2 Apa in Sistemele Biologice

7/23/2019 2 Apa in Sistemele Biologice

http://slidepdf.com/reader/full/2-apa-in-sistemele-biologice 1/5

Curs 2 - Apa in sistemele biologice1. FORTE SI LEGATRI I!TER"OLECLARE I! LIC#I$EMoleculele lichidelor interacţionează în general prin forţe de tip Van de Waals.Legăturile Van der Waals se întâlnesc în cazul dipolilor electrici. În general, moleculele sepot comporta ca dipoli permanenţi sau induşi. intre dipolii permanenţi se pot menţionaapa, lipidele, proteinele, etc.

Interacţiile Van der Waals pot fi, în funcţie de caracterul dipolului, de tip:- dipol instantaneu - dipol instantaneu;- dipol instantaneu - dipol permanent;- dipol permanent - dipol permanent.Un alt tip de legături întâlnite la lichide sunt cele coordinatie !mai puternice". #n acestca$ e%istă o suprapunere parţială a norilor electronici ai moleculelor.#n funcţie de natura legăturilor pe care le conţin, lichidele sunt:- simple !numai legături Van der Waals - e%emplu, alcoolul";- complexe !în afara legăturilor an der Waals conţin &i alte legături, mai ales de tipcoordinati - e%emplu, apa".Un grup special îl constituie cristalele lichide în care legăturile intermoleculare reali$ea$ă

structuri ordonate unidimensional &i chiar 'idimensional, e%tinse pe distanţe mari.2. "O$ELE "OLECLARE ALE ST%RII LIC#I$E! cinetico-molecular - lichidele sunt considerate ga$e foarte comprimate !suntaplica'ile numai lichidelor formate din molecule monoatomice".! cristalin - lichidul este format din (celule) identice conţinând câte o moleculăcare se mi&că în celulă, independent de mi&cările celorlalte molecule. *%istăcelule ocupate &i neocupate !goluri". +olecula poate trece dintr-o celulă ocupatăîntr-un gol. re loc o migrare a golurilor.! vacanţelor fluidizate !*ring" se referă la e%istenţa unor goluri numite acanţefluidi$ate. cestea se mi&că în lichid la fel ca moleculele de ga$ perfect !agitaţietermică". umărul acanţelor pe unitatea de olum este egal cu numărul demolecule de ga$ perfect pe unitatea de olum, în acelea&i condiţii de presiune &i

temperatură.ceste modele se pot aplica, într-o oarecare măsură, numai lichidelor simple. pa esteun lichid comple% pentru care au fost ela'orate modele speciale.&. STRCTRA SI 'RO'RIETATILE CRISTALELOR LIC#I$E/rintre lichidele comple%e e%istă lichide care au proprietăţi comune stării lichide &isolide - acestea sunt cristalele lichide. *%emple de cristale lichide sunt: mielina din ţesutulneros, esteri ai colesterolului, săpunuri etc.Cristalele lichide sunt su'stanţe organice la care tran$iţia solid - lichid nu se facedirect, ci prin fa$e intermediare, sta'ile, în care su'stanţa este ani$otropă, numite mezofaze sau faze mezomorfe./roprietăţile cristalelor lichidelor sunt date de orientarea spaţială a moleculelor sau

a unor agregate moleculare care tre'uie să îndeplinească anumite condiţii: 0să fie alungite, să conţină părţi a&e$ate într-un plan 0să ai'ă un trunchi rigid - a%a lungă a moleculei; 0să conţină dipoli electrici permanenţi sau indu&i; 0să ai'ă grupări dipolare sla'e la e%tremităţiceste condiţii sunt îndeplinite de trei tipuri de structuri moleculare &i anume:- molecule organice mici: esterii colesterolului;- agregate elicoidale lungi: 1 &i unele irusuri;- structuri asociate formate din molecule &i ioni; aceste structuri sunt amestecuri de



amfoliţi !molecule cu un capăt hidrofo' &i altul hidrofil" cu solenţi polari !apa, dee%emplu".#n funcţie de modul în care apar me$ofa$ele e%istă:- cristale lichide termotrope, care se o'ţin într-un anumit domeniu de temperatură;- cristale lichide liotrope, care se o'ţin numai la anumite concentraţii, interalul detemperatură fiind mai larg.+em'ranele celulare au caracteristicile unor cristale lichide liotrope.2ristalele lichide termotrope sunt clasificate astfel:- nematice!dupa o anumita directie, nu pre$inta actiitate optica"- smectice!dupa doua directii, formand straturi moleculare suprapuse, in care moleculelesunt perpendicular pe strat-3mielina"- colesterice!se formea$a stratura suprapuse cu molecule paralele intre ele si cu planulstratului, de la un plan la altul fiind insa rotite cu un anumit unghi; au actiitate optica, isischim'a culoarea in functie de interalul de temperatura, fiind folosite in termografie".(. FE!O"E!E LA !I)ELL I!TERFE*ELOR Interfaţă - suprafaţa care separă două fa$e aflate în contact. 4 interfaţă are tendinţade a aea o suprafaţă minima astfel încât, tangenţial la suprafaţa ei, se e%ercită o tensiune

interfacială. #n ca$ul lichid-ga$, aceasta se nume&te tensiune superficială. 4 mărimecaracteristică pentru aceasta este coeficientul de tensiune superficială 5:

5 6 d78dl!forţa pe unitatea de contur" sau:

5 6 -d98d!lucrul mecanic necesar pentru a mări stratul superficial cu o unitate".9a di$olarea în apă a unor su'stanţe poate să apară una dintre următoarele treisituaţii, datorită structurii su'stanţei respectie &i a caracterului hidro'o' sau hidrofil, implicit amodului în care această su'stanţă interacţionea$ă cu moleculele de apă:• tensiunea superficială să rămână constantă atunci când solitul nu modifică forţele

intermoleculare datorită faptului că se încadrea$ă în reţeaua de legături de hidrogen a apei!$ahărul în apă"• tensiunea superficială cre&te u&or ca în ca$ul soluţiilor de electrolit la care e%istă ointeracţiune puternică între ionii di$olaţi &i dipolii apei, ceea ce duce la cre&terea forţelor intermoleculare din lichid, crescând astfel tensiunea superficială.• tensiunea superficială scade. *ste ca$ul su'stanţelor care conţin grupări hidrofo'e acestea pătrun$ând între moleculele de apă &i mic&orând astfel forţele intermoleculare. e numescsu'stanţe tensioactieUnul dintre efectele tensiunii superficiale este ascensiunea !depresiunea capilară".7enomenele capilare sunt foarte importante într-o serie de procese 'iologice !ascensiunea seei,accidente asculare de tipul em'oliilor ga$oase - pătrunderea de ga$e în sânge poate 'locacapilarele"..

+. ROLL FE!O"E!ELOR S'ERFICIALE LA !I)ELL AL)EOLELOR 'L"O!AREleolele pulmonare din urul unei 'ronhiole au în medie o ra$ă !dacă le considerămsferice" de <.<= - <.> mm. leolele pulmonare sunt în număr de circa ><< de milioane, iar suprafaţa totală pe care o ocupă este de ><< m? !prin comparaţie, pielea are ? m?". 1eci, prinacestea se reali$ea$ă cel mai important contact cu aerul atmosferic. uprafaţa aleolelor aria$ăîn cursul ciclului respirator cu cca. @ m?. /eretele intern al unei aleole este acoperit de un filmlichid foarte su'ţire !<,= Am". #ntre aer &i acesta e%istă o tensiune superficială.



pare deci o diferenţă de presiune în interior, conform legii 9aplace:

Bp 6 ?58r /entru apă, la o ra$ă cum este cea a aleolelor, Bp≅ >? - ?C Dorr. #n realitate Bp suntdoar de câţia Dorr. ceastă discrepanţă se datorea$ă e%istenţei unui agent tensioacti -surfactant pulmonar - aând drept cel mai important constituent o fosfolipidă, care reduce

tensiunea superficială. Eolul acestui agent tensioacti este acela de a face ca Bp să nu arie$e prea mult în cursul ciclului respirator, împiedicând golirea completă a aleolelor mici în celemari. /rin acţiunea agentului tensioacti este posi'ilă egali$area presiunii la o aloare medie pentru aleolele de dimensiuni diferite, care tre'uie să funcţione$e simultan. 'senţa sauinsuficienţa acestui agent tensioacti poate duce la grae accidente respiratorii.,. STRCTRA I 'RO'RIET%*ILE "OLECLEI $E A'%4 moleculă de apă - F?4 - conţine ? atomi de hidrogen &i un atom de o%igen. 4%igenuleste legat coalent de cei doi atomi de hidrogen, unghiul dintre legături fiind ><=<, iar lungimealegăturii de <,GG H.*lectronii moleculei de apă, în total ><, sunt reparti$aţi în modul următor:• ? electroni în apropierea o%igenului•

? perechi care se rotesc pe două or'ite aflate în plan perpendicular pe planulmoleculei de apă, aând nucleul de o%igen în focare. ce&tia se numesc electronineparticipanţi deoarece nu participă la legătura coalentă;• ? perechi de electroni care se rotesc pe două or'ite ce înconoară legătura dintreo%igen &i hidrogen, în planul moleculei de apă !planul format de cele trei nuclee"./rin ace&ti electroni se reali$ea$ă legătura coalentăceastă dispunere a or'itelor determină structura tetraedrică a moleculei de apă, cunucleul o%igenului în centru &i cei doi protoni, respecti cele două perechi de electronineparticipanţi în ârfuri.. LEGATRA $E #I$ROGE!1istri'uţia asimetrică a electronilor, cu o densitate ma%imă în apropierea nucleului deo%igen, determină o separare parţială a centrelor sarcinilor po$itie, respecti negatie. #n timpce centrul de masă al sarcinilor po$itie este apro%imati la milocul distanţei dintre cei doi protoni, cel al sarcinilor negatie este în $ona o%igenului. +olecula de apă se comportă, deci, caun dipol. 1e aceea, molecula de apă se orientea$ă în câmp electric &i apa are o constantădielectrică mare.#n acela&i timp, între moleculele de apă apar legături Van der Waals de tip dipol permanent - dipol permanent. /rin forţele de atracţie care apar între e%tremităţile moleculelor cusarcini de semn opus, se produce o apropiere a moleculelor &i o suprapunere parţială a norilor electronici, electronii neparticipanţi ai unei molecule se pot roti &i în urul unui nucleu dehidrogen al altei molecule. pare o legătură de hidrogen !punte de hidrogen" între două moleculeecine. ceastă legătură este o legătură coordinatiă, în care distanţa dintre nucleul de o%igen alunei molecule &i nucleul hidrogenului din cealaltă moleculă este de >,@ H. pare un

comportament cooperati, în sensul că, legarea unei molecule facilitea$ă legarea alteia etc. 4moleculă de apă poate lega coordinati alte C molecule !figura". /e 'a$a acestei legături seformea$ă structuri supramoleculare !gheaţa - stare cristalină, apa lichidă - microcristalină cudiferite grade de asociere"./. 'RO'RIET%*ILE FI0ICE ALE A'EIpa are proprietăţi fi$ice speciale, care se e%plică prin caracterul ei dipolar &i prin capacitatea dea forma legături de F. 1intre cele mai importante pentru sistemele 'iologice se pot menţiona:- căldură specifică mult mai mare decât cea a oricărei su'stanţe solide sau lichide; este foarte



importantă în procesele de termoreglare la nielul organismului iu. 1e e%emplu, eforturimusculare intense ar putea duce la o supraîncăl$ire.:

c (1/ 3456mol.78- conducti'ilitate termică de câtea ori mai mare decât cea a maorităţii lichidelor : (amorti$or termic) al apei în organism: <.>< m-> J -> !?=K2"

- căldură latentă de apori$are mult mai mare decât a altor lichide: factor determinant alhomeotermiei !răcirea corpului prin eaporare pulmonară &i transpiraţie":

9 2:( "346g- densitate ma%imă la C<2 - importantă pentru iaţa acatică:

; <<<.<2 6g m-&- constantă dielectrică foarte mare - faori$ea$ă disociaţia electrolitică : 1./21=1-1, mol l-1

52+>C8- permitiitate electrică foarte mare: ? /:+ . ? 52+>C8- tensiune superficială mare : @ :& !4m 52+>C8<. STRCTRA I ROLL A'EI ! SISTE"ELE BIOLOGICE4rganismul uman are un mare conţinut în apă !=-@<L". 4 mare parte a apei dinorganism manifestă proprietăţi fi$ice deose'ite: se eaporă foarte greu, îngheaţă la temperaturimult su' <<2, nu di$olă cristaloi$ii, nu participă la osmo$ă - aceasta este apa legată. *%istenţaapei legate se e%plică prin pre$enţa unui mare număr de specii moleculare, macromoleculare &iionice, care structurea$ă apa din ur. 4 mare parte a apei intracelulare pre$intă un grad superior de odonare. ceastă ordonare are un rol important în desfă&urarea proceselor celulare !e%citaţie,contracţie, dii$iune, secreţie etc". 4 serie de studii au arătat ca apa este (compartimentali$ată):e%istă ap liber, ap parDial legat &i ap legat, fiecare din aceste compartimente aând proprietăţi specifice.1. TE#!ICI FI0ICE $E ST$I AL A'EI ! SISTE"ELE BIOLOGICE2lasificare:>. Dehnici distructive

?. Dehnici nedistructive

>. Dehnici distructive

- Dehnicile de congelare sunt utili$ate pentru determinarea punctului de îngheţ: apa legatăîngheaţă la temperaturi mai scă$ute decât apa li'eră.- Dehnicile de deshidratare permit studiul compartimentali$ării apei: se pierde întâi apali'eră &i apoi cea legată.?. Dehnici nedistructive

- Spectrofotometria în IR !infraro&u" poate da informaţii priind mi&carea moleculelor deapă legată prin reţeaua de apă lichidă.- Calorimetria indică modificarea capacităţii calorice a apei în funcţie de gradul ei deorgani$are.- +ăsurarea relaxării dielectrice: orientarea dipolilor apei în câmp electric poate daindicaţii cu priire la interacţiile cu diferite tipuri de soliţi.- RMN !re$onanţa magnetică nucleară" poate da informaţii despre starea apei !structuriiei" prin măsurarea timpilor de rela%are magnetică nucleară; Domografia E+ permitesta'ilirea unor modificări patologice ale structurării apei.- euterizarea 0 prin înlocuirea apei !F?4" cu apă grea !1?4" se produc diersemodificări în structura &i funcţia unor 'iosisteme. 1euteri$area induce: 'locareatransportului acti prin mem'rane, dispariţia contractilităţii, inhi'area dii$iunii celulare.



ceste efecte se numesc efecte i$otopice &i ele sunt funcţie de gradul de deuteri$are. e poate studia compartimentali$area apei.

Documents

2 Apa in Sistemele Biologice