APA ÎN SISTEMELE BIOLOGICE

Noţiuni de fizică moleculară a lichidelor Forţe şi legături intermoleculare în lichide. Moleculele lichidelor interacţionează în general prin forţe de tip Van de Waals. Legăturile Van der Waals se întâlnesc în cazul dipolilor electrici. Într-un dipol electric centrul sarcinilor pozitive nu coincide cu cel al sarcinilor negative. Moleculele pot fi dipoli instantanei pentru un interval de timp foarte scurt, dar, prin mediere în timp, acest comportament dipolar dispare în cazul moleculelor perfect simetrice. În general, moleculele se pot comporta ca dipoli permanenţi sau induşi (în prezenţa unor câmpuri electrice exterioare moleculele nepolare pot deveni dipoli induşi). Dintre dipolii permanenţi se pot menţiona apa, lipidele, proteinele etc.

Fig. 1

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. Energia acestui tip de legături este proporţională cu 1/r6 (r- distanţa dintre

molecule), iar forţa cu 1/r7. Un alt tip de legături întâlnite la lichide sunt cele coordinative (mai puternice). În acest caz există o suprapunere parţială a norilor electronici ai moleculelor. Între moleculele lichidelor există şi forţe de repulsie datorate respingerii sarcinilor de acelaşi fel. Aceste forţe sunt proporţionale cu 1/r13. În funcţie de natura legăturilor pe care le conţin, lichidele sunt:

- simple (conţin numai legături Van der Waals - exemplu, alcoolul); - complexe (în afara legăturilor van der Waals conţin şi alte legături, mai ales de

tip coordinativ - exemplu, apa). Un grup special îl constituie cristalele lichide în care legăturile intermoleculare realizează structuri ordonate unidimensional şi chiar bidimensional, extinse pe distanţe mari. Modele moleculare ale stării lichide - Modelul cinetico-molecular - lichidele sunt considerate gaze foarte comprimate (sunt aplicabile numai lichidelor formate din molecule monoatomice). - Modelul cristalin - lichidul este format din “celule” identice conţinând câte o moleculă care se mişcă în celulă, independent de mişcările celorlalte molecule. Există celule ocupate şi neocupate (goluri). Molecula poate trece dintr-o celulă ocupată într-un gol. Are loc o migrare a golurilor. - Modelul vacanţelor fluidizate (Eyring) se referă la existenţa unor goluri numite vacanţe fluidizate. Acestea se mişcă în lichid la fel ca moleculele de gaz perfect (agitaţie

1

termică). Numărul vacanţelor pe unitatea de volum este egal cu numărul de molecule de gaz perfect pe unitatea de volum, în aceleaşi condiţii de presiune şi temperatură. Aceste modele se pot aplica, într-o oarecare măsură, numai lichidelor simple. Apa este un lichid complex pentru care au fost elaborate modele speciale. Structura şi proprietăţile cristalelor lichide Printre lichidele complexe există lichide care au proprietăţi comune stării lichide şi solide - acestea sunt cristalele lichide. Exemple de cristale lichide sunt: mielina din ţesutul nervos, esteri ai colesterolului, săpunuri etc. Cristalele lichide sunt substanţe organice la care tranziţia solid - lichid nu se face direct, ci prin faze intermediare, stabile, în care substanţa este anizotropă, numite mezofaze sau faze mezomorfe.

Proprietăţile cristalelor lichidelor sunt date de orientarea spaţială a moleculelor sau a unor agregate moleculare care trebuie să îndeplinească anumite condiţii:

- să fie alungite şi să conţină părţi aşezate într-un plan (ciclul benzenic) - să aibă un trunchi rigid, format din legături duble sau triple care să definească

axa lungă a moleculei; - să conţină dipoli electrici permenţi sau induşi; - să aibă grupări dipolare slabe aşezate la extremităţile moleculei

Aceste condiţii sunt îndeplinite de trei tipuri de structuri moleculare şi anume: - molecule organice mici: esterii colesterolului; - agregate elicoidale lungi: ADN şi unele virusuri; - structuri asociate formate din molecule şi ioni; aceste structuri sunt amestecuri

de amfoliţi (molecule cu un capăt hidrofob şi altul hidrofil) cu solvenţi polari (apa, de exemplu), obţinându-se o orientare a grupărilor hidrofile şi hidrofobe, la o anumită concentraţie, rezultând o structură ca a membranei celulare.

În funcţie de modul în care apar mezofazele există: - cristale lichide termotrope, care se obţin într-un anumit domeniu de

temperatură; - cristale lichide liotrope, care se obţin numai la anumite concentraţii, intervalul

de temperatură fiind mai larg.

Fig. 2

Membranele celulare au caracteristicile unor cristale lichide liotrope. Cristalele lichide termotrope sunt clasificate astfel (Fig 2): - nematice (nema - fir) - moleculele sunt orientate după o anumită direcţie (ca nişte bastonaşe) - acestea nu prezintă activitate optică; - smectice (smectos -săpun) - moleculele se dispun după două direcţii, formând straturi moleculare suprapuse. Moleculele sunt dispuse perpendicular pe strat. Din această clasă face parte mielina. -colesterice - se formează straturi suprapuse în care moleculele sunt paralele între ele şi cu planul stratului; de la un plan la altul ele sunt însă rotite cu un anumit unghi. Sunt optic active. O proprietate importantă a cristalelor lichide colesterice este, deci, activitatea optică, care se intensifică în prezenţa câmpurilor electrice. Moleculele se comportă ca dipoli care se orientează în câmp. Dacă liniile de câmp electric sunt perpendiculare pe planul de polarizare a luminii, cristalele plasate în câmp electric, care

2

absorb lumina polarizată, apar negre. Pe baza acestei proprietăţi, ele sunt folosite în sistemele de afişare a datelor. Cristalele colesterice îsi schimbă culoarea în funcţie de intervalul de temperatură (au proprietăţi termooptice) şi de aceea sunt folosite în termografie (la măsurarea temperaturii). Fenomene la nivelul interfeţelor Interfaţă - suprafaţa care separă două faze aflate în contact. O interfaţă are tendinţa de a avea o suprafaţă minimă (în baza principiului de minim, orice sistem tinde să-şi minimizeze energia potenţială) astfel încât, tangenţial la suprafaţa ei, se exercită o tensiune interfacială. În cazul lichid-gaz, aceasta se numeşte tensiune superficială. O mărime caracteristică pentru aceasta este coeficientul de tensiune superficială σ:

σ = dF/dl

(forţa pe unitatea de contur) sau: σ = -dL/dS

(lucrul mecanic necesar pentru a mări stratul superficial cu o unitate; semnul minus apare datorită convenţiei de semne: lucrul mecanic efectuat asupra sistemului este negativ, iar mărirea suprafeţei cu o unitate presupune efectuarea de lucru mecanic asupra sistemului).

La dizolvarea în apă a unor substanţe poate să apară una dintre următoarele trei situaţii, datorită structurii substanţei respective şi a caracterului hidrobob sau hidrofil, implicit a modului în care această substanţă interacţionează cu moleculele de apă:

- tensiunea superficială să rămână constantă atunci când solvitul nu modifică forţele intermoleculare datorită faptului că se încadrează în reţeaua de legături de hidrogen a apei (zahărul în apă)

- tensiunea superficială creşte uşor ca în cazul soluţiilor de electrolit la care există o interacţiune puternică între ionii dizolvaţi şi dipolii apei, ceea ce duce la creşterea forţelor intermoleculare din lichid, crescând astfel tensiunea superficială. În acelaşi timp ionii sunt atraşi în interiorul lichidului, concentraţia lor în stratul superficial fiind mică, aşadar putem concluziona că creşterea tensiunii superifciale este nesemnificativă.

- tensiunea superficială scade. Este cazul substanţelor care conţin grupări hidrofobe acestea pătrunzând între moleculele de apă şi micşorând astfel forţele intermoleculare. Se numesc substanţe tensioactive. Simultan cu aceste procese de pătrundere între moleculele stratului superficial, tot datorită caracterului lor hidrofob, sunt expulzate către suprafaţa liberă, concentraţia lor aici crescând semnificativ, determinând astfel o scădere importantă a tensiunii superficiale. Substanţele tensioactive pot fi ordonate conform legii lui Traube, care arată că tensioactivitatea unei substanţe este cu atât mai pronunţată cu cât această substanţă conţine mai multe grupări hidrofobe, iar în cadrul aceleiaşi serii organice, tensioactivitatea creşte cu lungimea catenei, în cazul acizilor graşi, cu gradul de nesaturare.

Unul dintre efectele tensiunii superficiale este ascensiunea (depresiunea capilară). Fenomenele capilare sunt foarte importante într-o serie de procese biologice (ascensiunea sevei, accidente vasculare de tipul emboliilor gazoase - pătrunderea de gaze în sânge poate bloca capilarele). Rolul fenomenelor superficiale la nivelul alveolelor pulmonare. Surfactantul pulmonar

Alveolele pulmonare din jurul unei bronhiole au în medie o rază (dacă le considerăm sferice) de 0.05 - 0.1 mm. Alveolele pulmonare sunt în număr de circa 100 de milioane, iar suprafaţa totală pe care o ocupă este de 100 m2 (prin comparaţie,

3

pielea are 2 m2). Deci, prin acestea se realizează cel mai important contact cu aerul atmosferic. Suprafaţa alveolelor variază în cursul ciclului respirator cu cca. 7 m2. Peretele intern al unei alveole este acoperit de un film lichid foarte subţire (0,5 µm). Între aer şi acesta există o tensiune superficială.

Apare deci o diferenţă de presiune în interior, conform legii Laplace:

∆p = 2σ/r

Fig. 3

Pentru apă, la o rază cum este cea a alveolelor, ∆p ≅ 12 - 24 Torr. În realitate ∆p sunt doar de câţiva Torr. Această discrepanţă se datorează existenţei unui agent tensioactiv - surfactant pulmonar - având drept cel mai important constituent o fosfolipidă, care reduce tensiunea superficială. Rolul acestui agent tensioactiv este acela de a face ca ∆p să nu varieze prea mult în cursul ciclului respirator, împiedicând golirea completă a alveolelor mici în cele mari (din cauza ∆p ∼ 1/r, la contracţie presiunea ar tinde să crească în cazul în care coeficientul de tensiune superficială ar fi constant). Prin acţiunea agentului tensioactiv este posibilă egalizarea presiunii la o valoare medie pentru alveolele de dimensiuni diferite, care trebuie să funcţioneze simultan. Absenţa sau insuficienţa acestui agent tensioactiv poate duce la grave accidente respiratorii.

Structura şi proprietăţile moleculei de apă O moleculă de apă - H2O - conţine 2 atomi de hidrogen şi un atom de oxigen, dispuşi ca în Fig. 4. Oxigenul este legat covalent de cei doi atomi de hidrogen, unghiul dintre legături fiind 1050, iar lungimea legăturii de 0,99 Å. Electronii moleculei de apă, în total 10, sunt repartizaţi în modul următor (Fig. 4):

- 2 electroni în apropierea oxigenului; - 2 perechi care se rotesc pe două orbite aflate în plan perpendicular pe planul

moleculei de apă, având nucleul de oxigen în focare. Aceştia se numesc electroni neparticipanţi deoarece nu participă la legătura covalentă;

- 2 perechi de electroni care se rotesc pe două orbite ce înconjoară legătura dintre oxigen şi hidrogen, în planul moleculei de apă (planul format de cele trei nuclee). Prin aceşti electroni se realizează legătura covalentă. Această dispunere a orbitelor determină structura tetraedrică a moleculei de apă, cu nucleul oxigenului în centru şi cei doi protoni, respectiv cele două perechi de electroni neparticipanţi în vârfuri (Fig.4).

Fig. 4

4

Structura moleculară a apei solide şi a apei lichide Legătura de hidrogen Distribuţia asimetrică a electronilor, cu o densitate maximă în apropierea nucleului de oxigen, determină o separare parţială a centrelor sarcinilor pozitive, respectiv negative. În timp ce centrul de masă al sarcinilor pozitive este aproximativ la mijlocul distanţei dintre cei doi protoni, cel al sarcinilor negative este în zona oxigenului. Molecula de apă se comportă, deci, ca un dipol, având un moment dipolar de 1,858 Debye ≅ 6,2 ⋅10-30 Cm. De aceea, molecula de apă se orientează în câmp electric şi apa are o constantă dielectrică mare.

În acelaşi timp, între moleculele de apă apar legături Van der Waals de tip dipol permanent - dipol permanent. Prin forţele de atracţie care apar între extremităţile moleculelor cu sarcini de semn opus, se produce o apropiere a moleculelor şi o suprapunere parţială a norilor electronici, electronii neparticipanţi ai unei molecule se pot roti şi în jurul unui nucleu de hidrogen al altei molecule. Apare o legătură de hidrogen (punte de hidrogen) între două molecule vecine. Această legătură este o legătură coordinativă, în care distanţa dintre nucleul de oxigen al unei molecule şi nucleul hidrogenului din cealaltă moleculă este de 1,76 Å. Apare un comportament cooperativ, în sensul că, legarea unei molecule facilitează legarea alteia etc. O moleculă de apă poate lega coordinativ alte 4 molecule (figura). Pe baza acestei legături se formează structuri supramoleculare (gheaţa - stare cristalină, apa lichidă - microcristalină cu diferite grade de asociere).

Fig. 5

Proprietăţile fizice ale apei. Apa are proprietăţi fizice speciale, care se explică prin caracterul ei dipolar şi prin capacitatea de a forma legături de H. Dintre cele mai importante pentru sistemele biologice se pot menţiona:

- căldură specifică mult mai mare decât cea a oricărei substanţe solide sau lichide; este foarte importantă în procesele de termoreglare la nivelul organismului viu. De exemplu, eforturi musculare intense ar putea duce la o supraîncălzire.

-conductibilitate termică de câteva ori mai mare decât cea a majorităţii lichidelor : “amortizor termic” al apei în organism;

- căldură latentă de vaporizare mult mai mare decât a altor lichide: factor determinant al homeotermiei (răcirea corpului prin evaporare pulmonară şi transpiraţie);

- densitate maximă la 40C - importantă pentru viaţa acvatică; - constantă dielectrică foarte mare - favorizează disociaţia electrolitică;

5

- tensiune superficială mare (fenomene interfaciale, capilaritate). Modele ale structurii apei în starea lichidă. Trecând de la starea solidă caracterizată printr-o reţea cristalină de prisme hexagonale (Fig. 6) (fiecare moleculă coordinează alte 4 molecule), în starea lichidă, apa capătă o structură complexă, în care existenţa legăturilor de H îi conferă anumite proprietăţi speciale.

Fig. 6

Pentru a le explica s-au elaborat câteva modele care, însă, nu reuşesc să clarifice complet caracteristicile şi proprietăţile apei. Ele pot fi utile pentru o descriere a comportamentului apei în unele situaţii. Dintre acestea:

- Modelul reţelei cristaline parţial distruse - datorită agitaţiei termice, unele legături de H se rup - apar domenii microcristaline între care circulă moleculele libere. Între 00 - 40C densitatea creşte datorită pătrunderii moleculelor de apă şi printre ochiurile microreţelelor intacte.

- Modelul grămezilor temporare - se bazează pe ipoteza cooperativităţii legăturilor de H. Formarea unei legături de H facilitează formarea altora şi invers, ruperea facilitează desprinderea altor molecule. Apa - grămezi de molecule, formarea şi distrugerea lor succedându-se cu mare rapiditate . - Modelul clatraţilor - în anumite condiţii o moleculă de apă se poate comporta ca o moleculă hidrofobă, devenind centrul unui dodecaedru cu feţe pentagonale, în colţurile căruia se află molecule de apă - clatrat (Fig. 7).

Fig. 7

- Modelul legăturilor flexibile - rearanjarea moleculelor de apă se face nu prin

ruperea, ci prin îndoirea legăturilor de H. Structura moleculară a soluţiilor apoase Modificarea structurii apei în prezenţa solviţilor Prin dizolvarea unei substanţe în apă (solventul cel mai răspândit), structura acesteia se poate modifica, în funcţie de tipul solvitului, indiferent dacă între moleculele acestuia şi moleculele apei există sau nu interacţiuni.

6

Electroliţii - se disociază la dizolvarea în apă în ioni negativi şi pozitivi, fenomen favorizat de constanta dielectrică mare a apei (εr = 80). Electroliţii tari sunt complet disociaţi. Ionii astfel formaţi atrag dipolii apei, astfel că un ion pozitiv atrage polul negativ (Fig. 8) şi invers.

Fig. 8

Apar structuri radiale (cu simetrie sferică) - apa devenind apă de hidratare.

Procesul se numeşte solvatarea (hidratarea) ionilor. Acest tip de apă are proprietăţi diferite de cele ale apei obişnuite: densitatea apei creşte prin electroconstricţie, se modifică temperaturile de solidificare şi fierbere, constanta dielectrică etc.

Moleculele capabile de legături de H, ca şi cele cu moment dipolar permanent, se integrează cu uşurinţă în reţeaua apei (zaharoza) fără a produce modificări prea mari de structură.

Moleculele fără moment dipolar permanent interacţionează cu moleculele de apă prin legături Van der Waals slabe de tip dipol permanent- dipol instantaneu. Moleculele de acest tip sunt numite molecule hidrofobe. Sistemul apă – solvit, în acest caz, tinde spre minimizarea energiei sale libere - deci spre realizarea unui număr maxim de legături între componente. Moleculele hidrofobe nu pot realiza legături cu moleculele de apă şi, de aceea, un mod de a realiza cât mai multe legături este mărirea numărului de legături de H între moleculele de apă din jurul moleculelor hidrofobe. Se formează structuri cristaline (12 feţe pentagonale - dodecaedre, 16 - hexacaidecaedre) numite clatraţi, în centrul cărora se află câte o moleculă hidrofobă.

Apa capătă o structură asemănătoare gheţii - apă de clatrare. Un alt mod de mărire a numărului de legături se realizează prin apropierea moleculelor hidrofobe una de alta. Apar legături hidrofobe care nu sunt rezultatul vreunei atracţii, ci al lipsei de afinitate pentru apă.

Legăturile hidrofobe sunt foarte importante în realizarea structurii spaţiale a macromoleculelor dizolvate în apă.

Moleculele amfifile (cum sunt proteinele şi acizii nucleici) conţin atât grupări polare (hidrofile) cât şi nepolare (hidrofobe). Grupările hidrofile vor forma legături prin atracţii electrostatice, iar cele hidrofobe se apropie unele de celelalte, realizând legături hidrofobe. În felul acesta macromoleculele îşi organizează atât propria structură, cât şi pe cea a moleculelor de apă din jur (se formează apa de hidratare şi apa de clatrare). Aceasta apă de structură se numeşte apă legată (Fig. 9)

7

Fig. 9

Disocierea apei

H2O → H+ + OH-

Protonul se poate lega de H2O sau poate trece de la o moleculă la alta (are o mare mobilitate):

H+ + H2O → H3O+ (hidroniu) pH -ul

Gradul de disociere al apei pure la 250C: [H+] = [OH-] = 10-7 moli/l

Logaritmul cu semn schimbat al concentraţiei ionilor de H se numeşte pH: pH = 7 (neutru), <7 (acid), >7 (bazic). În organism valoarea medie a pH -ului este 7,4. O substanta tampon pastreaza pH-ul constant, chiar la adaugarea unor cantitati mari de acizi sau baze. O astfel de substanţă tampon este sângele cu seroproteinele avand rol activ. Structura şi rolul apei în sistemele biologice

Organismul uman are un mare conţinut în apă (65-70%). O mare parte a apei din organism manifestă proprietăţi fizice deosebite: se evaporă foarte greu, îngheaţă la temperaturi mult sub 00C, nu dizolvă cristaloizii, nu participă la osmoză - aceasta este apa legată. Problema apei în structurile vii nu este complet elucidată. Existenţa apei legate se explică prin prezenţa unui mare număr de specii moleculare, macromoleculare şi ionice, care structurează apa din jur. O mare parte a apei intracelulare prezintă un grad superior de odonare. Această ordonare are un rol important în desfăşurarea proceselor celulare (excitaţie, contracţie, diviziune, secreţie etc). O serie de studii au arătat ca apa este “compartimentalizată”: există apă liberă, apă parţial legată şi apă legată, fiecare din aceste compartimente având proprietăţi specifice. Dată fiind importanţa apei în desfăşurarea proceselor biologice, există un mare număr de tehnici care permit studiul proprietăţilor acesteia în organismul viu. Tehnici fizice de studiu al apei în sistemele biologice Clasificare: 1. Tehnici distructive 2. Tehnici nedistructive

8

1. Tehnici distructive

- Tehnicile de congelare sunt utilizate pentru determinarea punctului de îngheţ: apa legată îngheaţă la temperaturi mai scăzute decât apa liberă.

- Tehnicile de deshidratare permit studiul compartimentalizării apei: se pierde întâi apa liberă şi apoi cea legată. 2. Tehnici nedistructive - Spectrofotometria în IR (infraroşu) poate da informaţii privind mişcarea moleculelor de apă legată prin reţeaua de apă lichidă. - Calorimetria indică modificarea capacităţii calorice a apei în funcţie de gradul ei de organizare. - Măsurarea relaxării dielectrice: orientarea dipolilor apei în câmp electric poate da indicaţii cu privire la interacţiile cu diferite tipuri de solviţi. - RMN (rezonanţa magnetică nucleară) poate da informaţii despre starea apei (structurii ei) prin măsurarea timpilor de relaxare magnetică nucleară (nucleul atomic - dipol magnetic - tranziţiile cuantice ale momentelor magnetice în cazul nucleelor de H2 depind de starea liberă sau legată a moleculelor de apă. Constanta de timp de revenire dintr-o stare excitată - timp de relaxare).

Tomografia RMN permite stabilirea unor modificări patologice ale structurării apei.

- Deuterizarea – prin înlocuirea apei (H2O) cu apă grea (D2O) se produc diverse modificări în structura şi funcţia unor biosisteme. Legăturile de deuteriu sunt mai puternice decât legăturile de hidrogen - creşte gradul de ordonare în interiorul unor structuri (de exemplu macromolecule). Deuterizarea induce: blocarea transportului activ prin membrane, dispariţia contractilităţii, inhibarea diviziunii celulare. Aceste efecte se numesc efecte izotopice şi ele sunt funcţie de gradul de deuterizare. Se poate studia compartimentalizarea apei – constantele de viteză ale diferitelor procese în care este implicată apa diferă în apa grea de cele care au loc în apa normală.

9