والأنسجة كما تم الكشف عنه بواسطة طرق الرنين المغناطيسي النووي. بروغ. مطياف الرنين المغناطيسي النووي. 39, 41–77 (2001).

بولاك ، ج. الخلايا والمواد الهلامية ومحركات الحياة نهج موحد جديد لوظيفة الخلية. (إبنر وأولاده للنشر ، واشنطن ، 2001).

هو ، م. وآخرون. في الماء والخلية، (محرران بولاك ، ج.إتش ، كاميرون ، آي إل آند ويتلي ، دي إن) 219-234 (سبرينجر ، دوردريخت ، 2006).

لينغ ، جي ن. الحياة على مستوى الخلية وتحت الخلية. التاريخ الخفي للثورة الوظيفية في علم الأحياء. (مطبعة باسيفيك ، نيويورك ، 2001).

Fullerton ، G. D. ، Kanal ، K. M. & amp Cameron ، I. L. على حجرة الماء غير المستجيبة تناضحيًا في الخلايا. خلية بيول. كثافة العمليات 30, 74–77 (2006).

Fullerton، G. D.، Kanal، K. M. & amp Cameron، I.L. خلية بيول. كثافة العمليات 30, 86–92 (2006).

Wiggins، P. M. مياه عالية ومنخفضة الكثافة وخلايا مريحة ونشطة ومتحولة. خلية بيول. كثافة العمليات 20, 429–435 (1996).

Tychinsky ، V. P. ، Kretushev ، A. V. ، Vyshenskaya ، T. V. & amp Tikhonov ، A.N. بيوكيم. بيوفيز. اكتا 1708, 362–366 (2005).

McIntyre ، G. I. ترطيب الخلية كعامل أساسي في التسرطن: مفهوم موحد. ميد. الفرضيات 66, 518–526 (2006).

Kinsey، S. T.، Pathi، P.، Hardy، K.M، Jordan، A. & amp Locke، B. R. J. إكسب. بيول. 208, 2641–2652 (2005).

فولكر ، ج. ، كلومب ، إتش. وأمبير بريسلاور ، ك.ج.التواصل بين الجزيئات الكبيرة غير المتصلة. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 98, 7694–7699 (2001).

كاميرون ، آي إل ، كانا ، إل كيه إم أند فوليرتون ، جي دي دور تكوين البروتين وتجميعه في ضخ المياه داخل وخارج الخلية. خلية بيول. كثافة العمليات 30, 78–85 (2006).

شابلن ، م.اف أهمية ماء الخلية. العلم في المجتمع, 24, 42–45 (2004).

دبنديتي ، P. G. المياه المبردة والزجاجية. J. فيز. يتكثف. شيء 15، R1669 – R1726 (2003).

Kawamoto ، T. ، Ochiai ، S. & amp Kagi ، H. التغيرات في بنية الماء المستخلصة من اعتماد الضغط على تردد Raman OH. J. كيم. فيز. 120, 5867–5870 (2004).

Royer ، W. E. ، Pardanani ، A. ، Gibson ، Q. H. ، Peterson ، E. S. & amp Friedman ، J. M. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 93, 14526–14531 (1996).

Royer ، W.E. تحليل بلوري عالي الدقة للهيموجلوبين ثنائي الأبعاد. جيه مول. بيول. 235, 657–681 (1994).

Loris، R.، Maes، D.، Poortmans، F.، Wyns، L. & amp Bouckaert، J. هيكل المجمع بين concanavalin A و methyl-3،6-di-ا- (α- D -mannopyranosyl) -a- D -mannopyranoside يكشف عن وضعين للربط. J. بيول. تشيم. 271, 30614–30618 (1996).

Garczarek ، F. & amp Gerwert ، K. المياه الوظيفية في نقل البروتون داخل البروتين التي تتم مراقبتها بواسطة التحليل الطيفي لفرق FTIR. طبيعة سجية 439, 109–112 (2005).

Luecke ، H. ، Schobert ، B. ، Richter ، H. T. ، Cartailler ، J.P & amp Lanyi ، J.K. جيه مول. بيول. 291, 899–911 (1999).

Durley ، R.C E. & amp Mathews ، F. S. الصقل والتحليل الهيكلي للسيتوكروم البقري b5 بدقة 1.5 أنجستروم. اكتا Crystallogr. د 52, 65–76 (1996).

Grotthuss ، C.J.T Sur la décomposition de l'eau et des corps qu'elle tient en dissolution to aide de l'électricité galvanique. آن. شيم. الثامن والعشرون, 54–74 (1806).

Hofmeister، F. Zur lehre von der wirkung der salze. قوس. إكسب. باتول. فارماكول. (لايبزيغ) 24، 247-260 (1888) الترجمة الإنجليزية متوفرة في Kunz، W.، Henle، J. & amp Ninham، B.W. حول علم تأثير الأملاح: أوراق فرانز هوفمايستر التاريخية. بالعملة. رأي. كول. واجهة Sci. 9, 19–37 (2004).

Röntgen ، W.K. Ueber die Constitution des flüssigen wassers. آن. فيز. يو تشيم. (رفقاء) 45, 91–97 (1892).

لاتيمر ، دبليو إم وأمبير رودبوش ، دبليو إتش. الاستقطاب والتأين من وجهة نظر نظرية لويس للتكافؤ. جيه. تشيم. شركة 42, 1419–1433 (1920).

Bernal، J.D & amp Fowler، R.H. نظرية الماء والمحلول الأيوني ، مع إشارة خاصة إلى أيونات الهيدروجين والهيدروكسيل. J. كيم. فيز. 1, 515–548 (1933).

Frank، H. S. & amp Evans، M.W. الحجم الحر والنتروبيا في الأنظمة المكثفة. ثالثا. الانتروبيا في السائل الثنائي يخلط الانتروبيا الجزئية في بنية المحاليل المخففة والديناميكا الحرارية في الإلكتروليتات المائية. J. كيم. فيز. 13, 507–532 (1945).

Watson، J.D & amp Crick، F. H. C. التركيب الجزيئي للأحماض النووية ، هيكل للحمض النووي deoxyribose. طبيعة سجية 171, 737–738 (1953).

Wicke، E.، Eigen، M. & amp Ackermann، T. Über den zustand des protons (hydroniumions) in wäβriger lösung. Z. Physikal. تشيم. ن. ف. 1, 340–364 (1954).

زينت جيورجي ، أ. الطاقة الحيوية. (مطبعة أكاديمية ، نيويورك ، 1957).

كوزمان ، دبليو بعض العوامل في تفسير تمسخ البروتين. حال. بروتين كيم. 14, 1–63 (1959).

Ling، G.N. الحالة الفيزيائية للمياه في الخلايا الحية والأنظمة النموذجية. آن. نيويورك أكاد. علوم. 125, 401–417 (1965).

Narten، A.H، Danford، M.D & amp Levy، H. A. دراسة حيود الأشعة السينية للمياه السائلة في نطاق درجة حرارة 4-200 درجة مئوية. مناقشة فاراداي. 43, 97–107 (1967).

ريك ، ج.ن. وآخرون. هيكل carboxypeptidase A ، VI. بعض النتائج بدقة 2.0 Å ، والمركب مع glycyl-tyrosine بدقة 2.8-. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 58, 2220–2226 (1967).

Rahman، A. & amp Stillinger، F. H. دراسة الديناميكيات الجزيئية للماء السائل. J. كيم. فيز. 55, 3336–3359 (1971).

Boutron، P. & amp Alben، A. نموذج هيكلي للمياه الصلبة غير المتبلورة. J. كيم. فيز. 62, 4848–4853 (1975).

Jorgensen، W.L، Chandrasekhar، J.، Madura، J.D، Impey، R.W & amp Klein، M.L. مقارنة بين الوظائف المحتملة البسيطة لمحاكاة الماء السائل. J. كيم. فيز. 79, 926–935 (1983).

Teeter، M. M. هيكل الماء لبروتين كاره للماء بدقة ذرية: حلقات خماسية من جزيئات الماء في بلورات crambin. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 81, 6014–6018 (1984).

Bassez، M. P.، Lee، J. & amp Robinson، G.W. هل الماء السائل شاذ حقًا؟ J. فيز. تشيم. 91, 5818–5825 (1987).

Berendsen، H.JC، Grigera، J.R & amp Straatsma، T. P. المصطلح المفقود في إمكانات الزوج الفعالة. J. فيز. تشيم. 91, 6269–6271 (1987).

شابلن ، م.ف. مقترح لهيكلة المياه. بيوفيز. تشيم. 83, 211–221 (2000).

Loerting، T.، Salzman، C.، Kohl، I.، Meyer، E. & amp Hallbrucker، A. "حالة" هيكلية ثانية مميزة من الجليد غير المتبلور عالي الكثافة عند 77 K و 1 بار. فيز. تشيم. تشيم. فيز. 3, 5355–5357 (2001).


الدورة الهيدرولوجية

الماء هو واهب الحياة - حتى خالق الحياة. إنها تكمن في أساس فهمنا لكيفية عمل الحياة. كما أنه يكمن في أساس كيفية فهمنا لحياتنا الشخصية. من بين اللبنات الأساسية الأربعة (أو الخمسة) للحياة ، الماء هو الوحيد الذي لديه دورة مرئية ، والتي نسميها الدورة الهيدرولوجية. ليس للنار دورة يمكن أن نراها ، ولا الأرض ولا الهواء. ونحن لا نفهم الروح (الأثير) بما يكفي لنعرف ما إذا كان يفعل ذلك أم لا. الماء هو تذكير دائم بأن الحياة تتكرر.

تعمل الدورة الهيدرولوجية على النحو التالي: من الحالة الأكثر استخدامًا ، يتبخر الماء وينضم إلى الهواء كبخار ماء. عندما يبرد الهواء ، يتكثف البخار ويخلق السحب ، مما يساعد على حجب الحرارة عن الشمس. تتطاير مستعمرات بكتيريا نواة الجليد P. syringae في السحب بفعل الرياح ، وتساعدهم على الترسب والسقوط على شكل مطر أو ثلج أو بَرَد. يتم تخزين الكثير من الأمطار على الأرض مثل المياه الجوفية والبحيرات والثلج والجليد. من هناك تتدفق المياه إلى البحر ، حيث تنضم إلى & quot الحساء الأساسي & quot مرة أخرى كمحيط ، وهي جاهزة لبدء الدورة من جديد.

إليك العديد من الأدوار التي توفرها المياه ، لكل من الأرض والبشر & # x2014 ، والتي تساعد في إنتاج وفرة الحياة التي نراها من حولنا كل يوم. بدون حتى واحدة من هؤلاء ، ستكون حياتنا مختلفة تمامًا.


I. مقدمة

الماء ضروري للحياة. منذ أن غامر الأنواع البدائية بالخروج من المحيطات للعيش على الأرض ، كان مفتاح البقاء على قيد الحياة هو الوقاية من الجفاف. عبر التكيفات الحرجة مجموعة من الأنواع ، بما في ذلك الإنسان. بدون ماء ، يمكن للبشر البقاء على قيد الحياة لأيام فقط. يتكون الماء من 75٪ من وزن الجسم عند الرضع إلى 55٪ عند كبار السن وهو ضروري للتوازن الخلوي والحياة. 1 ومع ذلك ، هناك العديد من الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها حول هذا المكون الأكثر أهمية في أجسامنا ونظامنا الغذائي. تحاول هذه المراجعة تقديم بعض الإحساس بمعرفتنا الحالية بالمياه بما في ذلك الأنماط العامة للاستهلاك وبعض العوامل المرتبطة بالتناول ، والآليات المعقدة وراء توازن المياه ، وتأثيرات التباين في تناول المياه على الصحة واستهلاك الطاقة ، والوزن ، والأداء البشري وتعمل.

استندت التصريحات الأخيرة حول متطلبات المياه إلى الاسترجاع بأثر رجعي لاستهلاك المياه من الأطعمة والمشروبات بين الأفراد الأصحاء غير المودعين في مؤسسات. نقدم أمثلة لتقييم استهلاك المياه في السكان لتوضيح الحاجة إلى الدراسات التجريبية. بخلاف ظروف الجفاف هذه ، لا نفهم حقًا كيف يؤثر الماء على الصحة والرفاهية ، حتى تأثير مدخول الماء على الأمراض المزمنة. في الآونة الأخيرة ، تناول J & # x000e9quier and Constant هذا السؤال بناءً على فسيولوجيا الإنسان. 2 نحتاج إلى معرفة المزيد عن مدى أهمية تناول الماء للوقاية من الأمراض وتعزيز الصحة.

كما نلاحظ لاحقًا ، فإن عددًا قليلاً من البلدان قد طورت متطلباتها من المياه وتلك التي تبنيها على مقاييس ضعيفة على مستوى السكان من مدخول الماء وأسمولية البول. 3 ، 4 طُلب من الهيئة الأوروبية لسلامة الأغذية (EFSA) مؤخرًا مراجعة المدخولات الحالية الموصى بها من المواد الأساسية ذات التأثير الفسيولوجي بما في ذلك الماء لأن هذه المغذيات ضرورية للحياة والصحة. 5

تستند التوصيات الغذائية الأمريكية للمياه على متوسط ​​مدخول المياه مع عدم استخدام قياسات حالة الجفاف للسكان للمساعدة. تم استخدام جمع عينات الدم لمرة واحدة لتحليل الأسمولية في المصل بواسطة NHANES. على مستوى السكان ، ليس لدينا طريقة مقبولة لتقييم حالة الماء ، وهناك مقياس يستخدمه بعض العلماء ، وهو فرط التوتر ، ولا يرتبط حتى بالترطيب في نفس الاتجاه لجميع الفئات العمرية. 6 تُستخدم مؤشرات البول في كثير من الأحيان ولكنها تعكس الحجم الأخير للسوائل المستهلكة بدلاً من حالة الترطيب. 7 يستخدم العديد من العلماء الأسمولية في البول لقياس حالة الترطيب الحديثة. 8 & # x02013 12 تقنيات تخفيف الديوتيريوم (التخفيف النظائري باستخدام D2O أو أكسيد الديوتيريوم) تسمح بقياس إجمالي ماء الجسم ولكن ليس حالة توازن الماء. 13 نشعر حاليًا بعدم وجود مؤشرات حيوية كافية لقياس حالة الترطيب على مستوى السكان.

عندما نتحدث عن الماء ، فإننا نركز أولاً وقبل كل شيء على جميع أنواع المياه ، سواء كانت ناعمة أو صلبة ، ربيعية أو جيدة ، مياه غازية أو مقطرة. علاوة على ذلك ، نحصل على الماء ليس فقط كمشروب بشكل مباشر ولكن من الطعام وإلى حد صغير جدًا أيضًا من أكسدة المغذيات الكبيرة (المياه الأيضية). تختلف نسبة المياه التي تأتي من المشروبات والأطعمة باختلاف نسبة الفواكه والخضروات في النظام الغذائي. نقدم نطاقات الماء في الأطعمة المختلفة (الجدول 1). في الولايات المتحدة ، تشير التقديرات إلى أن حوالي 22٪ من المياه تأتي من استهلاكنا الغذائي بينما ستكون أعلى بكثير في البلدان الأوروبية ، وخاصة بلد مثل اليونان مع استهلاكها العالي من الفواكه والخضروات أو كوريا الجنوبية. 3 ، 14 ، 15 الدراسة المتعمقة الوحيدة لاستخدام المياه والمياه الجوهرية للغذاء في الولايات المتحدة وجدت مساهمة بنسبة 20.7٪ من مياه الغذاء 16 ، 17 ولكن كما أوضحنا لاحقًا ، كان هذا البحث يعتمد على التقييم العام الضعيف لاستهلاك الماء .

الجدول 1

نطاق محتوى الماء لأطعمة مختارة

النسبة المئويةمادة غذائية
100%ماء
90 & # x0201399٪حليب خالي الدسم ، شمام ، فراولة ، بطيخ ، خس ، ملفوف ، كرفس ، سبانخ ، مخلل ، سكواش (مطبوخ)
80 & # x0201389٪عصير فواكه ، زبادي ، تفاح ، عنب ، برتقال ، جزر ، بروكلي (مطبوخ) ، كمثرى ، أناناس
70 & # x0201379٪موز ، أفوكادو ، جبنة قريش ، جبنة ريكوتا ، بطاطس (مخبوزة) ، ذرة (مطبوخة) ، جمبري
60 & # x0201369٪باستا ، بقوليات ، سلمون ، آيس كريم ، صدر دجاج
50 & # x0201359٪لحم بقري مفروم ، نقانق ، جبنة فيتا ، شريحة لحم تندرلوين (مطبوخة)
40 & # x0201349٪بيتزا
30 & # x0201339٪جبنة شيدر ، بيجلز ، خبز
20 & # x0201329٪سجق بيبروني ، كيك ، بسكويت
10 & # x0201319٪الزبدة والسمن والزبيب
1 & # x020139٪الجوز ، الفول السوداني (المحمص الجاف) ، بسكويت رقائق الشوكولاتة ، البسكويت ، الحبوب ، المعجنات ، قشور التاكو ، زبدة الفول السوداني
0%زيوت وسكريات

المصدر: قاعدة بيانات المغذيات الوطنية لوزارة الزراعة الأمريكية كمرجع معياري ، الإصدار 21 المقدم في Altman. 127

تأخذ هذه المراجعة في الاعتبار متطلبات المياه في سياق الجهود الأخيرة لتقييم مدخول المياه في سكان الولايات المتحدة. يتم استكشاف العلاقة بين استهلاك الماء والسعرات الحرارية على حد سواء للحصول على نظرة ثاقبة بشأن الإزاحة المحتملة للسعرات الحرارية من المشروبات المحلاة بواسطة الماء وأيضًا لفحص إمكانية التعبير عن متطلبات المياه بشكل أفضل فيما يتعلق بمتطلبات السعرات الحرارية / الطاقة مع اعتماد الأخير على العمر والحجم والجنس ومستوى النشاط البدني. نقوم بمراجعة الفهم الحالي للنظام الحساس والمعقد بشكل رائع والذي يحمي الحيوانات البرية من الجفاف ونعلق على مضاعفات الجفاف الحاد والمزمن لدى الإنسان والتي قد يكون من خلالها التعبير الأفضل عن متطلبات المياه مكملاً للتحكم الفسيولوجي للعطش. في الواقع ، فإن التنظيم الدقيق الداخلي للترطيب وتناول الماء لدى الأفراد يخفف من نقص الماء السائد في السكان ويؤثر على الوظيفة والمرض.

تنظيم تناول السوائل

لمنع الزواحف والطيور والفقاريات وجميع الحيوانات البرية من الجفاف ، طورت شبكة حساسة للغاية من الضوابط الفسيولوجية للحفاظ على الماء في الجسم وتناول السوائل عن طريق العطش. قد يشرب البشر لأسباب مختلفة ، لا سيما لأسباب المتعة ولكن معظم الشرب يرجع إلى نقص المياه الذي يؤدي إلى ما يسمى بالعطش التنظيمي أو الفسيولوجي. إن آلية العطش مفهومة جيدًا اليوم والسبب في مواجهة الشرب غير المنظم يرتبط بالقدرة الكبيرة للكلى للتخلص بسرعة من فائض الماء أو تقليل إفراز البول للاقتصاد المؤقت في الماء. 1 لكن عملية الإخراج هذه لا يمكن إلا أن تؤجل ضرورة الشرب أو التوقف عن شرب الماء الزائد. غالبًا ما يكون الشرب غير المنظم محيرًا ، لا سيما في المجتمعات الغنية التي تواجه مشروبات أو سوائل مستساغة للغاية تحتوي على مادة أخرى يبحث عنها الشارب. أكثرها شيوعًا هي المحليات أو الكحول التي يتم تقديم الماء إليها كوسيلة. إن شرب هذه المشروبات ليس بسبب العطش المفرط أو فرط الغطس حيث يمكن إظهاره من خلال تقديم الماء النقي بدلاً من ذلك ومعرفة أن نفس الشارب يعاني من نقص في الشعور بالحساسية (يتميز بالعطش المتناقص بشكل غير طبيعي). 1

توازن السوائل في الجزأين

يتطلب الحفاظ على توازن ثابت للماء والمعادن تنسيق أجهزة الكشف الحساسة في مواقع مختلفة في الجسم مرتبطة بمسارات عصبية مع مراكز تكاملية في الدماغ تعالج هذه المعلومات. هذه المراكز حساسة أيضًا للعوامل الخلطية (الهرمونات العصبية) التي يتم إنتاجها لتعديل إدرار البول وضغط الدم وضغط الدم (أنجيوتنسين معادن كورتيكويد ، فاسوبريسين ، عامل ناتريوتريك الأذيني). تعليمات من المراكز التكاملية للأعضاء & # x0201cexecutive & # x0201d (الكلى والغدد العرقية والغدد اللعابية) وإلى جزء الدماغ المسؤول عن الإجراءات التصحيحية مثل الشرب يتم نقلها عن طريق أعصاب معينة بالإضافة إلى المواد المذكورة أعلاه. 1

يتم التحكم في معظم مكونات توازن السوائل عن طريق آليات التماثل الساكن التي تستجيب لحالة ماء الجسم. هذه الآليات حساسة ودقيقة ، ويتم تفعيلها مع وجود عجز أو فائض من الماء يصل إلى بضع مئات من المليلتر فقط. ينتج عن عجز الماء زيادة في التركيز الأيوني للحيز خارج الخلية ، والذي يأخذ الماء من الحيز داخل الخلايا مما يؤدي إلى تقلص الخلايا. يتم الكشف عن هذا الانكماش من خلال نوعين من أجهزة استشعار الدماغ ، أحدهما يتحكم في الشرب والآخر يتحكم في إفراز البول عن طريق إرسال رسالة إلى الكلى بشكل رئيسي عن طريق هرمون فاسوبريسين المضاد لإدرار البول لإنتاج حجم أصغر من البول الأكثر تركيزًا. 18 عندما يحتوي الجسم على فائض من الماء ، تحدث العمليات العكسية: يسمح التركيز الأيوني المنخفض لسوائل الجسم لمزيد من الماء بالوصول إلى الحجرة داخل الخلايا. تشرب الخلايا وتثبط الشرب وتفرز الكلى المزيد من الماء.

وبالتالي تلعب الكلى دورًا رئيسيًا في تنظيم توازن السوائل. كما تمت مناقشته لاحقًا ، تعمل الكلى بكفاءة أكبر في وجود إمدادات مياه وفيرة. إذا كانت الكلى تقتصد في الماء ، وتنتج بولًا أكثر تركيزًا ، فهذه تكلفة أكبر في الطاقة وتآكل أنسجتها بشكل أكبر. من المحتمل أن يحدث هذا بشكل خاص عندما تكون الكلى تحت الضغط ، على سبيل المثال عندما يحتوي النظام الغذائي على كميات مفرطة من الملح أو المواد السامة التي يجب التخلص منها. وبالتالي ، فإن شرب كمية كافية من الماء يساعد في حماية هذا العضو الحيوي.

الشرب المنظم

معظم الشرب يخضع لإشارات نقص المياه. بصرف النظر عن إفراز البول ، فإن عملية تنظيم السوائل الرئيسية الأخرى هي الشرب ، بوساطة الإحساس بالعطش. هناك آليتان متميزتان للعطش الفسيولوجي: الآليات داخل الخلايا وخارجها. عندما يفقد الماء وحده ، يزداد التركيز الأيوني. نتيجة لذلك ، ينتج الفضاء داخل الخلايا بعضًا من مياهه إلى المقصورة خارج الخلية. مرة أخرى ، يتم الكشف عن انكماش الخلايا الناتج عن طريق مستقبلات الدماغ التي ترسل رسائل هرمونية للحث على الشرب. هذا الارتباط مع المستقبلات التي تتحكم في الحجم خارج الخلية يترافق مع زيادة في الشهية للملح. وبالتالي ، فإن الأشخاص الذين يتعرقون بغزارة يفضلون المشروبات الغنية نسبيًا بأملاح الصوديوم بدلاً من الماء النقي. كما ذكرنا سابقًا ، من المهم دائمًا إضافة ملح إضافي للمشروبات عند الشعور بالتعرق المفرط.

The brain’s decision to start or stop drinking and to choose the appropriate drink is made before the ingested fluid can reach the intra- and extracellular compartments. The taste buds in the mouth send messages to the brain about the nature, and especially the salt of the ingested fluid, and neuronal responses are triggered as if the incoming water had already reached the bloodstream. These are the so-called anticipatory reflexes: they cannot be entirely �phalic reflexes” because they arise from the gut as well as the mouth. 1

The anterior hypothalamus and pre-optic area are equipped with osmo-receptors related to drinking. Neurons in these regions show enhanced firing when the inner milieu gets hyperosmotic. Their firing decreases when water is loaded in the carotid artery that irrigates the neurons. It is remarkable that the same decrease in firing in the same neurons takes place when the water load is applied on the tongue instead of being injected in the carotid artery. This anticipatory drop in firing is due to a mediation neural pathways departing from the mouth and by converging on to the neurons which simultaneously sense of the inner milieu (blood).

Non-regulatory drinking

Although everyone experiences thirst from time to time, it plays little day-to-day role in the control of water intake in healthy people living in temperate climates. We generally consume fluids not to quench our thirst, but as components of everyday foods (e.g. soup, milk), as beverages used as mild stimulants (tea, coffee) and for pure pleasure. As common example is alcohol consumption which can increase individual pleasure and stimulate social interaction. Drinks are also consumed for their energy content, as in soft drinks and milk, and are used in warm weather for cooling and in cold weather for warming. Such drinking seems also to be mediated through the taste buds, which communicate with the brain in a kind of “reward system” the mechanisms of which are just beginning to be understood. This bias in the way human beings rehydrate themselves may be advantageous because it allows water losses to be replaced before thirst-producing dehydration takes place. Unfortunately, this bias also carries some disadvantages. Drinking fluids other than water can contribute to an intake of caloric nutrients in excess of requirements, or in alcohol consumption that in some people may insidiously bring about dependence. For example, total fluid intake increased from 79 fluid ounces in 1989 to 100 fluid ounces in 2002 among US adults, all from caloric beverages. 19

Effects of aging on fluid intake regulation

The thirst and fluid ingestion responses of older persons to a number of stimuli have been compared to those seen in younger persons. 20 Following water deprivation older persons are less thirsty and drink less fluid compared to younger persons. 21 , 22 The decrease in fluid consumption is predominantly due to a decrease in thirst as the relationship between thirst and fluid intake is the same in young and old persons. Older persons drink insufficient water following fluid deprivation to replenish their body water deficit. 23 When dehydrated older persons are offered a highly palatable selection of drinks, this also failed to result in an increased fluid intake. 23 The effects of increased thirst in response to an osmotic load have yielded variable responses with one group reporting reduced osmotic thirst in older individuals 24 and one failing to find a difference. In a third study, young individuals ingested almost twice as much fluid as old persons, despite the older subjects having a much higher serum osmolality. 25

Overall these studies support small changes in the regulation of thirst and fluid intake with aging. Defects in both osmoreceptors and baroreceptors appear to exist as well as changes in the central regulatory mechanisms mediated by opioid receptors. 26 Because of their low water reserves, it may be prudent for the elderly to learn to drink regularly when not thirsty and to moderately increase their salt intake when they sweat. Better education on these principles may help prevent sudden hypotension and stroke or abnormal fatigue can lead to a vicious circle and eventually hospitalization.

Thermoregulation

Hydration status is critical to the body’s process of temperature control. Body water loss through sweat is an important cooling mechanism in hot climates and in physical activity. Sweat production is dependent upon environmental temperature and humidity, activity levels, and type of clothing worn. Water losses via skin (both insensible perspiration and sweating) can range from 0.3 L/h in sedentary conditions to 2.0 L/h in high activity in the heat and intake requirements range from 2.5 to just over 3 L/d in adults under normal conditions, and can reach 6 L/d with high extremes of heat and activity. 27 , 28 Evaporation of sweat from the body results in cooling of the skin. However, if sweat loss is not compensated for with fluid intake, especially during vigorous physical activity, a hypohydrated state can occur with concomitant increases in core body temperature. Hypohydration from sweating results in a loss in electrolytes, as well as a reduction in plasma volume, and can lead to increased plasma osmolality. During this state of reduced plasma volume and increased plasma osmolality, sweat output becomes insufficient to offset increases in core temperature. When fluids are given to maintain euhydration, sweating remains an effective compensation for increased core temperatures. With repeated exposure to hot environments, the body adapts to heat stress, and cardiac output and stroke volume return to normal, sodium loss is conserved, and the risk for heat-stress related illness is reduced. 29 Increasing water intake during this process of heat acclimatization will not shorten the time needed to adapt to the heat, but mild dehydration during this time may be of concern and is associated with elevations in cortisol, increased sweating, and electrolyte imbalances. 29

Children and the elderly have differing responses to ambient temperature and different thermoregulatory concerns than healthy adults. Children in warm climates may be more susceptible to heat illness than adults due to greater surface area to body mass ratio, lower rate of sweating, and slower rate of acclimatization to the heat. 30 , 31 Children may respond to hypohydration during activity with a higher relative increase in core temperature than adults do, 32 and sweat less, thus losing some of the benefits of evaporative cooling. However, it has been argued that children can dissipate a greater proportion of body heat via dry heat loss, and the concomitant lack of sweating provides a beneficial means of conserving water under heat stress. 30 Elders, in response to cold stress, show impairments in thermoregulatory vasoconstriction and body water is shunted from plasma into the interstitial and intracellular compartments. 33 , 34 With respect to heat stress, water lost through sweating decreases water content of plasma, and the elderly are less able to compensate for increased blood viscosity. 33 Not only do they have a physiological hypodipsia, but this can be exaggerated by central nervous system disease 35 and by dementia 36 . In addition, illness and limitations in activities of daily living can further limit fluid intake. Coupled with reduced fluid intake, with advancing age there is a decrease in total body water. Older individuals have impaired renal fluid conservation mechanisms and, as noted above, have impaired responses to heat and cold stress 33 , 34 . All of these factors contribute to an increased risk of hypohydration and dehydration in the elderly.


Properties and uses of water

Water is essential to living organisms. The list below shows some of its properties and uses.

Hydrogen bonds are formed between the oxygen of one water molecule and the hydrogen of another. As a result of this water molecules have an attraction for each other known as cohesion.

Cohesion is responsible for surface tension which enables aquatic insects like pond skaters to walk on a pond surface. It also aids capillarity, the way in which water moves through xylem in plants.

Water is a dipolar molecule, which means that the oxygen has a slight negative charge at one end of the molecule, and each hydrogen a slight positive charge at the other end. Try to learn all of the functions of water molecules given in the list. Water is used in so many ways that the
chance of being questioned on the topic is high.

آخر قطبي molecules dissolve in water. The different charges on these molecules enable them to fit into water’s hydrogen bond structure. Ions in solution can be transported or can take part in reactions. Polar substances which dissolve are hydrophilic and non-polar, which cannot dissolve in water, hydrophobic.

Water is used in photosynthesis, so it is responsible for the production of glucose. This in turn is used in the synthesis of many chemicals.

Water helps in the temperature regulation of many organisms. It enables the cooling down of some organisms. Owing to a high latent heat of vaporisation, large amounts of body heat are needed to evaporate a small quantity of water. Organisms like humans cool down effectively but lose only a small amount of water in doing so.

A relatively high level of heat is needed to raise the temperature of water by a small amount due to its high specific heat capacity. This enables organisms to control their body temperature more effectively.


Regulation of P-TEFb Activity

The activity of P-TEFb is highly regulated because its function is important for the efficient expression of most genes (34). Numerous transcriptional, translational, and posttranslational mechanisms are employed to control the protein level and biological activity of P-TEFb (34).

Regulation by Sequestering in an Inactive Complex

P-TEFb can integrate into two functionally opposite complexes, which are in equilibrium. More than half of cellular P-TEFb is reversibly sequestrated in a large inhibitory ribonucleoprotein complex (Figure 5), while the remainder is bound to BRD4 and transcriptionally active (27, 78). Figure 6 shows in more detail the control over the level of inhibitory complex. P-TEFb is sequestrated by hexamethylene bisacetamide-inducible proteins (HEXIM 1 or 2) bound to a small, evolutionarily conserved nuclear RNA called 7SK snRNA (27, 78, 79). In this complex (hereafter named, 7SK snRNP), HEXIM is the main suppressor of P-TEFb function and was initially identified as a protein induced upon treating vascular smooth muscle cells with hexamethylene bisacetamide (78, 80). 7SK snRNA serves as an indispensable scaffold that mediates the interaction between HEXIM 1 or 2 and P-TEFb (Figure 6) (78, 81�). Due to its vital role, the stability of 7SK snRNA is maintained by two proteins known as La related protein [LARP7 (84, 85)], and methyl phosphate capping enzyme [MePCE (85, 86)], which protect the 7SK snRNA from degradation by exonucleases at the 3’ and 5’ ends, respectively. The reversible sequestration of P-TEFb by 7SK snRNP plays a key role in maintaining a strict balance in the overall cellular gene expression (Figures 5 and 6).

الشكل 6 Formation and composition of 7SK snRNP. Following the folding of 7SK RNA into a four-stem loop structure, MePCE and LARP7 bind and protect its 5’ and 3’ ends, respectively, from catalytic degradation. One mechanism of protection involves capping of the 5’ end of 7SK RNA by MePCE (depicted as a black dot). The stable 7SK snRNP core then binds dimers of HEXIM1 which exposes their P-TEFb binding domains. Subsequently, HEXIM1 binds activated P-TEFb (CDK9 phosphorylated on Thr186, green dot) and this inhibits its kinase activity. During transcriptional activation, P-TEFb is released and 7SK snRNP is stabilized by binding to heterogeneous nuclear ribonucleoproteins (hnRNPs).

Prior to sequestering P-TEFb, HEXIM1 is found as a dimer formed through its two C-terminal coiled-coil (CR) regions (residues 279-352) and is incapable of interacting with and/or inhibiting P-TEFb (Figures 6 and 7A) (87, 88). Such inability emanates from an autoinhibitory electrostatic interaction between a highly basic region (BR, residues 150-177, KHRR motif) and two acidic regions (AR1 and 2, residues 211-249) of HEXIM1, conferring a conformation that opposes its interaction with P-TEFb (Figure 7A) (78, 89). Binding of the 5’ terminal hairpin of 7SK snRNA with the BR of HEXIM1 causes a conformational change in HEXIM1, unmasking its C-terminal P-TEFb binding domain (residues 181-359) for interaction with the cyclin box of cyclin T1 (88, 89). In this complex, cyclin T1 also makes contact with the 3’ hairpin of 7SK RNA (Figure 7B) (90). HEXIM1 inactivates CDK9 through its PYNT motif (residues 202-205), which masks the catalytic site of CDK9 and occupies its substrate recognition motif (Figures 6 and 7A) (88, 91). Interestingly, phosphorylation of CDK9 on its Thr186 residue is required for the sequestration of P-TEFb in the inhibitory complex (88, 92). This suggests that the inhibitory complex serves as a pool for transcriptionally active kinase, as Thr186 phosphorylation is critical for P-TEFb kinase activity. Because HEXIM homodimerizes, it is proposed that the 7SK snRNP complex comprises two HEXIM1 molecules, binding to 7SK snRNA and P-TEFb (88).

Figure 7 Domains and post-translational modifications of HEXIM1 (A), cyclin T1 (B), and CDK9 (B). Phosphorylated (green), ubiquitinated (purple), acetylated (yellow), and PYNT (brown) motifs are shown. Numbers indicate the positions of amino acid residues. BR, basic region AR, acidic region, encompassing AR1 and AR2 CR, coiled-coil region. Solid black lines with indicated spans of amino acid residues indicate the regions responsible for interactions with other binding partners. Modified from Cho, Schroeder and Ott, Cell Cycle, 9 (9), 1697-1705 (2010).

Orchestrating the function of P-TEFb to activate paused RNAP II complexes on some genes while sparing others requires specific delivery of P-TEFb. Previously, simple diffusion of 7SK snRNP was proposed as the mechanism for transporting P-TEFb to activated genes based on the finding that 7SK snRNP is readily extracted from the nuclei under non-harsh conditions (e.g., under low salt treatment) (93). Separate reports, however, have indicated the presence of 7SK snRNP on chromatin. This is based on the existence of inactive P-TEFb and components of the inhibitory complex (e.g. HEXIM1, LARP7, and 7SK snRNA) with the non-phosphorylated form of RNAP II in the pre-initiation complex (94). Coincidentally, subsequent evidence has shown the co-occupancy of HEXIM1, LARP7, and 7SK snRNA with RNAP II on the transcribed loci of a wide number of active protein-encoding genes and further identified a chromatin anchoring mechanism for 7SK snRNP (e.g., methylated histone (H4R3me) on specific enhancers, termed anti-pause enhancers) (95, 96). These observations indicate that 7SK snRNP is tethered to chromatin to selectively guide the function of a transcription-ready P-TEFb (Figure 5).

The precise molecular mechanism for the liberation of P-TEFb from 7SK snRNP in response to cellular signals or stress conditions (e.g., UV, actinomycin D) remains to be elucidated but might involve post-translational modifications of the components of 7SK snRNP or direct recruitment by transcription regulators (e.g. BRD4, HIV TAT) (Figures 7A, B and 8). Multiple modifications directed towards HEXIM1, CDK9, and cyclin T1 induce the release of P-TEFb. For instance, T-cell receptor signaling disrupts 7SK snRNP and activates P-TEFb function عبر phosphorylation of HEXIM1 mediated by protein kinase C (PKC, on Ser158) and extracellular-signal-regulated kinase (ERK, on Tyr271, 274) (Figure 7A) (97, 98). In a different cellular context (e.g. HIV infected cells), hexamethylene bisacetamide (HMBA) disrupts 7SK snRNP by activating the Phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K)/Protein Kinase B (AKT) pathway, which inhibits the interaction between HEXIM1 and P-TEFb by phosphorylating HEXIM1 on Thr270 and Ser278 (Figures 7A and 8) (99). In addition, HMBA and UV light activate Ca +2 -dependent phosphatases (PP2B and PP1α) which cause dephosphorylation of CDK9 on Thr186, releasing P-TEFb (100). Besides these phosphorylation-dephosphorylation mechanisms, acetylation of cyclin T1 on its C-terminal lysine residues (Lys, K380, 386, 390 and 404) by p300 further contribute to the release of P-TEFb (Figures 7B and 8) (101).

Figure 8 Recruitment of P-TEFb from 7SK snRNP. Various signaling pathways and stress conditions liberate P-TEFb from 7SK snRNP through PTMs of the components of 7SK snRNP (HEXIM1 and cyclin T1) or direct recruitment (BRD4, TAT, or super elongation complex, SEC). The major PTM involves phosphorylation (green dot) of HEXIM1 in various residues and acetylation (yellow dot) of cyclin T1. TAT recruits P-TEFb by collaborating with phosphatases (PPM1G and PP2γ) which dephosphorylate CDK9 on Thr186. Meanwhile, BRD4 interacts with JMJD6, a histone demethylase, which demethylates (black dot) the 5’ end of 7SK RNA and destabilizes the inhibitory core. AFF1/4, ALL-fused gene from chromosome 1/4 family member ELL2, Eleven-nineteen lysine-rich in leukemia ENL, Eleven nineteen leukemia AF9, ALL-fused gene from chromosome 9.

In addition to intracellular signaling, transcriptional factors can also directly release P-TEFb from 7SK snRNP. The HIV1 TAT activates HIV transcription by hijacking P-TEFb from 7SK snRNA through a high-affinity competition with HEXIM1 for interaction with cyclin T1 (102). To complement this direct effect, TAT also recruits protein phosphatases PPM1G/PP2Cγ to the HIV promoter to dephosphorylate CDK9 on Thr186 to enhance the release of P-TEFb (Figure 8) (96). In normal cellular transcription, the release of P-TEFb from 7SK snRNP depends on BRD4 (27, 103). BRD4 is a ubiquitously expressed nuclear protein that recognizes acetylated histone during active transcription (Figureਅ) and serves as an adaptor for recruiting key transcription factors (104). During active transcription, acetylated histone-bound BRD4 recruits an arginine histone demethylase, JMJD6 (105), to chromatin-anchored 7SK snRNP on anti-pause enhancers (A-PE). Here, JMJD6 releases P-TEFb from 7SK snRNP by demethylating both H4R3me and the 5’ hairpin of 7SK RNA, which dissociates 7SK snRNP from chromatin and exposes 7SK RNA for degradation (Figure 8) (95). Once released, both BRD4 and JMJD6 interact with respective cyclin T1 and CDK9 (Figuresꁺ, B), through their P-TEFb interacting domains [PID BRD4, residues 1209-1362 and JMJD6, residues 1-305 (95, 106)], and deliver P-TEFb to poised RNAP II.

A small fraction of active P-TEFb can also be found in the Super Elongation Complex (SEC), a multicomponent, potent transcription activator (Figure 8). The components of SEC are known fusion partners for Mixed Lineage Leukemia (MLL) and this multiplex is actively recruited by TAT during HIV1 replication (107, 108). Components of SEC such as AF9, AFF1/4, ENL, ELL interact directly with P-TEFb (also see section on hematological malignancies below) and this interaction is increased by TAT. Besides BRD4 or SEC, other transcription factors such as NF㮫 might directly or indirectly deliver P-TEFb to target genes (96, 107).

Once P-TEFb is extracted by BRD4/JMJD6 or other transcription factors, 7SK snRNA is stabilized by binding to heterogeneous nuclear ribonucleoproteins (hnRNPs A1, A2/B1, R, and Q Figure 6) (109, 110). The exact mechanism for the reassembly of the 7SK snRNP is not known but it is proposed that upon termination of transcription, hnRNPs are recruited by the nascent mRNA, thereby releasing 7SK snRNA to reassemble with P-TEFb and HEXIM1 (109, 110).

Regulation of P-TEFb by Post-Translational Modifications

Besides sequestration in an inhibitor complex, the biological activity of P-TEFb is further controlled by post-translational modifications directed toward CDK9 and cyclin T1. These modifications, which include phosphorylation, acetylation, and ubiquitination of CDK9 and/or cyclin T1, increase or decrease the activity of P-TEFb.

Regulation by Phosphorylation

Among the various modifications documented, phosphorylation of several Ser and Thr residues of CDK9 and its cyclin T1 partner plays a key regulatory function (Figure 7B). Phosphorylation of a conserved Thr186 residue in the T-loop structure of CDK9 (Figure 2) is necessary for its enzymatic activity (88, 92). This phosphorylation triggers a conformational change in the CDK9-cyclin T1 heterodimer exposing the ATP and substrate binding sites (22). Moreover, as described above, binding of P-TEFb to the components of 7SK snRNP is also dependent on the phosphorylation of CDK9 at Thr186 (pThr186), indicating that the inhibitory complex serves as a pool for efficient and prompt release of active P-TEFb in response to stress conditions (92, 100). Initially, autophosphorylation was described as the main mechanism for the formation of pThr186, based on an في المختبر kinase assay employing purified CDK9-cyclin T1 complex (22). Recent evidence, however, revealed that CDK7, a CDK-activating kinase (CAK) for various cell cycle CDKs, is responsible for forming pThr186 (111). Besides CDK7, a global search for other kinases responsible for forming pThr186 indicated that siRNA knockdown of Ca 2+ /calmodulin-dependent kinase 1D decreases the level of pThr186, although a direct link for this role was not established (112).

Once P-TEFb dissociates from the inhibitory complex, CDK9 is phosphorylated on a second highly conserved T-loop residue, Ser175 (Figure 7B) (103). CDK9 carrying pSer175 is found exclusively outside of the 7SK snRNP complex and this phosphorylation step promotes the binding of P-TEFb with BRD4 and/or TAT (103, 113). It was proposed that pSer175 induces a conformational change in P-TEFb favoring the interaction of cyclin T1 with BRD4 (103). Recently, an في المختبر kinase assay and cellular experiments employing THZ1, a highly selective covalent CDK7 inhibitor, have identified CDK7 (as part of CAK) as the kinase that phosphorylates CDK9 on Ser175 (114). The direct contribution of pSer175 to the kinase activity of CDK9 is not clearly established. This comes from various findings showing that a mutation of Ser175 to alanine renders CDK9 inactive in an في المختبر kinase assay (88), while at the same time, it increased TAT-dependent HIV1 transcription at the cellular level (113). Furthermore, mutation of Ser175 to aspartic acid, mimicking the phosphorylated Ser, failed to activate both CDK9 kinase activity في المختبر (88) and TAT-dependent HIV1 transcription في الجسم الحي (113).

The activity of CDK9 is reduced by phosphorylation of an N-terminal Thr29 (115), a modification that is homologous to inhibitory phosphorylation of CDK2 on Thr15 (116). Surprisingly, BRD4 and TAX [transactivator of Human T-lymphotropic Virus Type 1 (HTLV-1)], which recruit P-TEFb for basal and HTLV-1 transcriptions, respectively, induced phosphorylation of CDK9 on Thr29 (Figure 7B) (115, 117). This phosphorylation mainly occurs in the pre-initiation complex, following recruitment of CDK9 by either BRD4 or TAX, and is necessary for limiting the function of CDK9 during initiation of transcription (117). Following succession from transcription initiation to elongation, PP2A dephosphorylates pThr29 (Figure 7B) and activates the positive transcription elongation activity of CDK9 (117).

Additional phosphorylation of CDK9, vital mainly for the activation of HIV1 replication, includes phosphorylation of a cluster of C-terminal Ser/Thr residues (Ser347, Ser353, Ser357 Thr350, Thr354) and an N-terminal Ser90 residue (Figure 7B) (118�). Autophosphorylation of the C-terminal residues of CDK9 and cyclin T1 increases the binding of the TAT-P-TEFb complex to the TAR RNA (118, 119). In addition, phosphorylation of CDK9 on Ser90 by CDK2 positively contributes to HIV1 replication (120). Besides the above-mentioned residues, several other phosphorylated residues of CDK9 with unknown function, were identified by mass spectrometry (121).

Regulation by Acetylation

Acetylation of both CDK9 and cyclin T1 is another important post-translational modification that regulates the biological function of P-TEFb (Figure 7B). Namely, acetylation of four lysine residues within the coiled-coil region of cyclin T1 (Lys380, Lys386, Lys390, and Lys404) induces the dissociation of P-TEFb from 7SK snRNP and is found exclusively in the active P-TEFb complex (101). Acetylation of these residues is mediated by the histone acetyl-transferase (HAT), p300, which liberates P-TEFb from HEXIM1 and 7SK snRNA (Figures 7B and 8) (101). Consequently, acetylated cyclin T1 binds the second bromodomain (BDII) of BRD4 and supports the recruitment and transcriptional activity of P-TEFb (122). In contrast to normal cellular transcription, the HIV1 TAT protein has evolved the ability to recruit the non-acetylated cyclin T1 directly from the inhibitory complex to activate HIV1 transcription (102).

In addition to cyclin T1, CDK9 is also acetylated on two N-terminal lysine residues, namely Lys44 and Lys48, by p300 and GCN5 (Figure 7B) (123, 124). While p300 and GCN5 acetylate both lysine residues, Lys44 is the preferred site for p300 while GCN5 mainly targets Lys48 (123, 124). Contrary findings have been reported regarding the outcome of CDK9 acetylation on its kinase and transcriptional activity (123, 124). On the one hand, Fu et al. reported that acetylation of CDK9 on Lys44 increases its activity as the mutation of Lys44 to Arginine or overexpression of histone deacetylases (HDAC1 and 3, directed towards Lys44) markedly impaired CDK9’s kinase and transcriptional activities (123). On the other hand, Sabo et al. showed that acetylation of CDK9 inhibits the binding of ATP to CDK9 and thus hinders its kinase activity (124). Recently, the latter finding was supported by a study showing that by counteracting GCN5-mediated Lys48 acetylation with sirtuin7, a nicotinamide adenine dinucleotide (NAD)-dependent deacetylase, there was an increased transcriptional activity of P-TEFb (125).

Regulation by Ubiquitination

Polyubiquitination of CDK9 and its negative regulator HEXIM1 provides an additional mechanism for the regulation of P-TEFb (Figures 7A, B) (29, 126). Recruitment of the SCF E3 ubiquitin ligase core components (S-phase kinase-associated protein 1 (SKP1), cul-1, and p45 SKP2 ) by cyclin T1 through its C-terminal PEST domain (residues 709-726) mediates polyubiquitination and subsequent degradation of CDK9 by proteasomes (29). Since the protein level of CDK9 does not change in a manner akin to kinases regulating the cell cycle (59), the functional relevance of proteolytic degradation of CDK9 to its regulation is not clear. Interestingly, contrary to the well-known function of ubiquitination, HIV1 transactivation by TAT is increased by the ubiquitination of CDK9 which facilitates the formation of a ternary complex between P-TEFb, TAT, and TAR RNA (127). TAT also recruits the UBE2O ubiquitin ligase in the cytoplasm to ubiquitinate HEXIM1 in a non-degradative manner (128). This ubiquitination step releases HEXIM1 from 7SK snRNP and liberates P-TEFb for transport from the cytoplasmic pool to the nucleus (128). Similarly, ubiquitination of HEXIM1 by human double minute-2 protein (HDM2, Figure 7A), a p53-specific E3 ubiquitin ligase, does not lead to proteasome-mediated degradation, but instead increases its sequestering and thus inhibition of P-TEFb, suggesting a role of ubiquitination beyond proteasome-mediated degradation (126).


3.1.4 Draw and label a diagram showing the structure of water molecules to show their polarity and hydrogen bond formation.

Thermal properties of water include heat capacity, boiling and freezing points and the cooling effect of evaporation.

Water has a large heat capacity which means that a considerable amount of energy is needed to increase it&rsquos temperature. This is due to the strength of the hydrogen bonds which are not easily broken. This is why the temperature of water tends to remain relatively stable. It is beneficial for aquatic animals as they use water as a habitat.

Water has a high boiling and freezing point. It boils at 100 C because the strong hydrogen bonds. All these hydrogen bonds between the water molecules need to break for the liquid to change to gas. Water becomes less dense as it gets closer to the freezing point and so ice always forms on the surface first. The high boiling point of water is vital for life on earth as if water boiled at a lower temperature the water in living organisms would start to boil and therefore these organisms would not survive.
The fact that water becomes less dense as it freezes is beneficial to organisms as ice will always form at the surface of lakes or seas and by doing so it insulates the water underneath, maintaining a possible habitat for organisms to live in.

Water can evaporate at temperatures below the boiling point. Hydrogen bonds need to break for this to occur.

Cohesion is the effect of hydrogen bonds holding the water molecules together. Water moves up plants because of cohesion. Long columns of water can be sucked up from roots to leaves without the columns breaking. The hydrogen bonds keep the water molecules sticking to each other.

The solvent properties of water mean that many different substances can dissolve in it because of its polarity.


What are some examples of properties of water?

The main properties of water are its polarity, cohesion, adhesion, surface tension, high specific heat, and evaporative cooling.

Polarity
A water molecule is slightly charged on both ends. This is because oxygen is more electronegative than hydrogen.

Check out video of a stream of water being bent - a plastic ruler is used in the demo. The stream of water bends due to the polarity of water molecules.

Video from: Noel Pauller

Cohesion
Hydrogen bonds hold water molecules together, as seen in the picture above. Cohesion creates surface tension which is why if you fill a spoon with water, drop by drop, the water volume will actually be bigger than the spoon's surface before the water falls off.

Here is video showing how a paperclip can ""float"" on water - it's actually being held up by the hydrogen bonds formed between water molecules which give water its surface tension.

Video from: Noel Pauller

Adhesion
Similar to cohesion, but adhesion is when the hydrogen bonds in water allow for the water molecules to be held to another subtance.

High Specific Heat
Specific heat is amount of heat absorbed or lost for 1g to change 1ºC, which in the case of water, is pretty high. This allows for evaporative cooling to occur, which is when heat energy is transferred to water molecules , and evaporating water removes a lot of heat energy from an organism (eg. when we sweat)

Other important characteristics of water involve it being a universal solvent, along with its unusual density. Water, unlike any other solid-liquid, is more dense in its liquid form than as a solid, which is why ice floats, and this allows for entire habitats to exist underneath layers of ice floating on oceans. إنه neutral pH (7) is also a relevant characteristic.


شاهد الفيديو: الماء سر الحياة ترشيده يحمي من الهلاك (كانون الثاني 2022).