--------------------------- ----------------- --

COMPOZITIA CHIMICA A MATERIEl VII

Materia vie este alcatuita din elemente chimice care se gasesc si In materia anorganica,

In functie de ponderea pe care 0 au In organismele vii, elementele se clasifica In:

1. macroelemente (99% din masa organismului): C, H, 0, N, S, P, Ca, Cl, Mg, Na, K; suntnumite si elemente plastice.

2. microelemente sau oligoelemente « 1% din masa organismului): Fe, I, F, B, Cu, Co, Cd, Se,Mo, Va, Ba, Li; multe dintre ele In structura unor hormoni si enzime, participand astfel lacataliza unor importante procese metabolice din organism.

In organismul uman s-a constatat prezenta In permanents numai a 2] de elemente, num ite sielemente esentiale. Concentratia acestorain organism adeterminat clasificarea lor In 3 grupe:

I. C, H si N - elemente In concentratie mare (60% din atom i);

II. Na, K, Cl, Ca, Mg, P, S - elemente In concentratie mica (0,02 - 0,1% din atomi);

III. Fe, Si, B, Cu, Mn, Zn, Va, J, Ni, Co, Se - elemente In concentratie foarte mica (sub 0,02%atomi) -- de ordinul unei sutimi / miimi de rng fiecare.

Aceste bioelemente se cornbina intre ele In diverse variante si proportii, forrnand biomolecule -->compusi ---'t substante. Rolul predominant In cadrul tuturor acestor bioelemente 11detine atomulde C deoarece:

• poate realiza combinatii atat cu elemente electropozitive (H), cat si cu clementeelectronegative (0, S, N, P, Cl);

• poate realiza combinatii cu alti atomi de C, formand structuri moleculare cornplexe(lineare, ramificate sau ciclice);

Alaturi de atomul de C, atomii de H si ° reprezinta constituenti elementari ai matcnei vu.formand glucide si lipide. Combinarea atornilor de C, H si 0 ell un alt element esentia!, atomulde N, conduce la formarea proteinelor, cele mai importante structuri ale organismelor vii.

Elementele de concentratie mica fie intra in structura unor molecule ale materiei vii: P, S, Ca,Mg, fie participa ca elemente indispensabile la transportul unor substante in interiorul si in afaracelulei.

Elementele de concentratie foarte mica intra in structura unor enzime sau sunt activatori ai altora,astfel incat deficitul lor afecteaza grav metabolismul celular.

Principalele bioelernente esentiale, in marea lor majoritate, sunt situate in primele patru perioadeale tabelului lui Mendeleev, ceea ce confera anumite particularitati materiei vii, facilitandu-iinsasi existenta. Biosul este alcatuit din atomi usori care se combina in compusi de complexitateredusa. Compusii formati prezinta proprietati de importanta vitala pentru organismele vii:

• hidrosolubilitatea ---'t transportul substantelor nutritive si al altor substante intre celule

• foarte slaba conductivitate electrica si termica, in contrast cu 0 caldura specifica ridicata---'t desfasurarea proceselor metabol ice.

Biomoleculele

Biomoleculele se formeaza din combinarea bioelementelor intre ele si sunt de 2 categorii:

• anorganice - reprezentate de apa si saruri minerale;

• organice - reprezentate de glucide, lipide, proteine, vitamine, enzime, hormoni s.a .

._"1-

Biomoleculele organ ice sunt compusi organici ai atomului de C, au structura SI functiispecifice care Ie confera un rol foarte important pentru existenta vietii.

Bioelernente

CataJitice (1%) - Oligoelemente

C, H, 0, N, P, S,Ca, Mg, Na, K, CI

Fe, Cu, Co. Mn. Mo, Cd, I,S, F. a-, Zn, Ni, Se etc.

Biomolecule

H20 (60%) Saruri min (5%) RoJ plastic si W• proteine• glucide• lipide

Rol catalitic sireglator

• enzime• vitamine• hormoni

Rolinformational• ARN• AD

La baza formarii biomoleculelor din bioelemente stau 4 tipuri de legaturi:

• legatura covalenta (unele avand caracter macroergic)

• legatura ionica

• legatura de hidrogen

• legatura hidrofoba.

Legatura covalenta este 0 caracteristica a compusilor organici si se realizeaza prin punerea incom un a electronilor intre 2 atomi:

• 2e- ---; legatura simpla

• 4e- ---; legatura dubla

• 6e- ---; legatura tripla

In cazul in care unul dintre atomii participanti la legatura covalenta are 0 afinitate mai marepentru e pusi in comun (este puternic electronegativ) decat celalalt atom, e- comuni nu suntdistribuiti simetric intre cei 2 atomi participanti. Legatura covalenta devine legatura covalentapolara, iar molecula astfel constituita se numeste dipol (ex. H20).

Legaturi covalente se realizeaza intre atomul de C si atomii de H, N, C (legatura simpla -C-C--sau dubla -C=C-), intre atomul de C si atomul de 0 (legatura dubla (-C=O-), intre 2 atomi de S(-S-S-legatura disulfidica).

Legaturile covalente sunt legaturi puternice si distrugerea lor necesita 0 mare cantitate deenergie.

Din contra, legaturile necovalente sunt legaturi slabe si ca urmare usor reversibile. Ca tipuri deastfel de legaturi intermoleculare sunt:

• legatura ionica sau eleetrostatiea

• legatura de hidrogen

• legatura hidrofoba

• legatura maeroergiea

• legatura Van der Waals

Aceste interaetiuni intermoleculare slabe stau la baza reversibilitatii unor procese bioehimiee, deexemplu:

• fixare moleeulara (fixarea enzimei la substrat, fixarea ligandului la receptor, s.a.)

• mentinerea conformatiei tridimensionale a proteinelor (prin structurile secundara, tertiara,cuaternara)

• asigurarea strueturii spatiale a acizilor nueleici

• expresia genica si replicarea ADN

• transmiterea semnalelor biologice

Legatura ionica se formeaza prin cedarea de catre un atom a unui sau mai multor e altui atom.Astfel, atomul care cedeaza devine ion pozitiv, eel care prirneste e devine ion negativ. Decilegaturile ion ice se formeaza intre doua grupari ionizate avand sarcini electrice opuse.

De exemplu, legatura intre gruparea carboxil -COO- al unui aminoacid si gruparea ammo-H3N+ a altui aminoacid din structura proteinelor

R-CH-COO-

R-CH -COO-

Starea ionizata a gruparilor functionale este influentata de pH, deci legaturile electrostatice(ionice) sunt dependente de pH. De altfel, ionizarea gruparilor Ie imprima aminoacizilor siproteinelor un caracter amfoter.

Legatura de H se realizeaza intra si intermolecular (intre 2 molecule dipolare).

In moleculele care contin atomi de 0, N, S sau halogen (mai ales F), puternicaelectronegativitate a atornilor si volumul mic al H, determina atragerea e" pusi in comun ellatomul de H catre acesti atomi si formarea unui dipol. Atomii de C, 0, N capata incareaturapartiala electronegativa si atomul de H incarcatura partiala electropozitiva.

Ca urmare, atomii de Co--, 00--, NO--vor atrage HO+ altor molecule dipolare, in timp ce Hb+moleculelor lor va f atras de gruparea electronegativa a altor molecule dipolare.

Legatura de H exereita 0 influenta importanta asupra proprietatilor fiziee ale multor substante (inprimul rand ale apei) si stabilizeaza eonformatia moleculara (struetura tertiara a proteinelor;struetura ADN).

Distrugerea legaturii de hidrogen antreneaza alterari profunde in structura moleculei, uneoriireversibile (eazul denaturarii proteinelor).

Legatura de hidrogen intermoleeulara se stabileste praetic intre 2 atomi (donor si acceptor) careimpart acelasi atom de hidrogen. Aeeeptorul este un atom eu inearcatura partial eleetronegativa(0, N, S) care atrage atomul de H.

III /HO-H---O

H / "H<,O---HH/

/'

0- H-- -O=C/ ""

H

H~N- H- - - 0::H

'" /'N- H---O=C/ '-

/'

O-H---O=C/ "-R

""'- -f'N-H---N,/ <,

" /,HN-H---O/ '-

R

" /'N-H---S <,/

........... /'

-C-H---O=C/ "-

-~-

Legatura de H exercita 0 influenta importanta asupra proprietatilor fizice ale multor substante (inprimul rand ale apei) si stabilizeaza conformatia moleculara (structura tertiara a proteinelor;structura ADN).

Distrugerea legaturii de hidrogen antreneaza alterari profunde in structura moleculei, uneoriireversibile (cazul denaturarii proteinelor).

Legatura hidrofoba ia nastere intre partile hidrofobe (nepolare):

• ale aceleiasi molecule, sau

• ale unor molecule diferite aflate in solutii apoase.

Moleculele hidrofobe (nepolare) impiedica formarea legaturilor de hidrogen intre moleculele deapa. Aceste molecule nepolare formeaza zone hidrofobe, in care dipolii de apa sunt impinsi catreexterior, form and legaturi cu alte molecule de apa. Rezulta 0 forta care tinde sa reuneascamoleculele de apa intre ele, reducandu-le la minim contactul cu zonele hidrofobe - rol major alacestora.

Acest tip de legatura poate duce la formarea unui numar mare de lanturi alifatice, lungi, avanddrept consecinta stabilizarea conformatiei macromoleculei (polimerilor). De asemenea, legaturahidrofoba are rol important in formarea si stabilizarea structurilor membranelor celulare, ca si inrecunoasterea substratului de catre enzima.

Legatura macroergica este un tip de legatura covalenta prin a carei hidroliza se elibereaza 0

mare cantitate de energie care este utilizata in procesele metabolice. De retinut ca doar legaturileprin a caror hidroliza se elibereaza energie pentru metabolism sunt denumite legaturimacroergice.

Le,gatura Van der Waals rezulta din atractia nespecifica dintre 2 atorni situati la 0 distanta de 3·4 A. Interactiunea apare ca urrnare a distributiei asimetrice a electronilor intre cei doi atomi. ceeace determina aparitia unor sarcini electrice partiale.

Organizarea moleculara a materiei vii

Cele mai simple molecle ale materiei vii sunt cele cu masa moleculara mica - CO2, H2, O2, N2

atrnosferic; provin din mediul exterior si se numesc biomolecule primordiale.

Aceste biomolecule sunt supuse unor transformari metabolice, cu ajutorul unor sisterneenzimatice, in urma carora are loc cresterea masei lor moleculare si treeand printr-o serie deprodusi intermediari se transforma in biomolecule de baza.

Biomoleculele de baza au masa moleeulara medie si reprezinta elemente de reconstruetie, prinasamblarea lor prin legaturi covalente (peptidiee, disulfidice, fosfodiesterice), pentru molecule eumasa moleculara mare numite macromolecule.

La randul lor, macromoleculele se unesc in cadrul unor procese metabolice, prin legaturinecovalente (ionice, de hidrogen, hidrofobe, Van der Waals), in complexe supramoleculare(nucleoproteine, lipoproteine, s.a.). Aceste complexe se asoeiaza ulterior prin legaturinecovalente, formand organitele celulare (nucleu, rnitocondrii etc.)

La nivelul celulei, macromoleculele sunt specific specializate din punct de vedere functional:

• proteinele au rol plastic sau eatalitic (enzimatic);

• glucide Ie reprezinta sursa de energie sau material de constructie;

• lipidele sunt componente de baza ale membrane lor si depozite energetice;

• acizii nucleiei detin si transmit informatia genetica, asigurand reproducerea organismelor;se numesc si macromole informationale.

-J-

Precursori (biofTlciecul8pnmordlele, mass 1'1101. 18-44')

o alta clasificare a biomoleculelor, tinand cont de marimea lor este:

I. micromolecule

o apa

o unitatea de baza a macromoleculelor - aminoacizi

- nucleotide

- monozaharide

- aClZI grasl

o metaboliti intermediari - coenzime libere

- aCIZI organlcl, s.a.

II. macromolecule - compusi cu structura complexa

proteine ~ aminoacizi

glucide ~ monozaharide

lipide ~ acizi grasi

Organile

Comptexeseorarnoteculare(rresa mol. aj)<lfHculef 1Q1Ll09}

M~cromolecule(mas<>mol. 1QJ-W9)

Blomoreu'1ede l;Jar~(rnasa mol.100·350)

Cornousiirnerrnediarl(masa. rrlOl. 5O-Z50)

Populeli i--·...,.....Spcci;--C'" Ecos,Mcmc

trndM'Zi

1.!CellAo

tNur:JeuMilocordfiiCklroplastg

Cornpl6X8 erzimatlceflJbowmi

,//" S 'tt"me comracule "-

/// / ~\ '~~

-: / \\ -'~,

)='" pr'oo P'TOC'OO Li!'O'

M"),'''''"'''''' ,,,'''','',) "1m",,", ~~'!,':;~'

Riboza a-Celoaciz.i Fo:Mopiru'I'Ilt AcetalGalUamil/osfal ~~ Mala! MalOfla!~~--

C02H20

N2

Organizarea moleculara a organismelor vii

- zaharuri, lipide

/-- I.D -

acizi nucleici <---- baze azotate - ADN - A, C, G, T

- ARN - A, C, G, U

pentoza - riboza

- deoxiriboza

H20

In raport cu organismele vii, apa este substanta cea mai raspandita, atat in:

mediul extern, cat si in

mediul intern al acestora

De altfel, primele forme de viata all aparut si s-au dezvoltat chiar in rnediu acvatic, iar evolutialor pe scara filogenetica a fost determinata de proprietatile fizico-chimice al apei.

H20 este 0 substanta chimica cornpusa din elemente chimice:

H(Z= 1) situat in prima perioada si in prima grupa de tip A ---* au un strat energetic cu unelectron;

o (Z=8) situat in perioada a doua si in grupa a IV -a de tip A ---* au 2 straturi enegetice,ultimul strat fiind ocupat de 6 electroni.

Configuratia electronica a atomilor de H si 0, in stare fundamentala, este:

IH c:=::::J sau 1s'

2S1

sau 1 S2 2S2 2p40 c:=J c:=J I1S2 2S2 2p4

7 1 12- px 2 Ill' 2 pz

Formarea rnoleculei de H20 este reprezentata clasic:

H + 0 + H - Hb+ ---* 020- <---- HO+ - HOH

Formarea moleculei de H20 se realizeaza prin contopirea celor 2 orbitali atomicimonoelectronici ai atomului de 0 2ply si 2plz CLI cei 2 orbitali atomici ISI ai celor 2 atorni de H,rezultand 2 legaturi covalent polare de H.

Electronii pusi in cornun (in cadrullegaturii H-O-H) sunt atrasi mai puternic de catre 0 decat decatre H; se creaza 0 incarcatura negativa partiala (fractionata) in jurul 0 (82

-) si 2 incarcaturipozitive partiale in jurul atomilor de H (8+), ceea ce-i confera moleculei de H20 caracter de dipolelectric.

Configuratia spatiala a moleculei de H20 este un tetraedru centrat de un atom de 0 si avandcolturile ocupate:

doua de cate 0 pereche de electroni neparticipanti ai 0;

doua de cate un atom de H.

- i--

H

o

/

/

/

/

8-

Atat atomul de 0, cat si cei 2 atomi de H din structura unei molecule de apa formeaza legaturi deH si participa la hidratare. Legatura de H este 0 legatura necovalenta slaba. Atomul de 0 al uneimolecule de apa, prin cele 2 perechi de e" neparticipanti, poate realiza legaturi de H cu alte 2molecule de apa (la nivelul celor 2 atomi de H), iar cei 2 atom i de H se pot atasa de alti 2 atom ide 0 (la cele 2 perechi de e" neparticipanti) ale altor 2 molecule de H20. Astfel, fiecare moleculade apa poate realiza legaturi de H cu aproximativ 4 molecule vecine de H20 intr-o reteatridimensionala.

Metabolismul apei

H20 este 0 molecula anorganica indispensabila oricarei forme de viata. Cantitatea de apa dinorganismele vii are limite largi de variatie, atat la plante, cat si la anirnale, gradul de hidratarevariind cu natura speciei.

La plante, cantitatea de apa reprezinta intre:

• 13-15% in boabele de rnazare mature;

• 15-20% in sernintele unor fructe;

• 80-85% in pulpa fructelor si boabele de mazare tinere (verzi).

In cazul anirnalelor marine inferioare continutul lor in apa este foarte apropiat de al mediuluiacvatic (:::::96%).

La animalele superioare concentratia apei poate f in unele celule de 98% din compozitia celulei,media situandu-se intre 60-95% din compozitia celulei. Repartitia pe tesuturi si organe estediferita: creier - 84%, tesutul muscular - 75%, tesutul adipos -- 30%, oase - 22%, procente dingreutatea lor.

Se constata, la toate organisrnele vii ca practic nivelul apei este in functie de:

- g -

• intensitatea proceselor metabolice de la nivelul tesuturilor Sl organelor, variind directproportional cu aceasta;

• varsta organismelor, scazand pe masura inaintarii in varsta:

80

70

60

50

40

30

20

10

o +---~--~~--~--~--~--~--~--~~--~

--------- -.

-BARBATIFEMEI

o 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

• - sexul organismelor - barbatii detin mai multa apa;

• - adipozitate, variind invers proportional cu aceasta.

35%22%

18%

60%

22%

Normal Gras

- ~ -

22%

70%

Slab

In organismul uman adult apa reprezinta cea mai abundenta micromolecula: 65-70% din masacorporala (45-501 la 0 greutate de 70kg). Embrionul uman contine > 95% apa, fatui de 3 luni94%, iar nou-nascutul - 66%.

Repartitia apei in organism variaza de la 90% in sange la mai putin de 25% in oase.

Proprietatile fizieo-ehimiee ale apei

Unele din proprietatile fizico-chimice ale apei 0 diferentiaza net de orice alt fluid, deterrninandu-i si importanta sa vitala pentru organismele vii.

1. Punetul de topire (O°C) si punetul de fierbere (100°C) inalte deterrnina ca la temperaturaobisnuita, apa sa se gaseasca in stare lichida si nu in stare de vapori (ca analogii sai: dihidratiielernentelor ce urmeaza oxigenului in grupa VI principala din tabelul periodic - H2S, H2Se,H2 Te). Aceasta stare de agregare ii confera rolul de mediu intern.

2. Caldura specifiea = eapaeitatea ealoriea este mare, ceea ce-i permite sa primeasca / cedezeo cantitate considerabila de caldura, mentinandu-si totodata temperatura constanta tirnpindelungat.

Aceasta proprietate este foarte importanta pentru organism, mai ales in cazul reactiilormetabolice exergonice, la care caldura eliberata ar denatura ireversibil multe macromolecule(proteine, enzime, acizi nucleici), ducand la pierdera unor structuri si functii biologice vitale.

3. Caldura de vaporizare este de asemenea ridicata, ceea ce impiedica supraincalzirea corpuluiin cursul proceselor metabolice.

Pierderile calorice au loc prin:

• transpiratie;

• perspiratie insensibila.

4. Conduetivitatea termica inalta, faciliteaza disiparea caldurii din zone Ie .Jncinse'', cuactivitate metabolica intensa (creierul) in sange si in fondul total de apa al organismului.

5. Caraeterul de dipoI aI moleeulei de apa deterrnina usurinta de a realiza legaturi de hidrogen,prin interrnediul carom are 1'01de:

• principal solvent in organism; participa la hidratare;

• principal transportor al substantelor hidrosolubile, favorizandu-Ie si absorbtia;

• stabilizator a conformatiei spatiale a unor macromolecule (proteine, acizi nucleici).

- ~c-

Apa este un solvent foarte bun pentru ioni si molecule polare sau hidrofile (iubitoare de apa), intimp ce pentru substantele compuse predominat din hidrocarburi, numite si nepolare sauhidrofobe, este un solvent mai slab. Exista si molecule care detin in structura lor atat gruparipolare cat si nepolare. Acestea se numesc amfipatice sau amfifile si au un comportamentparticular fata de apa.

La dizolvarea substantelor ionizate in apa, intre ionii substantelor si dipolii apei se realizeazainteractiuni electrostatice. lonii cu raza mai mica leaga mai puternic, deci un numar mai mare demolecule de apa, in timp ce ionii cu raza mai mare leaga mai slab, deci un numar mai mic demolecule de apa.

Dipolii de apa se orienteaza spre ioni cu incarcatura fractionata opusa, formand in jurul fiecaruiion 0 patura de hidratare care ii izoleaza de ceilalti ioni. La randul lor, dipolii de apa suntimobilizati in patura (sfera) de hidratare urrnand ionul central.

Izolarea (individualizarea) ionilor in sfera de hidratare are rol important in deplasarea lor sitraversarea membranelor celulare, viteza de traversare fiind invers proportionala cu raza ionuluihidratat. Astfel, K+ trece mai usor decat Na + prin membrana celulara. Transportultransmembranar devine mai dificil in cazul in care doi ioni incarcati electric diferit trebuie saparticipe la aceeasi reactie.

La fel de bine hidratate ca si ionii sunt gruparile incarcate electric (tip: carboxilat, fosfat,amoniu) din structura unor molecule organice.

Moleculele neutre care detin in structura lor una / mai multe grupari hidroxil (tip: glicerol,zaharide) sunt de asemenea usor solubilizate deoarece formeaza legaturi de hidrogen cumolecule Ie de apa.

Moleculele hidrofobe (tip: proteine, polizaharide, acizi nucleici) pot forma legaturi de hidrogenla nivelul gruparilor sall atomilor ce au aceasta capacitate. In solutii apoase diluate, acestemacromolecule complexe retin 0 parte din apa, numita apa legata. Apa legata de moleculele

- AI-

proteice sau de alte componente citoplasmatice difera de restul apei, numita apa libera SI

reprezentand mediul de deplasare al apei legate de macromolecula hidratata.

Prin intermediul apei legate se realizeaza permanente schimburi intre molecule si apa libera. Unexemplu ar f schimbul intre ionii constitutivi ai osului (in principal calciu si fosfat) si ornologiiplasmatici.

Substantele amfifile sunt reprezentate de sapunuri. fosfolipide, acizi biliari. Ca rezultat al"efectului picaturii de ulei" substantele arnfipatice au tendinta de a se pozitiona astfel incat sareduca la minim suprafata de contact intre regiunile nepolare ale lor si apa. De obicei, acestesubstante formeaza la suprafata apei filme intr-un singur strat, in care gruparile polare de lacapete sunt orientate spre moleculele de apa, cu care interactioneaza; gruparile lor nepolare seorienteaza spre solventi nepolari.

B.The "oU drop effect" ------""'""'4

; 10 x 1 mLTotal surface: a rea: 48 cm~

.6.5>01

-T·Ii5<O

t,.1.(;<0

. 1x 10 mlSurface i:'I rea:22 em1

Bulele de sapun sunt reprezentate de un dublu film. in care este inchis un strat subtire de apa. Infunctie de concentratia lor in apa, cornpusii amfipatici forrneaza micelii = agregate sferice cugruparile terminale orientate spre exterior sau cu membrane duble extinse in dublu strat.Majoritatea mernbranelor biologice sunt asamblate conform acestui principiu. Cele inchise informa de sac sunt cunoscute sub denumirea de vezicule si servesc la transportul substantelor incelule si in sange.

Surface film

An'an,qelne,nts or amphipathic substances in Wilrrelr------------------,

Vesicle

Air

Double membrane

Separarea dintre ulei si apa poate fi prevenita prin adaugarea de substanta puternic amfipatica. Intimpul agitarii se formeaza 0 emulsie mai mult sau mai putin stabila in care suprafata picaturilorde ulei este ocupata de molecule amfipatice, care detin grupari polare externe.

Emulsionarea grasimilor alimentare de catre acizii biliari si fosfolipide este 0 conditie vitalapentru digestia grasimilor.

6. pH-ul apei

Termenul de pH a fost definit in 1909 de Sorensen, care I-a definit ca logaritmul negativ alconcentratiei ionilor de hidrogen

pH = - log [H+]

Apa pura, la 25°C are+ -7pH = - log [H ] = - log 10 = - (-7) = 7

Aceasta inseamna ca in urma disocierii moleculei de apa, disociere ce se realizeaza cu usurinta,ca:

deci pH-ul apei pure la 25°C este neutru.

De fapt, H+ nu se gaseste ca atare, ci sub forma de ion hidroniu, I-hO+, atasat de 0 molecula deapa, astfel incat reactia de disociere se reprezinta:

2H20 •• • H30+ + HO-

Deci, in apa pura, la 25°C, concentratia ionilor hidroniu este egala cu cea a ionilor hidroxil.

[H30+] = [HO-] = 10-7

Rolul apei in organism

Ca urmare a proprietatilor sale fizico-chimice, apa are atat rol structural, cat si rol functional.Rolul structural rezida din participarea apei in formarea unor biomolecule, apa fiind:

• component de baza al structurilor intracelulare, a caror activitate 0 determina in mareparte (ca exemplu, intensitatea fosforilarii oxidative din mitocondrii este directproportionala cu gradul de hidratare al organitelor);

• constituent al compusilor macromoleculari (tip proteine, acizi nucleici), contribuind laconformatia lor spatiala si la facilitarea legaturilor lor cu liganzii;

• integrata in structura citoplasmei celulare, a carei functie fiziologica este determinata destare a de agregare a apei.

Rolul functional al apei este indeplinit deoarece:

• este principalul solvent din organism;

• este principalul transportor al substantelor nutritive la tesuturi si celule si al produsilorfinali de metabolism;

• participa activ la diferite procese metabolice (hidratare, hidroliza, oxidare, dezhidratare);

• particpa activ la procesele metabolice de detoxifiere a organismului;

• regleaza echilibrul termic al organismului.

Exista mai multe criterii de clasificare a apei.

1. Din punct de vedere ehimie

• apa libera

• apa legata

II. Din punct de vedere al originii

• apa endogena +-- din oxidare aeroba

• apa exogena +-- din exteriorul organismului

III. Din punct de vedere al raportului eu tesuturile si eelulele

• apa intracelulara

• apa extracelulara - interstitiala

circulanta

- /<t-

IV. Din punct de vedere al distributiei in tesuturi

• apa tisulara (din tesuturi)

• apa cavitara = transcelulara (in LCR, globul ocular. aparatul respirator, digestiv, urinar)

Aceste c1asificari sunt facute in scop didactic, in realitate grupele se intrepatrund.

De exemplu, apa legata poate f intra si extracelulara, endo sau exogena.

Metabolismul hidroeleetrolitie

In organism apa este repartizata in 2 mari compartimente, separate de membrane biologice:

A. Compartimentul intraeelular care reprezinta 2/3 din apa total a din organism si constituiemediul inconjurator al celulei in care aceasta:

------------------------------

• isi sintetizeaza, depoziteaza si utilizeaza energie;

• isi regenereaza unele structuri;

• se multiplica

• isi indeplineste functiile specifice

Acest compartiment, totalizand 28 I (;:::;40% din greutatea corporala a unui adult), este com pusdin:

• apa libera si

• apa de irnbibitie a gelurilor citoplasmatice.

Este dificil de precizat cornpozitia cornpartirnentului intracelular deoarece aceasta variaza de laun organ la altul, variatie legata de functiile organelor.

In generallichidele citosolice sunt:

bogate in sarace 1I1

Potasiu (100-150 mmol/l) Sodiu (5-15 mmol/I)

Magneziu (15-25 mmol/I) Calciu (1-2 mrnol/l)

Fosfat (60-80 mrnol/I) Cloruri (l0 rnrnol/l , in afara eritrocitelor)

Suifat (2-5 mmol/I) Carbonat acid (5-20 mmol/I)

Anioni organici (20m mol/I)

Proteine (40 mmol/I)- --

B. Compartimentul extracelular detine 1/3 din apa totala din organism si este subdivizat in alte3 compartimente:

• plasma - contine > 3,5 I (5% din greutatea corporala a adultului);

• lichid interstitial - scalda celulele (inclusiv pelicula lichidiana pericardica, pleurala sisinoviala) si contine r= 10,5 I (15% din greutatea corporala a adultului);

• lichid transcelular (cavitar) - reprezentat de LCR si lichidele de la nivelul globilor oculari, aparatului respirator, digestiv, urinar.

La nivelul compartimentului extracelular au loc schimburile dintre celule Sl mediul lorinconjurator.

Lichidul celular

• aduce la celule oxigen, substante nutritive (glucoza, acizi grasi, aminoacizi), ioni;

• saruri minerale, alaturi de hormoni - molecule reglatoare ce coordoneaza functiilecelulelor aflate la distanta unele de altele;

• preia de la celule CO2, produsii de degradare metabolica, substante toxice si detoxifiate.

Apa plasmatica se gaseste in sisternul vascular, in afara elementelor figurate ale sangelui.lmpreuna cu volumul globular, apa plasmatica formeaza volumul sanguin sau volemia.

Supuse direct actiunii mecanice a pompei cardiace, volurnul sanguin este incadrat in ansamblulsistemului vascular, contribind la:

• mobilitatea lichidelor din alte compartimente / sectoare (intracelular si interstitial);

• reglarea schimburilor de apa si substante dizolvate dintre celule si mediul extern.

-------------

La randul ei, volemia este reglata prin mecanisme riguroase.

Lichidul plasmatic are 0 compozitie caracteristica, fiind:

bogat sarac

Proteine (62-80 g/l) Potasiu (3,8 - 4,6 mmol/l)

Sodiu (137-145 mmol/l) Calciu (2,20 - 2,62 mmolll)

Cloruri (95-105 mmol/l) Magneziu (0,66 - 0,95 mrnol/l)

Carbonat acid (26-30 mrnol/l) Fosfat (0,98 - 1,30 mmol/l)

Acizi organici (2,6-6 mmol/l) Sulfat (0,43 - 1,10 mmol/l)

Apa interstitiala include apa transcelulara, fiind in final rezultatul scaderii apei plasmatice dinapa extracelulara. Este reprezentata de mai multe tipuri lichidiene, ceea ce-i imprima un caracterheterogen:

• din tesuturile interstitiale,

• din tesuturile de sustinere,

• din lirnfa.

Compozitia sa chimica este ~ cu a apei plasrnatice. Concentratia de proteine este foarte scazuta(3 - 8 g/l), motiv pentru care concentratia cationilor e mai mare decat in apa plasrnatica (Li-Na132 mmol/I, Li-Cl 110 mrnol/l, Li-carbonat acid 30 mmol/l). Perturbarile in forrnarea saurezorbtia lichidului interstitial due la forrnarea de ederne.

Apa transcelulara reprezinta un volum mic din greutatea corporala, dar care poate deveniimportant in anumite stari patologice, cand formeaza un sector particular:

• lichidul pericardic

• lichidul pleural

• lichidul peritoneal = ascita

Compozitia acestor lichide este in functie de:

• modul de form are (exudat > 3g% proteine, transudat < 3g%o proteine, si

• locul de formare

Sintetizand concentratia ionilor in diferitele compartimente, constatam ca:

• intracelular - predomina K+, Mg+, Cl", HP042-

• extracelular - predomina Na+, Cl" si HC03-

• plasma - este neutra din punct de vedere electric, deoarece surna incarcaturii electrice acationilor este egala cu cea a anionilor.

In practica, in laboratorul clinic se determina concentratiile plasmatice ale Na +, K+, CT siHC03 -, care sunt direct proportionale cu incarcaturile lor electrice.

Constatandu-se ca suma concentratiilor celor 2 cationi este mai mare decat suma concentratiilorcelor 2 anioni, diferenta este un parametru ce reprezinta concentratia anionilor nernasurati,conform ecuatiei:

...------------------ ----- ~--

Acest parametru are 0 mare importanta intrucat cresterea sa este un indicator valoros indiagnosticul de acidoza metabolica.

Revenind la compartimentele lichidiene, acestea sunt delimitate de membrane permeabile pentruunele substante si impermeabile pentru altele, motiv pentru care aceste membrane sunt denum itesemipermeabile, principale fiind:

• membrana celulara

delimiteaza lichidul intracelular de lichidul extracelular (plasmatic sau interstitial); rolul sau estede a mentine gradientul de concentratie si diferenta de potential electric intre compartimentele pecare Ie separa, utilizand 0 parte din energia celulara.

Este bine cunoscut faptul ca gradientul de concetratie pentru Na+ (i intracelular) si K+ 0extracelular) este mentinut cu ajutorul pompei de Na~, ATP-aza Na+K+ dependenta, enzimamembranara. Introducerea Na+ in celula si scoaterea K+ din celula are loc cu utilizarea de energieobtinuta de celula, el iberata din ATP, si se numeste transport activ contragradient.

• membrana endoteliului vascular

separa plasma de lichidul interstitial si este tot un filtru semipermeabil, care retine unelemacromolecule (proteinele), lasand sa treaca liber apa si substantele dizolvate; are rol importantin formarea lichidului intersitital si aportul substantelor nutritive in celule.

Transportul liber al apei si substantelor dizolvate prin membrane pentru egalizarcaconcentratiilor substantelor din compartimentele delimitate de membrane se m31 numeste sitransport osmotic sau osmoza.

Concentratia substantelor formate din particule de talie mica si exprimate in moli/l de solutie(concentratii molare) reprezinta osmolaritatea.

Forta care deplaseaza moleculele de apa si substante difuzibile din plasma in conditii normale senumeste presiune osmotica.

Presiunea osmotica a sangelui este deterrninata de concentratia substantelor difuzibile dinplasma:

d· . bil N + K+ C ++Isocla I e - a, , a ;

nedisociabile - glucoza, uree.

In conditii fiziologice Na + determina 93% din valoarea presiunii osmotice a sangelui. Odata cuegalizarea concentratiilor solutiilor de 0 parte si de alta a membranei serniperrneabile se producesi egalizarea presiunilor osmotice din cele 2 cornpartimente delimitate de aceasta.

In cazul sangelui, forta cu care contribuie la echilibrarea diferentei de presiune intrecompartimentul vascular si eel extravascular este determinata si de proteinele plasmatice, motivpentru care este denumita presiune coloidosmotica sau presiune oncotica.

Caracteristic presiunii oncotice sanguine este faptul ca, datorita prezentei proteinelor, particulenedifuzabile, echilibrarea diferentei de presiune dintre cele 2 compartimente se realizeaza numaiprin circulatia apei.