Biofizica molecular a apeiCurs 2Sef Lucrari dr. fiz. Gabriela MIHALACHE

Apa este originea i matricea vieii ( Albert Szent).

Apa este cea mai importanta substanta necesara vietii.

Datorita structurii si interactiilor sale moleculare, apa prezinta proprietati unice, de care organismele vii depind ntr-un mod complex si ireversibil.

Organismele vii contin apa n proportie de cel putin 50%.

In mediul extracelular, factorii nutritivi sunt dizolvati n apa, fapt ce le permite sa traverseze membranele celulare.

In interiorul celulelor, mediile n care se desfasoara numeroase reactiile chimice sunt medii apoase, care permit de asemenea aparitia unor fluxuri de substanta n interiorul celulei.

La temperatura normala a organismului, apa se afla n stare lichida, ceea ce i confera caracterul de complexitate si dinamism, spre deosebire de starea solida, n care libertatea miscarilor moleculare este extrem de limitata, sau fata de starea gazoasa, n care gradul de complexitate este redus, datorita dezordinii moleculare specifice acestei stari.

1. Structura moleculei de apaMolecula de apa (H2O) este alcatuita din doi atomi de hidrogen si un atom de oxigen.

In molecula izolata de apa, atomul de oxigen formeaza legaturi covalente cu cei doi atomi de hidrogen.

Distanta dintre nucleul O si un nucleu H fiind de cca. 0,97 , iar unghiul format de cele doua legaturi O-H este de 104,5.

Configuratia electronica a hidrogenului este 1s1, iar cea a oxigenului 1s2 2s2 2p4.

Cei 10 electroni ai moleculei de apa se distribuie astfel:

doi electroni proveniti de pe orbitalul 1s al atomului de oxigen (cel mai apropiat de nucleul O) completeaza orbitalul molecular 1a1- primului nivel energetic al moleculei de apa si este sferic, centrat pe nucleul de oxigen;

doi electroni proveniti de pe orbitalul O2s completeaza orbitalul molecular 2a1 - aproximativ sferic, centrat pe nucleul de oxigen, dar usor deformat datorita influentei electronilor H1s;

doi electroni proveniti de pe orbitalul complet O2p corespund orbitalului molecular 1b1, care este orientat perpendicular pe planul moleculei; acest orbital nu este deformat de ceilalti electroni;

- ceilalti doi electroni 2p ai oxigenului completeaza, fiecare mpreuna cu cte un electron 1s al hidrogenului, doi orbitali moleculari, 1b2 si 3a1, formnd astfel doua legaturi covalente O-H. - acesti orbitali sunt orientati perpendicular unul pe celalalt, dar ambii prezinta simetrie fata de planul moleculei.

Electronii de pe orbitalii moleculari 1a1 si 1b1 nu participa la legaturile O-H - electroni neparticipanti. Electronii O2s participa si ei ntr-o mica masura la legaturileO-H, deoarece orbitalii atomici O2s si H1s se suprapun partial - orbitalul molecular 2a1 participa si el la formarea legaturilor O-H. Orbitalii moleculari care au contributia dominanta la formarea legaturilor O-H sunt 1b2 si 3a1.Configuratia electronica a moleculei de apa este (1a1)2 (2a1)2 (1b2)2 (3a1)2 (1b1)2.

Atomul de oxigen atrage cei doi nori electronici ai atomilor de hidrogen (care initial au simetrie sferica n jurul nucleului H) si i descentralizeaza, lasnd atomii H cu o sarcina partiala pozitiva.

Ca urmare, apare o densitate de sarcina electrica negativa n jurul nucleului de oxigen si o densitate de sarcina pozitiva n jurul nucleelor de hidrogen, ceea ce determina molecula de apa sa se comporte ca un dipol electric permanent.

Un dipol electric este o pereche de sarcini electrice egale n modul, dar de semn opus, aflate la o anumita distanta (relativ mica) una de cealalta. O molecula are proprietatile unui dipol electric daca centrul distributiei sale de sarcini pozitive nu coincide spatial cu centrul distributiei de sarcini negative.

Structura molecular a apei / desenat

Un dipol electric molecular poate fi:

- dipol permanent: atunci cnd n molecula exista doi atomi cu electronegativitati substantial diferite. - dipol instantaneu: atunci cnd la un anumit moment densitatea de electroni ai unei molecule este mai mare ntr-o regiune spatiala dect n alta, datorita miscarilor electronilor;- dipol indus: atunci cnd distributia de sarcina electrica a moleculei devine asimetrica sub influenta unei atractii electrostatice

Moleculele polare reprezinta dipoli permanenti. In absenta influentelor exterioare, moleculele perfect simetrice (care sunt nepolare) pot prezenta un dipol instantaneu pe timpi foarte scurti, dar, n medie, dipolul lor este zero. O molecula cu dipol indus reprezinta o molecula polarizata.

2. Structura apei

Molecula de apa poate lega deci alte 1-4 molecule de apa prin legaturi de hidrogen.

In stare solida (gheata), legaturile de hidrogen sunt permanente, n timp ce n stare lichida aceste legaturi au un timp de viata foarte scurt (de ordinul 10-12 10-9 s), fiind rupte prin miscarile de agitatie termica ale moleculelor.

Totusi, numarul foarte mare de legaturi de hidrogen care se formeaza continuu n apa lichida determina aparitia tranzitorie a unor grupari multimoleculare ordonate.

Gruparea cea mai stabila este cea dimerica; aceasta poate fi ntlnita chiar si n faza gazoasa

In anii 1950 a fost propusa ipoteza gruparilor temporare (flickering clusters) de dimensiuni variabile (formate prin legaturi de hidrogen ntre un numar variabil de molecule de apa), dar apoi s-a realizat ca aceasta ipoteza nu poate explica proprietatile apei lichide.

Recent a fost de asemenea prezisa existenta unui cluster icosaedric, care cuprinde 280 de molecule de apa. Acest model este n concordanta cu datele experimentale de difractie cu raze X si poate explica toate proprietatile neobisnuite ale apei. Totusi, n prezent nu exista un consens cu privire la structura apei lichide; experimental nu a putut fi detectata nici o astfel de grupare a moleculelor de apa, datorita instabilitatii unor astfel de aranjamente moleculare.

In faza solida a apei, energia legaturilor de hidrogen devine mult mai mare dect energia de agitatie termica, astfel nct se formeaza structuri ordonate (retele cristaline) stabile n care se formeaza numarul maxim posibil de legaturi de hidrogen (fiecare molecula de apa leaga alte 4 molecule H2O). Un astfel de aranjament este gheata cubica, n care moleculele de apa se dispun n structuri de tip diamant. Gheata cubica este stabila numai la temperaturi mai mici de -80C.

La presiune normala si temperaturi cuprinse ntre -80C si 0C, structura cristalina a apei prezinta o dispunere a moleculelor n prisme aproximativ hexagonale (gheata hexagonala), care au fost evidentiate cu ajutorul difractiei razelor X pe cristale de gheata.

Intre -4C si 0C se formeaza clusteri de mari dimensiuni, determinnd o crestere usoara a volumului ghetii.

Apa citoplasmatic:

- rezist la hidratare; - nu nghea chiar la - 20 C;- nu are proprietile obinuite de solvent la cristaloizi; - nu este transferat prin membrane n schimbul osmotic dintre celule i mediul extern;- formare de cristali hidrai moleculele hidrofobe, n momentul dizolvrii n ap, creaz o cavitate, devenite molecule interstiiale n structura de clatrat (cazul gazelor hidrocarburice metan sau al unor anestezice);- formare de reele de ap n apropierea macromoleculelor prin structurarea apei pe aceste macromolecule (exemplu: colagenul cu molecule de ap n form de reea);

Apa ca mediu dispersant, dizolvant i ionizat

Molecuele polare de ap determin n jur un cmp electric intens ceea ce implic ca apa s fie un foarte bun solvent.Apa rupe coeziunea macroscopic a substanelor dizolvate.Dispersia substanelor dizolvate prin interaciune dintre dizolvant i dizolvat se numete solvare n cazul dizolvantului i hidratate n cazul apei.Substanele macromoleculare organice i macromoleculare nedisociabile disperseaz n ap datorit existenei n molecula lor a legturilor hidrofobe.Solubilitatea lor depinde de numrul de legturi hidrofobe raportate la greutatea molecular a substanelor (glucoza, uree).Datorit = 80 (constant dielectric a apei) electroliii indui n ap disociaz.Prezena acizilor (donori de protoni) sau bazele n ap (acceptori de protoni) modific pH ul soluiei care variaz ntre 14 i 0.

Proprietatile apeiIn intervalul termic specific organismelor homeoterme (35C 41C), cca. 50% din legaturile de hidrogen ale apei sunt rupte; apa este mai putin vscoasa, structura microcristalina dispare, apa devine mai reactiva din punct de vedere chimic.La temperaturi mai mari de 100C, apa se afla n stare gazoasa, sub forma de vapori. Aproape toate legaturile de hidrogen se rup, datorita agitatiei termice foarte intense. Majoritatea moleculelor de apa sunt libere, dar mai pot persista unii dimeri. In absenta legaturilor de hidrogen, punctul de fierbere al apei a fost estimat la cca. -90C, ceea ce constituie o alta proprietate anomala a apei.

Structura moleculara a apei si capacitatea sa de a forma legaturi de hidrogen determina o serie de proprietati deosebite ale apei, cum ar fi:- coeziune puternica - atractie ntre moleculele aceleiasi substante- tensiune superficiala mare - legaturile de hidrogen dintre moleculele de apa aflate n stratul superficial sunt mult mai puternice dect interactiile cu moleculele de aer, astfel nct stratul superficial de apa se comporta ca o membrana elastica sub tensiune mecanica, ce tinde sa minimizeze aria suprafetei de contact aer-apa.- caldura specifica mare - absoarbe multa caldura pentru a-si creste temperatura- caldura de evaporare mare - necesitnd multa caldura pentru a rupe aproape toate legaturile de H si a se evapora.- apa este n stare lichida la temperatura camerei - - conductibilitate termica mare - - apa este un foarte bun solvent polar - - repulsia hidrofoba - Moleculele fara moment dipolar permanent interactioneaza cu moleculele de apa prin legaturi Van der Waals slabe de tip dipol permanent - dipol instantaneu.

Proprieti fizice particulare ale apei i implicaiile lor n biologie

1.Cldura specific a apei (4,2 J/kgK) foarte mare fat de oricare substan solid sau lichid - permite o stabilizare a temperaturii n diversele procese biologice;

2.Conductibilitatea termic (0,59 sec-1cm-1k-1 la 20C) mai mare ca altele lichide permite un amortizor i transport termic n vederea evacurii cldurii n jurul membranelor sau altor structuri care nu poate fi evacuat prin circulaie de lichide.

3.Densitatea - Creterea spre 4C a densitii apei permite supravieuirea n ap cu ghea, la suprafaa a petilor.

Apa n sisteme biologice

Organismul viu se prezint ca un sistem de ap brodat cu proteine , lipide, glucide i alte molecule i macromolecule. Toate membranele sunt tapetate cu straturi foarte subiri de ap fixate foarte bine de acestea i formeaz o structur semicristalin.Procentajul reprezentat de ap este legat de activitatea metabolic.Dentina, cu cel mai redus metabolism din corp, conine doar 10% ap.n cazul uni esut malign are loc creterea ponderei apei datorit tranziiei de la metabolismul aetob la cela anaerob.

Apa este matricea vieii. Constituie solventul universal att n mediul interstiiar ct i n cel intracelular. Este mediul de transport al substanelor de la un organ la altul. Este mediul de aliminare al produilor de dezasimilaie, de dispersie. Este necesar n reacia de hidroliz. Este tampon pentru variaiile de temperatur. La organismele superioare exist apei se poate clasa astfel dup locul n care se afl n raport cu celula. Apa intracelular: 70% din total. Apa extracelular 30% - interstiial 20% Apa circulant (vascular) 7%. Deoarece anabolismul scade cu vrsta se constat si o scdere a procentului de ap cu vrsta: nou nscut 76 80%; femei 60 80 ani 56 60%.

O distribuie a apei:

Pr 4%Dentin 10 - 9%Schelet i esut adipos 30%Cartilaj 50%Substan alb 70%Substan cenuie - 85%Ficat - 75%Muchi - 76%Cord 77%Plmn 81 %Plasm - 93%esut embrionar - 97%

Rolul apei in organismul uman

- Rol structural, ca si principal component al organismului.- Rolul de mediu de reactie pentru si interventia in toate procesele metabolice ; contributia la mentinerea homeostaziei.- Rol in metabolismul macronutrientilor ( din a caror degradare rezulta apa).- Sursa de Ca, Mg, Na, K si alete substante utile pentru organism, dar uneori si de elemente nedorite.

Rolul i proprietile fizice ale apei n termoreglare

Omul = homeoterm (tcorp = constant) n ciuda variaiilor de temperatur ale mediului sau ale proceselor biologice cu caracter energetic.

Aportul apei n termoreglare trebuie studiat n condiiile:1.n zona de confort termic (t = 25C)2.la temperatur inferioar neutralitii termice3.la temperatur superioar neutralitii termice4.n condiii extreme de cald i receLa temperatur mai joas de confortul termic este necesar aportul de calorii termogenez, iar la temperaturi mai ridicate este necesar o pierdere de cldur termoliz.

Un adult are 65% ap n 70 kg de corp. Deci un aport de 45000 de calorii ridic un 1C o mas de ap de 45kg. Sistemul metabolic produce pe zi 2500kcal.

Apa termostateaz ridicarea temperaturii prin:conductibilitate termic care ndeprteaz hipertermiile locale;cldura latent de evaporare care permite prin evaporare pulmonar i cutanat o pierdere important de cldur de ctre corp.

Rolul evaporrii pulmonare n termoreglareUn adult elimin prin plmn 300 400 g ap la 24 de ore. Hiperemia mediului ambiant antreneaz o polipnee termic capabil s creasc eliminarea pulmonar a apei.

Evaporarea cutanat se face prin dou mecanisme:

perspiraie insensibil este difuziunea invizibil a vaporilor de ap sau a lichidului intracelular prin straturile cornoase ale epidermei. Prin acest mecanism se pierd 600 800 cm3H2O/zisudaie este eliminarea prin piele a unui lichid de excreie(sudaia exocrin - adevrat). Prin acest mecanism se elimin pe zi ntre 1L i 1,5L n climat temperat. La temperaturi ridicate se ajunge pn la 20 25L/zi. Eficacitatea sudaiei este legat de viteza de evaporare care depinde de suprafaa pielii udate, de tensiunea de vapori la temperatur considerat.

Datorit proprietilor fizice i chimice excepionale, apa poate ndeplini n organism o serie de funcii:

solvent universalreactant n reaciile de electrolizagent de dispersieprodus final al reaciilor de oxidare i condensarevehicol de transport pentru oxigen, nutrieni i hormoni n fluidele circulante ( de exemplu: sngele, limfa)lichi de flotaie pentru anumite celule libere ( leucocite, eritrocite, etc)instrument de eliminare a toxinelor ( transpiraia, urina,etc.)tampon termic datorit marii sale clduri specificeprotector mecanic al structurilor sensibile ( sistemul nervos central, ftul)

Apa grea

n 1932 Urez observ c rezidurile bacurilor de electroliz au greutate mai mare dect apa obisnuit. Atunci a descoperit apa grea care se obine prin electroliz la tensiuni mari.

Proprieti fizice:are greutatea maxim la 11,6C fa de 4C apa normal;punctul de topire este la 3,802C;punctul de fierbere este la 101,42C n condiii normale de presiune;coeficientul de viscozitate este de 12,6 milipoise:apa de poate marca cu apa grea pentru studiul metabolismului, metoda se folosete n spectografia de mas sau retracie;Aciunea apei grele n organism este de a ncetini metabolismul; inhib diviziunea celular; abolete parial capacitatea de conducere a influxului nervos; inhib transportul activ i contracia muscular.

Apa celular i intracelular

Forele care menin apa intracelular (osmotice) acionnd prin membrane. Apa intracelular reprezint 55% din greutatea organismului. Apa extracelular este reprezentat de fluidul interstiial i fluidele circulante. n interiorul celulei exist ap de hidratare pe macromolecule i ap legat cu rol specific de structuralizare a macromoleculelor ct i fenomen invers.

Apa celular are o serie de caracteristici precum.rezisten neobinuit la liofilizarenu nghea nici la 20 grade celsiusnu are proprieti normale de sovatare ale cristaloizilornu poate fi transferat osmotic prin memebrana celular

Va multumesc!

*