I - 02.Apa - solvent si mediu biologic.doc

8/16/2019 I - 02.Apa - solvent si mediu biologic.doc

1/12

Capitolul 2 APA – SOLVENT SI MEDIU BIOLOGIC

Apa este pentru majoritatea organismelor vii componentul de bazã.Ea reprezintã 70 - 90% din greutatea celor mai multe organisme vii.

Acest fapt se explicã prin proprietãile cu totul deosebite ale apei! care facposibilã existena vieii pe pãm"nt.#n organism apa poate fi de douã feluri$

- intracelularã sau apã legatã&! care participã la formarea structuriicelulare! a sistemelor coloidale 'i (idrateazã ionii 'i biomoleculele)

- intercelularã sau apã liberã& existentã î n spaiile interstiiale *apalaminarã+ 'i intravascularã *s"nge! limfã+.

Apa permite realizarea sc(imbului de substane nutritive 'idesfã'urarea procesului de biosintezã.,upã proveniena n organism! apa poate fi$

- exogenã - din alimentaie)

- endogenã - formatã n organism n timpul reaciilor metabolice.

2.1 Rolul apei î n orani!"

Apa poate ndeplini ntr-un organism viu urmãtoarele funcii$

# componentã structuralã - participã la formarea coloizilor celulari)# solvent biologic - determinã disocierea electroliticã a multor substane!

care devin astfel biologic active)- mediu de reacţie - n apã au loc reacii c(imice necesare meninerii stãrii

vii)# reactant - participã la reacii de (idrolizã 'i (idrateazã ioni)- stabilizatoare a mediului biologic)# generatoare de ioni H 3O + 'i OH - necesari pentru tamponarea mediului

biologic 'i pentru cataliza enzimaticã)- de termoreglare - meninerea temperaturii organismului n limite

constante prin evaporare cutanatã 'i respiraie.

#n organismul viu existã mecanisme complexe de reglare 'i meni-nere constantã a cantitãii de apã! farã a fi afectate funciile apei nprocesele vitale de î ntreinere a stãrii vii.

16


2/12

2.2 Proprie$%&ile 'i(i)e ale apei *i in$era)&iunile ne)o+alen$e ,in "a$eria +ie

Apa! (idrurã a oxigenului! are cele mai multe proprietãi fizicedeosebite faã de cele ale (idrurilor elementelor c(imice vecine cu

oxigenul$ punct de fierbere! punct de topire! densitate! cãldurã devaporizare! constanta dielectricã.#n abelul /. se observã diferena dintre valorile punctelor de

fierbere 'i de topire pentru apã 'i pentru c"teva (idruri ale elementelor c(imice vecine oxigenului n tabelul periodic$

Ta-elul 2.1$ 1onstante fizice ale apei 'i ale (idrurilor elementelor vecine oxigenului n tabelul periodic

2roprietate 345 2O 46 4/2.t.*o1+ - 78 / - 85 - 82.f.*o1+ # 55 1// 9! - :

1ãldura de vaporizare a apei este anormal de mare n raport cu ceaa unor substane cu structurã 'i masã asemãnãtoare$

1ompusul ;asamolecularã

*g+

1aldura devaporizare

*cal < g+

Apa 10 /;etanol 5/ /:5Etanol =: /08

1loroform 8! 5

,ensitatea g(eii la > =o1 este de g < cm5! iar la 0o1 scade la0!9998:: g


3/12

;omentul electric global *µ+ al apei! determinat experimental! este de.8=, *, ? ,eb@e+ 'i este orientat pe direcia bisectoarei ung(iului devalenã al oxigenului$

µ ? e . r!

unde $ e ? sarcina electricã r ? distana dintre centrele sarcinilor electrice

2roprietatea de dipol conferã apei o capacitate deosebitã de solvent.

#n materia vie acest fapt este foarte important pentru cã astfel unelecomponente bioc(imice ionizate pot fi (idratate prin orientarea moleculelor de apã cu polul pozitiv sau negativ spre ionul respectiv.,atoritã (idratãrii scade interaciunea dintre ioni cu sarcini diferite 'i astfelionii rãm"n dizolvai n mediul celular.

1apacitatea unui solvent de a izola ionii cu sarcini opuse esteexprimatã de )on!$an$a ,iele)$ri)%3 .6ora de atracie ntre doi ioni! e si e/ ! aflate la o distanã r este datã deexpresia$

e e/6 ? -----------!ε r /

unde$ e! e/ reprezintã sarcina electricã a doi ioni)ε ? constanta dielectricã *pentru apã ε ? 78!=+

1onstanta dielectricã a apei este foarte mare n raport cu a altor solveni$ etanol */=!5+! acetonã */0!7+! tetraclorura de carbon */!/=+.

#ntre moleculele de apã se formeazã legãturi de hidrogen n oricestare de agregare datoritã (ibridizãrii sp5 a atomului de oxigen. #n staresolidã *n g(eaã+ o moleculã de apã poate forma teoretic legãturi de(idrogen cu alte patru molecule identice$

18

O

H

H

1.84D1.5D

o104.5

o

OH H

HO

H

H

H

O

O

H

H

OH

H

1/3

/3144n"

/3/55n"

/3246n"


4/12

#n stare lic(idã o moleculã de apã formeazã legãturi de (idrogen cuaproximativ alte 5!: molecule.

egãturile de (idrogen sunt relativ slabe * =! Bcal < mol+ n raport culegãtura covalentã C - 4 *0 Bcal < mol+. Ele se formeazã 'i se rup foarte

u'or! iar cre'terea temperaturii faciliteazã ruperea lor. egãturile de (idro-gen sunt mai puternice atunci c"nd cele douã molecule sunt orientate astfel nc"t sã se realizeze o atracie electrostaticã maximã *a+$

b+a+

C

4

4

C44

C

4 4

4

4

C

#n g(eaã! datoritã existenei legãturilor de (idrogen! au loc salturi aleprotonilor ntre moleculele de apã aflate imobilizate n reeaua cristalinã!fapt ce explicã conductibilitatea electricã a g(eii! egalã cu a apei! de'i

g(eaa are o structurã rigidã.ransmiterea protonilor ntre moleculele de apã legate prin legãturide (idrogen se nume'te efect tunel $

$

$

$

4

4CC

4

4

4

4CC

4

4

4

4

C

>C

4

4

4

19


5/12

,acã n apã se introduc substane care au capacitatea de a formalegãturi de (idrogen! moleculele de apã vor concura cu moleculelesubstanei dizolvate n procesul de formare de legãturi de (idrogen.,acã ntre moleculele substanei dizolvate se pot stabili mai multe legãturi

de (idrogen! formarea primei legãturi cre'te probabilitatea formãriicelorlalte! depã'indu-se efectul competitiv al moleculelor de apã.C astfel de cre'tere a puterii de atracie ntre douã molecule prin

participarea unor legãturi slabe se nume'te cooperare.#n mediul biologic fenomenul de cooperare este specific proteinelor 'i

acizilor nucleici! molecule care pot conine sute de legãturi de (idrogencooperante! a cãror formare depinde de poziiile relative ale grupelor funcionale capabile sã formeze astfel de legãturi$

4D 4D

1

C

13

4

1

C 4D

113

4

C

34

C1

D 41

34

1

D1

34

4

Apa poate dizolva sau dispersa compu'i cu grupe polare c"t 'inepolare. ubstanele amfipatice *nepolare+ pot fi dispersate n particulefoarte mici! cu formare de micelii! datoritã interacţiunilor hidrofobe.

Exemplu$ stearatul de sodiu are un lan (idrocarbonat lung 'i un cap(idrofil *carboxilat+. ;oleculele de stearat se orienteazã n apã cu grupelecarboxilat *1CC- + spre exterior 'i cu lanurile (idrocarbonate spre interior$

20


6/12

#n membranele celulare sunt biomolecule *lipide polare+ ale cãror pãri (idrofobe sunt orientate spre interior! departe de mediul apos.

2.7. Ioni(area apei. Pro,u!ul ioni) al apei. S)ara p

#n fazã lic(idã apa este formatã din molecule ! ioni de (idroniu 'i ioni(idroxil care provin din ionizarea apei$

E F >4C>45C/4/C

#onul de (idroniu! p"nã la 00o

1! este legat de trei molecule de apã!form"nd ionul 49C=>$

4

4

44

4C C4

>

4

C

4 4C

1onstanta de ec(ilibru a reaciei de ionizare a apei are urmãtoareaexpresie$

G45C>H GC4- H G4>H GC4- H ? -------------------- ? ---------------

G4/CH/ G4/CH

1oncentraia apei n fazã lic(idã este !: ; *000 g $ 8 ? !: moli+.

,eci! !: x ? G4>H GC4- H

1onstanta de ec(ilibru a procesului de ionizare al apei a fost mãsu-ratã prin conductivitate 'i este !8 x 0-:.

#nlocuind aceastã valoare n ecuaia de mai sus! se obine expresia

produsului ionic$

21


7/12

!: x !8 x 0-: ? 0-= ? G4>H GC4- H ? I

Produsul ionic al apei variazã cu temperatura$

Ta-elul 2.2$ Jariaia produsului ionic al apei cu temperatura

emp.*o1+

0 0 /0 / 50 0

0= x I 0!5 0!/9/ 0!:8 !008 !=7 !=7

a //o1! I ? 0-= ;/.

2rodusul ionic al apei stã la baza scãrii de p4 introdusã debioc(imistul Krensen$

p4 ? - log G4>H */.+

a /o1 concentraia ionilor de (idrogen este egalã cu cea a ionilor (idroxil$

G4>H ? GC4- H ? 0-7 ;

,eci! î n acest caz p4 ? - log 0-7 ? 7.

cara de p4 este logaritmicã! astfel cã variaia cu o unitate de p4corespunde unei concentraii de 0 ori mai mare a ionilor de (idrogen$

Ta-elul 2.7$ 1orespondena dintre unitãile de p4 'i concentraiaionilor de (idrogen

p4 0 / 5 = : 7G4>H 0- 0-/ 0-5 0-= 0- 0-: 0-7

p4 8 9 0 / 5 =G4>H 0-8 0-9 0-0 0- 0-/ 0-5 0-=

#n funcie de valoarea p4-ului soluiile pot fi $

- acide p4 L 7 G4>H M GC4- H- neutre p4 ? 7........ G4>H ? GC4- H- bazice p4 M 7 G4>H L GC4- H

Exemple$ p4 p4 p4

suc de lãm"ie /!/ lapte :! apã de mare 8!5 suc de ro'ii =!/ s"nge 7!= soluie amoniacalã /

22


8/12

2. Solu&ii $a"pon

Soluţia tampon este amestecul n cantitãţ i echivalente ! n

echilibru! al unui acid slab cu baza sa con"ugatã! capabil sã-#i pãstreze pH-ul n limite constante la adãugarea unei cantitãţi mici dintr-un acid sau dintr-o bazã tare.

oluiile tampon au largi aplicaii n c(imie 'i mai ales n bioc(imie!unde reaciile decurg la un anumit p4.

Este cunoscut faptul cã reaciile enzimatice se desfã'oarã ntr-uninterval de p4 foarte mic. 1itoplasma celulelor vii conine proteine! sãruriminerale 'i substane organice! iar p4-ul sãu poate varia n limite controlate

prin sistemele tampon.Exemplu$ 1oncentraia ionilor de (idrogen din s"nge este controlatã

de douã sisteme tampon menin"nd valoarea p4-ului n jurul valorii de 7!=$

- fosfat monosodic < fosfat disodic- bicarbonat < acid carbonic *vezi pag./+

oluiile tampon se obin din cantitãi ec(ivalente dintr-un acid slab 'idin baza sa conjugatã. Acizii slabi au tendinã micã de a ceda protoni.

e poate evidenia o legãturã ntre p4-ul 'i pa-ul unui acid slab! 4A$

> 4/C A4A 45C>

> F

unde A- este baza conjugatã a acidului slab.

G45C>H GA- H ? ----------------- */./+

G4AH G4/CH

1onstanta de aciditate a ? G4/CH va avea urmãtoarea expresie$

G4>H GA- Ha ? ------------- */.5+

G4AH

,eci! G4AH G4>H ? a --------- */.=+

GA- H

23


9/12

G4AH2rin logaritmare se obine - log G4>H ? - log a - log ------- */.+

GA- H G4AH

,eci! p4 ? pa - log --------- */.:+

GA-

H

$cuaţia Henderson % Hasselbalch este$ &'- (

pH ) p* a + log -------- */.7+ &H'(

e observã cã p4-ul este egal cu pa atunci c"nd concentraiaspeciei donoare de protoni este egalã cu concentraia speciei acceptoare

de protoni.,e asemenea! la curba de titrare a unui acid slab cu o bazã tare! lapunctul de inflexiune! p4 ? pa.

C soluie are efect de tamponare n intervalul pa N 'i pa > .Ecuaia 4enderson-4asselbalc( permite calculul p4-ului unei soluii

tampon n apropierea pa-ului acidului respectiv.,acã se adaugã o cantitate micã de acid tare la o soluie tampon!

protonii sunt captai imediat de bazã $

> 4/C A45C>

> F

4A */.8+

GA- H0 - x Oi atunci p4 ? pa > log ------------- */.9+

GA4H0 > x

unde GA- H0 'i GA4H0 sunt concentraiile iniiale ale bazei conjugate 'i aciduluislab.1antitatea x de acid tare adãugatã fiind foarte micã! raportul

*GA- H0 N x + , * GA4H0 > x + ? 'i atunci log ? 0! iar p4 ? pa.

E8e"ple ,e !i!$e"e $a"pon *i ,o"eniul ,e p

. acid acetic-acetat de sodiu 5!7 N !7/. glicocol- clor(idrat de glicocol !0 N 5!75. citrat disodic-citrat trisodic !0 N :!5

=. fosfat monosodic-fosfat disodic !8 N 8!0. fosfat disodic-fosfat trisodic !0 N /!0

24


10/12

2entru meninerea p4-ului s"ngelui acioneazã douã sistemetampon$

a fosfat monosodic-fosfat disodic

4/2C= 42C=

>

> 4

F / F p4 ? 7!/

a cre'terea concentraiei ionilor de (idrogen are loc deplasareaec(ilibrului spre st"nga$

F 4/2C=>4>42C=

/ F

a cre'terea concentraiei ionilor de (idroxil! ec(ilibrul este deplasatspre dreapta cu formare de apã 'i fosfat disodic$

>4/C F

C4 F

>4/2C= F /42C=

b bicarbonat % acid carbonic

a p4 ? 7!= n celula vie se aflã numai ionul bicarbonat 'i acidcarbonic n ec(ilibru *ecuaia /.0+$

*/.0+

25

H2CO3 HCO3H + _ +K

1


11/12

G4>H G41C5-H ? ----------------- */.+

G4/1C5H

Acest ec(ilibru este dependent de alte douã reacii aflate n ec(ilibru$

*/./+

G4/1C5H/ ? --------------------- */.5+

G1C/*aP+HG4/CH

unde G1C/*aP+H este concentraţia dioxidului de carbon dizolvat n apã.

,ioxidul de carbon dizolvat n apã este n ec(ilibru cu cel din faza gazoasã$ */.=+

G1C/*aP+H5 ? --------------- */.+

G1C/*gaz+H

Deacia */./+ este una dintre cele mai importante dintretransformãrile din celula vie. Ea este catalizatã de o enzimã numitãanhidraza carbonicã 'i deplasarea ec(ilibrului sãu conduce la bolideosebit de grave$ ulcer! glaucom! osteoporozã! boli ale celulei ner-voase!etc.

,in ecuaia */.5+ se obine G4/1C5H ? / G1C/*aP+HG4/CH

Atunci */.+ devine$ G4>H G41C5- H

? -------------------------

/ G1C/*aP+HG4/CH

,in ecuaia */.+ rezultã$ G1C/*aP+H ? 5 G1C/*gaz+H

,eci! G4>H G41C5- H

? -----------------------------/ 5 G1C/*gaz+HG4/CH

26

CO2(aq) H2O H2CO3K 2

+

CO2 +K 3

H2O H2OH2O+(gaz) CO2 (aq)


12/12

G4>H G41C5-H / 5 G4/CH ? = ? ----------------- */.:+

G1C/*gaz+H

Qnlocuind concentraia dioxidului de carbon gazos cu presiunea

parialã la nivelul alveolelor pulmonare se obine expresia finalã$

G4>H G41C5-H= ? ------------------

p1C/*gaz+

C cre'tere a concentraiei ionilor de (idrogen n s"nge *scaderea p4-ului la bolnavii de diabet p"nã la :!8+ mpiedicã eliminarea dioxidului decarbon din esuturi! iar cre'terea p4-ului p"nã la 7!7 *scãderea concen-

traiei ionilor de (idrogen+ mpiedicã eliminarea dioxidului de carbon lanivelul alveolelor pulmonare$

27

spatiul celular

pulmonarespatiul alveolei

1C/*gaz+

> 4/C4/C1C/*aP+

4/1C5

41C54 > F

>

I - 02.Apa - solvent si mediu biologic.doc

Documents

Transcript of I - 02.Apa - solvent si mediu biologic.doc