APA ÎN SISTEMELE BIOLOGICE

 

 

1. Noţiuni de fizică moleculară a lichidelor

2. Structura şi proprietăţile moleculei de apă

3. Structura moleculară a apei solide şi a apei lichide

4. Structura moleculară a soluţiilor apoase

5. Structura şi rolul apei în sistemele biologice

6. Tehnici fizice de studiu al apei în sistemele

biologice

 

 

Apa este substanţa chimică cea mai larg raspândită pe glob, ocupând

cca. 70% din suprafaţa planetei. Organismele vii au, de asemenea, un

conţinut în apă de acelaşi ordin de mărime (50% formele sporulate ale

bacteriilor, 97% celenteratele) şi se consideră că viaţa a apărut în mediul

acvatic. Starea de agregare a apei este, la temperaturile la care organismele

vii îşi desfăşoară existenţa, preponderent cea lichidă. De aceea vor fi

prezentate mai întâi câteva aspecte privind proprietăţile lichidelor.

 

1. 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 (figura). 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 (figura). Dintre dipolii

permanenţi se pot menţiona apa, 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.

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 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, însă, 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. 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.

Membranele celulare au caracteristicile unor cristale lichide liotrope.

 

Cristalele lichide termotrope sunt clasificate astfel (figura):

- 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 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 s:

 

s = dF/dl

(forţa pe unitatea de contur)

sau:

s = dL/dS

(lucrul mecanic necesar pentru a mări stratul superficial cu o unitate).

Există substanţe care pot modifica coeficientul de tensiune

superficială, numite substanţe tensioactive. Conform legii lui Traube,

tensioactivitatea unei substanţe este cu atât mai pronunţată cu cât această

substanţă conţine mai multe grupări hidrofobe.

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

 

Figura reprezintă alveolele pulmonare în jurul unei bronhiole. Acestea

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, 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 mm).

Între aer şi acesta există o tensiune superficială. Apare deci o diferenţă de

presiune în interior, conform legii Laplace:

 

Dp = 2s/r

 

Pentru apă, la o rază cum este cea a alveolelor, Dp @ 12 - 24 Torr. În

realitate Dp 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 Dp să nu varieze prea

mult în cursul ciclului respirator, împiedicând golirea completă a alveolelor

mici în cele mari (din cauza Dp ~ 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.

 

 

2. Structura şi proprietăţile moleculei de apă

 

Structură.

O moleculă de apă - H2O - conţine 2 atomi de hidrogen şi un atom de

oxigen, dispuşi ca în figură. 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 (figura, figura):

- 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 (figura).

 

3. 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 (figura),

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).

 

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;

- 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 (figura, figura) (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.

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

(figura).

 

- 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 (figura).

- Modelul legăturilor flexibile - rearanjarea moleculelor de apă se face

nu prin ruperea, ci prin îndoirea legăturilor de H.

 

4. 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.

 

Electroliţii - se disociază la dizolvarea în apă în ioni negativi şi pozitivi,

fenomen favorizat de constanta dielectrică mare a apei (er = 80). Electroliţii

tari sunt complet disociaţi. Ionii astfel formaţi atrag dipolii apei, astfel că un

ion pozitiv atrage polul negativ (figura) şi invers (figura).

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

hidratare (figura). 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 (figura, figura).

 

Apa capătă o structură asemănătoare gheţii - apă de clatrare (figura).

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 (figura)

 

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.

 

5. 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.

 

 

6. Tehnici fizice de studiu al apei în sistemele biologice

 

Clasificare:

1. Tehnici distructive

2. Tehnici nedistructive

 

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.

În concentraţii foarte mici este posibil ca D2O să aibă efect hormetic .