APA APA N SISTEMELE BIOLOGICEN SISTEMELE BIOLOGICE1. Noiuni de fizic molecular a lichidelor

2. Structura i proprietile moleculei de ap

3. Structura molecular a gheii i a apei lichide

4. Structura molecular a soluiilor apoase

5. Structura i rolul apei n sistemele biologice

6. Fenomene la nivelul interfeelor

7. Cristale lichide

NoNoiuni de fiziciuni de fizic molecularmolecular a a

lichidelorlichidelor

y Structura moleculei este determinata de fortele de atractie fortele de atractie intramoleculare intramoleculare legaturi chimicelegaturi chimice

y Structura supramoleculara este determinata de fortele fortele intermoleculare intermoleculare natura fizica natura fizica

yy Starea de agregare lichida:Starea de agregare lichida:y Forte de atractie intermoleculare

importante

y Forte de respingere neglijabile (1/r13)

y Volum propriu, fara forma proprie

Moleculele lichidelor interactioneaza, in

general, prin forte prin forte electriceelectrice

NoNoiuni de fiziciuni de fizic molecularmolecular a a

lichidelorlichideloryy FForore e n lichide:n lichide:y de tip Van de Waals (1/r7) ntre

dipolii electrici

y legturi coordinative(suprapunerea parial a norilor electronici ai moleculelor)

yy Clasificarea lichidelorClasificarea lichidelory simple (numai legturi Van der

Waals)

y complexe (apa)

dipoli moment dipolar moment dipolar

Md = qd

Structura moleculei de apStructura moleculei de apy 2 legturi covalente

y unghi: 1050

y lungime: 0,965

LegLegtura tura covalentcovalent molecula de ap : ddipol ipol

permanentpermanent cu un moment moment dipolardipolar de

MMdd = q= qdd = = 1,858 Debye 1,858 Debye

6,2 6,2 1010--3030 CCmm molecula de ap se orienteaz

n cmp electric

constant dielectric marer=80

Repartizarea electronilor Repartizarea electronilor n n molecula de apmolecula de ap

Structura molecularStructura molecular a apeia apeiyy LegLegturi de tip Van der Waalsturi de tip Van der Waals

yy LegLegturi de hidrogenturi de hidrogeny legturi coordinative (1,76 )

y comportament cooperativcooperativ

y o molecul de ap poate lega coordinativ alte 4 molecule4 moleculey formarea structurilor supramoleculare

y Un atom de H este transferat parial moleculei vecine

y Legtura de hidrogen este:y mai puternic dect

interacia dipol-dipol

y mai slab dect legtura covalent

y responsabil pentru tensiunea supeficial mare a apei

Permanent n starea solid a apei

Temporar n starea lichid a apei (timpi de via de ordinul ps)

Structura molecularStructura molecular a apeia apei

Structura molecularStructura molecular a apeia apei

Gheaahexagonala Apa lichid

y Gheata cubica la temperaturi < -80oCy Gheata hexagonala la temperaturi -80oC ... 0oCy Anomalia apei (densitate maxima la 4oC)

Gheaacubica

Datorita structurii afanate a apei, solutiile stoc de substante nu se congeleaza in apa, ci in solventi corespunzatori care sa nu formeze clusteri!

Modele moleculare ale Modele moleculare ale ststrii lichiderii lichide

y Modelul cinetico-molecular (numai pentru molecule monoatomice)

y Modelul cristalin

y Modelul vacanelor fluidizate (Eyring)(numrul vacanelor = numrul moleculelor de gaz perfect/V)

yy Apa Apa -- un lichid complex un lichid complex -- modele specialemodele speciale

Modele ale structurii Modele ale structurii apei apei n starea n starea lichidlichidyyodelul reodelul reelei cristalineelei cristaline

parparial distruseial distruse Modelul grmezilor temporare (flickering clusters in apa lichida se formeaza si se distrug gramezi de sute de molecule, a.i. o mare parte din apa este organizata in retea cristalina)

Modelul clatraModelul clatrailor ilor

Modelul legturilor flexibile(legturile de H nu se rup, ci se ndoaie)

yyModelul actual al apeiModelul actual al apeiy Gel format dintr-un singur cluster cu zeci de molecule, cu timp de

via foarte scurt (~10-9 s), n care dimensiunile posibilelor discontinuiti locale depind de presiune i temperatur

y Configuraia cluster-ului se schimb prin ruperea si refacerea legaturilor de hidrogen

ProprietProprietile fizice ale apei ile fizice ale apei 1. cldur specific foarte mare c = 4180 J/(kmol.K)c = 4180 J/(kmol.K)

Q = m Q = m c c tt2. cldur latent de vaporizare mare = 2,4 MJ/kg= 2,4 MJ/kg

Q = m Q = m 3. conductibilitate termic foarte mare 0.610 W m0.610 W m--11 KK--11 (25(25C) C)

4. densitate maxim la 3.984C = = 999.972 kg m999.972 kg m--335. permitivitate electric foarte mare = 78,5 . = 78,5 . 0 0 (25(25C) C) 6. constant de disociere mic 1.821x101.821x10--1616mol lmol l--11 (25(25C) C)

7. tensiune superficial mare = 0,073 N/m= 0,073 N/m (25(25C)C)

Apa are caldura specifica Apa are caldura specifica foarte mare foarte mare yy Absoarbe multa caldura pentru aAbsoarbe multa caldura pentru a--si creste si creste

temperaturatemperatura

y Caldura absorbita este in mare parte folosita pentru ruperea legaturilor de hidrogen

yy Retine multa caldura in procesul de racireRetine multa caldura in procesul de racirey Este rezistenta la racirey Prin formarea legaturilor de hidrogen se degaja

energie

yy Apa are un rol fundamental in termoreglarea Apa are un rol fundamental in termoreglarea organismelor (amortizor termic al organismelor (amortizor termic al organismelor)organismelor)

Apa are cldur latent de vaporizare mare

y Necesita caldura multa pentru ruperea legaturilor de hidrogen si pentru a se evapora

y In absenta legaturilor de hidrogen, punctul de fierbere al apei ~ -90oC

Structura molecularStructura molecular a a solusoluiilor apoase iilor apoase y Structura apei se modific prin dizolvarea unei

substane n funcie de tipul solvituluitipul solvitului1. Electroli1. Electroliii

rqqW 21

41 =

Se obine

y Densitate mai mare prin electroconstriciey Temperatura de solidificare scadey Temperatura de fierbere cretey Constanta dielectric crestey Tensiunea superficial crete

Apa de hidratare Apa de hidratare

2. Solvii capabili s formeze legturi de hidrogen

3. Solviii cu moment dipolar permanent

Se integreazSe integreaz n n rereeaua apeieaua apei

modificri structurale induse minime

glucozaglucoza

4. Solvii cu grupri hidrofobe

LegLegturile hidrofobe turile hidrofobe -- importante importante n realizarea n realizarea structurii spastructurii spaiale a macromoleculelor dizolvate iale a macromoleculelor dizolvate

n apn ap

ClatraClatrai i n mijloc au moleculn mijloc au molecul hidrofobhidrofob

Imobilizarea moleculelor de ap n prezena trimetilamin-N-oxid - ului

5. Moleculele amfifile

Grupri hidrofilehidrofile Grupri hidrofobehidrofobe

legturi cu moleculele de ap prin atracii electrostatice

realizeaz legturi hidrofobe

apap legatlegat

ApAp de hidratarede hidratare

ApAp de clatrarede clatrare

ApAp legatlegat

Apa legatApa legaty se evapor foarte greuy nghea la temperaturi mult sub 0Cynu dizolv cristaloiziiynu particip la osmozyy este preponderenta in organismul umaneste preponderenta in organismul uman

Disocierea apei Disocierea apei H2O H+ + OH-

H+ + H2O H3O+ (hidroniu)Gradul de disociere al apei pure (25oC)

[H+] = [OH-] = 10-7 moli/l

pH = -log[H+]pH = 7 pHpH = 7 pH mediu neutru

pH < 7 pH mediu acid (n organism, sucul gastric, cu pH 7 pH pH > 7 pH mediu mediu bazicbazic

pH biologic = 7,4 (mediu slab bazic)pH biologic = 7,4 (mediu slab bazic)

Soluii tampon

Sngele cu seroproteineleSngele cu seroproteinele

Structura Structura i rolul apei i rolul apei n n sistemele biologice sistemele biologice y apa compartimentalizat:

apap liberliber

apap parparial legatial legat

apap legatlegaty proprieti fizice deosebite

y datorat prezenei unui mare numr de specii moleculare,

macromoleculare i ionice, care structureaz apa din jur

yy apa intracelularapa intracelular -- grad superior de ordonaregrad superior de ordonare rol important n desfurarea proceselor celulare

(excitaie, contracie, diviziune, secreie etc).

ProprietProprietile apei din ile apei din organismorganismy Se evapor foarte greu (permite (permite rrcirea cirea

organismului prin evaporare pulmonarorganismului prin evaporare pulmonar i i prin transpiraprin transpiraie ie homeostazie termic homeostazie termic))y nghea la temperaturi foarte sczute

y Nu dizolv cristaloizii

y Capacitate caloric i conductivitate termic mare mpiedicmpiedic ncnclzirea lzirea esuturiloresuturilor

Fenomene la nivelul interfeelor IInterfanterfa

nmagazineaz energie energie direct

proporional cu aria sa

-- coeficient de tensiune superficial

= F/l= F/l = = -- L/dSL/dS = E/S= E/S

app = 0,073 N/m= 0,073 N/m (mai mare (mai mare doar pentru Hg)doar pentru Hg)

E=S

Forma sferica a picaturilor de lichid

SSubstanubstane tensioactivee tensioactiveLa dizolvarea unei substane n

ap:

= constant

crete (soluii de electrolii)

ssccaaddee substansubstane tensioactivee tensioactive (cu (cu grupgrupri ri hidrofobe: acizi organici, aldehide, alcooli, detergenhidrofobe: acizi organici, aldehide, alcooli, detergeni etc.)i etc.)

legea lui TraubeTraube: tensioactivitatea unei substane este cu att mai pronunat cu ct aceast substan conine mai multe grupri hidrofobe

Rolul substanRolul substanelor tensioactive elor tensioactive n n medicinmedicin

y n organismy cresc permeabilitatea membranelor fluide

y principiile alimentare trec prin substane tensioactivey glucoz esterii Cori i Neuberg glicerol;y proteine aminoacizi;y glucide acizi grai.

y n terapiey adjuvante in prescriptia farmaceutica, cresc

permeabilitatea membranei

Decompresii rapideDegajarea brusc a azotului din snge

rp 2=

Legea lui Laplace

Rolul fenomenelor superficiale la nivelul Rolul fenomenelor superficiale la nivelul

alveolelor pulmonare. alveolelor pulmonare.

Surfactantul pulmonar Surfactantul pulmonar

p ~ 12 - 24 Torr

Fenomene capilare, fFenomene capilare, forore de adeziune, fore de adeziune, fore e de coeziune, forma stratului superficialde coeziune, forma stratului superficial

Menisc concav Menisc convex

yy Apa udApa ud perepereii vasuluiii vasului

Hg nu ud pereii vasului

Legea lui JurinLegea lui Jurin

cos2gr

h =

FFenomene capilareenomene capilare

ascensiunea sevei

accidente vasculare de tipul

emboliilor gazoase

ptrunderea de gaze n snge poate bloca capilarele

Cristale lichideCristale lichide substane organice

tranziia solid-lichid nu se face

direct, ci prin mezofazemezofaze sau faze faze

mezomorfemezomorfe

ProprietProprietile cristalelor lichideile cristalelor lichide

y agregatele moleculare - condicondiiiii:

y s fie alungite, s conin pri aezate ntr-un plan

y s aib un trunchi rigid - axa lung a moleculei;

y s conin dipoli electrici permeni sau indui;

y s aib grupri dipolare slabe la extremiti

SStructuri molecularetructuri moleculare cristale lichidecristale lichideyy molecule organice micimolecule organice mici: esterii

colesterolului;

yy agregate elicoidale lungiagregate elicoidale lungi: ADN,

virusuri;

y structuri asociate care sunt

amestecuri de molecule amfifile molecule amfifile

cu solvencu solveni polarii polari:

membrana celular

Clasificarea cristalelor lichideClasificarea cristalelor lichideyy termotropetermotrope

y anumit domeniu de temperaturtemperatur;

liotrope liotrope

anumit domeniu de concentraconcentraiiee (membrana celular)

Clasificarea cristalelor lichideClasificarea cristalelor lichidetermotropetermotrope

mielina activitate optic (afiaj) termooptice (termografie), schimb culoarea cu temperatura

nematicenematice smecticesmectice colestericecolesterice

Faza A Faza C