apa in sisteme biologice mg 2010-2011-prezentare power-point

8/17/2019 Apa in Sisteme Biologice MG 2010-2011-Prezentare Power-point

1/42

APAAPA ÎÎN SISTEMELE BIOLOGICEN SISTEMELE BIOLOGICE


2/42


1. Noţiuni de fizică moleculară a lichidelor

2. Structura şi proprietăţile moleculei de apă

3. Structura moleculară a gheţii 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

7. Fenomene la nivelul interfeţelor


3/42

dipoliNoNoţţiuniiuni dede fizicfizicăămolecularmolecularăă aa

lichidelor moment dipolarmoment dipolarMd = q··dlichidelor• forţe în lichide:

– de tip Van de Waals (1/r7) între dipolii electrici

– legături coordinative

(suprapunerea parțială anorilor electronici aimoleculelor)

• lichidele:– simple (numai legături Van

der Waals)

– complexe (apa)


4/42

CristaleCristale lichidelichide• substanţe organice

• tranziţia solid-lichid nu se face

direct, ci prin mezofaze sau

faze mezomorfe


5/42

ProprietProprietăăţţile cristalelor lichideile cristalelor lichide

• agregatele moleculare - condicondiţţiiii:

– să fie alungite, să conţină părţi aşezate într-un plan

– să aibă un trunchi rigid - axa lungă a moleculei;

– să conţină dipoli electrici permenţi sau induşi;

– să aibă grupări dipolare slabe la extremităţi


6/42

SStructuri molecularetructuri moleculare – – cristalecristale lichidelichide

– – molecule organice micimolecule organice mici: esterii

colesterolului;

– – agregate elicoidale lungiagregate elicoidale lungi: ADN,

virusuri;

– structuri asociate care sunt

amestecuri de amfoliamfoliţţi cui cu

solvensolvenţţi polarii polari:

membrana celular ă


7/42

Clasificarea cristalelor lichideClasificarea cristalelor lichide

•• termotropetermotrope– anumit domeniu de temperaturtemperaturăă;

•• liotropeliotrope

anumit domeniu de concentraconcentraţţiiee (membranacelulară)


8/42

Clasificarea cristalelor lichide termotropetermotrope

mielina • activitate optică (afiș

aj)• termooptice (termografie),schimbă culoarea cu temperatura

nematicenematice smecticesmectice colestericecolesterice

Faza A Faza C


9/42

Imagine obţinută cu microscopul cupolarizare în timpul formării unui cristal

lichid nematicnematic


10/42

Structura moleculei de apStructura moleculei de apăă

• 2 legături covalente– unghi: 1050

– lungime: 0,965 Å

•• LegLegăăturatura covalentcovalentăă– molecula de apă : ddipolipol

permanentpermanent cu un momentmomentdipolardipolar de

MMdd == qq··dd == 1,858 Debye1,858 Debye

6,26,2 ⋅1010--3030

CC··mm– molecula de apă se orientează

în câmp electric

– constantă dielectrică mareεr=80

î


11/42

Repartizarea electronilorRepartizarea electronilor î înn

molecula de apmolecula de apăă


12/42

StructuraStructura molecularmolecularăă aa apeiapei

•• LegLegăături de tip Van der Waalsturi de tip Van der Waals•• LegLegăături de hidrogenturi de hidrogen

– legături coordinative (1,76 Å)

– comportament cooperativcooperativ– o moleculă de apă poate lega coordinativ alte 4

molecule– formarea structurilor supramoleculare

gheaţa apa lichidă


13/42

• Un atom de H estetransferat parţialmoleculei vecine

• Legătura de hidrogeneste:

– mai puternică decâtinteracţia dipol-dipol

– mai slabă decât legăturacovalentă

– responsabilă pentrutensiunea supeficială mare a apei

• Permanentă în stareasolidă a apei

• Temporară în starealichidă a apei (timpi deviaţă de ordinul ps)


14/42

ProprietProprietăăţţileile fizicefizice aleale apeiapei

1. căldură specifică foarte mare c = 4180 J/(kmol.K)c = 4180 J/(kmol.K)

Q = mQ = m ⋅ cc ⋅ tt

2. conductibilitate termică foarte mare 0.610 W m0.610 W m--11 KK--11 (25(25°°C)C)

3. căldură latentă de vaporizare mare λ = 2,4 MJ/kg= 2,4 MJ/kg

Q = mQ = m λ

4. densitate maximă la 3.984°C ρ == 999.972 kg m999.972 kg m--33

5. permitivitate electrică foarte mare ε = 78,5 .= 78,5 . ε00 (25(25°°C)C)

6. constantă de disociere mică 1.821x101.821x10--1616mol lmol l--11 (25(25°°C)C)

7. tensiune superficială mare σ = 0,073 N/m= 0,073 N/m (25(25°°C)C)


15/42

ModeleModele molecularemoleculare aleale ststăăriirii

lichidelichide

• Modelul cinetico-molecular (numai pentru molecule

monoatomice)

• Modelul cristalin

• Modelul vacanţelor fluidizate (Eyring)(numărul

vacanţelor = numărul moleculelor de gaz perfect/V)

•• ApaApa -- unun lichidlichid complexcomplex -- modelemodele specialespeciale

St tSt t ii îî tt lidlidăă


16/42

StructuraStructura apeiapei î înn stareastarea solidsolidăănumnumăăr maxim de legr maxim de legăături de hidrogenturi de hidrogen

•• rreeţţeleele dede prismeprisme hexagonalehexagonale••lala presiunepresiune sisi temperaturitemperaturi normalenormale

•• structurstructură ă afânaafânattăă

•• anomalia apeianomalia apei


17/42


18/42

ModeleModele aleale structuriistructurii apeiapei î înn

stareastarea lichidlichidăă

•• ModelulModelul rereţţeleielei cristalinecristalineparparţţialial distrusedistruse

• Modelul grămezilor temporare(“flickering clusters” – nu explică proprietăţileapei lichide)

•• ModelulModelul clatraclatraţţilorilor

• Modelul legăturilor flexibile(legăturile de H nu se rup, ci se îndoaie)


19/42

•• ModelulModelul actual alactual al apeiapei::

– Gel format dintr-un singur clusterde mari dimensiuni cu timp deviaţă foarte scurt (~10-9 s) în carepot exista discontinuităţi locale, acăror dimensiune depinde depresiune şi temperatură

– Configuraţia cluster-ului se

schimbă prin ruperea si refacerealegaturilor de hidrogen

– Teoretic, dimensiunea unui

cluster este în medie de 90 demolecule apă la 0ºC si de cel mult25 molecule la 70ºC.

cluster icosaedric cu280 molecule de apă

SSt t l ll l ăă


20/42

StructuraStructura molecularmolecularăă aa

solusoluţţiiloriilor apoaseapoase• Structura apei se modifică prin dizolvarea uneisubstanţe în funcţie de tipultipul solvituluisolvitului

1.1. ElectroliElectroliţţii

r qqW 21

4

1 ⋅⋅=

πε


21/42

Se obţine

Apa de hidratareApa de hidratare• Densitate mai mare prin electroconstricţie

• Temperatura de solidificare scade

• Temperatura de fierbere creşte• Constanta dielectrică

• Tensiunea superficială creşte

l i ii


22/42

2. Solviţi capabili să formeze legături de

hidrogen

3. Solviţii cu momentdipolar permanent

Se integreazSe integrează ă î înnrereţţeaua apeieaua apei

modificări structuraleinduse minime

glucozaglucoza


23/42

4. Solviţi cu grupări hidrofobe

Imobilizarea moleculelor de apă înprezenţa trimetilamin-N-oxid - ului

ClatraClatraţţii –– î în mijloc au moleculn mijloc au moleculăă hidrofobhidrofobăă

LegLegăăturile hidrofobeturile hidrofobe -- importanteimportante î în realizarean realizarea

structurii spastructurii spaţţiale a macromoleculelor dizolvateiale a macromoleculelor dizolvate î în apn apăă

5 Moleculele amfifile


24/42

5. Moleculele amfifileGrupări hidrofilehidrofile Grupări hidrofobehidrofobe

legături cu moleculele de apă prin atracţii electrostaticerealizează legături

hidrofobe

apap

ă ă

legatlegat

ăă


25/42

ApApă ă de hidratarede hidratare

ApApă ă de clatrarede clatrare

ApApă ă legatlegatăă


26/42

Apa legatApa legatăă

• se evaporă foarte greu• îngheaţă la temperaturi mult sub 0°C

• nu dizolvă cristaloizii

• nu participă la osmoză

DisociereaDisocierea apeiapei


27/42

DisociereaDisocierea apeiapeiH2O → H+ + OH-

H+ + H2O → H3O+ (hidroniu)

Gradul de disociere al apei pure (25oC)

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

pH = -l o g [H+]pH = 7 pHpH = 7 pH mediu neutru

pH < 7 pH mediu acid (în organism, sucul gastric, cu pH 7 pHpH > 7 pH mediumediu bazicbazicpH biologic = 7,4 (mediu slab bazic)pH biologic = 7,4 (mediu slab bazic)

Soluţii tamponSângele cu seroproteineleSângele cu seroproteinele

StructuraStructura şşii rolulrolul apeiapei îînn sistemelesistemele


28/42

StructuraStructura şşii rolulrolul apeiapei î înn sistemelesistemelebiologicebiologice

• apa “compartimentalizată”:

•• apapăă liberliberăă

•• apapăă parparţţialial legatlegatăă

•• apapăă legatlegatăă

• proprietăţi fizice deosebite• datorată prezenţei unui mare număr de specii

moleculare, macromoleculare şi ionice, carestructurează apa din jur

• apa intracelulară - grad superior degrad superior de odonareodonare

• rol important în desf ăşurarea proceselor celulare

(excitaţie, contracţie, diviziune, secreţie etc).

P op ietProprietăăţile apei dinţile apei din


29/42

ProprietProprietăăţile apei dinţile apei din

organismorganism

• Se evaporă foarte greu (permite(permite rrăăcireacireaorganismului prin evaporare pulmonarorganismului prin evaporare pulmonară ă şişiprin transpiraţieprin transpiraţie →→ homeostazie termichomeostazie termicăă))

• Îngheaţă la temperaturi foarte scăzute

• Nu dizolvă cristaloizii• Capacitate calorică şi conductivitate termică

mare→

î împiedicmpiedică ă î încncăălzirealzirea ţţesuturiloresuturilor


30/42

TehniciTehnici dede studiu astudiu astructurii apeistructurii apei î în sistemelen sistemele

biologicebiologice

• Tehnici distructive

• Tehnici nedistructive


31/42

TehniciTehnici distructivedistructive

• Tehnicile de congelarecongelare• utilizate pentru determinarea punctului

de îngheţ

• Tehnicile de deshidrataredeshidratare

• studiul compartimentalizării apei


32/42

TehniciTehnici nedistructivenedistructive

• Spectrofotometria în IR

• Calorimetria

• Măsurarea relaxării dielectrice

• RMN (rezonanţa magnetică nucleară)

• Deuterizarea

• efecte izotopice funcţie de gradul de deuterizare

• efect hormetic (răspuns biologic favorabil al unei toxine în

concentraţii mici, de ex.: dioxina)

Fenomene la nivelul interfeţelor


33/42

Fenomene la nivelul interfeţelor

IInterfanterfaţţăă• înmagazinează energieenergie direct

proporţională cu aria sa

•• σ

-- coeficient de tensiune

superficialăσ = F/l= F/l

σσ == -- L/L/dSdS = E/S= E/Sσ appăă = 0,073 N/m= 0,073 N/m (mai mare(mai mare

doar pentru Hg)doar pentru Hg)

E=σS

SSubstanubstanţţee netensioactivenetensioactive şşii


34/42

ţţ şştensioactivetensioactive

La dizolvarea unei substanţe înapă:

σ = constant

σ creşte (soluţii deelectroliţi)

σ ssccaaddee –– substansubstanţţe tensioactivee tensioactive (cu(cu grupgrupăăririhidrofobe: acizi organici, aldehide, alcooli, detergenhidrofobe: acizi organici, aldehide, alcooli, detergenţţi etc.)i etc.)

legea lui TraubeTraube: tensioactivitatea unei substanţe este cu

atât mai pronunţată cu cât această substanţă conţine maimulte grupări hidrofobe


35/42

Emboliile gazoaseEmboliile gazoase

•Decompresii rapide•Degajarea bruscă a azotului din sânge

Rolul substanRolul substanţţelor tensioactiveelor tensioactive îînn


36/42

Rolul substanRolul substanţţelor tensioactiveelor tensioactive î înn

medicinmedicinăă• rolul substanţelor tensioactive în

organism– cresc permeabilitatea membranelor fluide

– principiile alimentare trec prin substanţetensioactive• glucoză → esterii Cori şi Neuberg → glicerol;

• proteine → aminoacizi;• glucide → acizi graşi.

• utilizarea în terapie

RolulRolul fenomenelorfenomenelor superficialesuperficiale lala nivelulnivelul


37/42

pp

alveoleloralveolelor pulmonarepulmonare..

SurfactantulSurfactantul pulmonarpulmonar

r p σ

2=∆

Legea lui Laplace p ~ 12 - 24 Torr

Fenomene capilare, f Fenomene capilare, f ororţţe dee de


38/42

p , ţadeziuneadeziune, for, forţţe dee de coeziunecoeziune, forma, forma

stratuluistratului superficialsuperficial

Menisc concav Menisc convex

ă


39/42

•• ApaApa ududă ă pereperețții vasuluiii vasului

• Hg nu udă pereții vasului


40/42

LegeaLegea luilui JurinJurin

θ ρ

σ cos

2

gr h =

FF ilil


41/42

FFenomeneenomene capilarecapilare

• ascensiunea sevei

• accidente vasculare de tipul

emboliilor gazoase

• pătrunderea de gaze în sânge

poate bloca capilarele



42/42


Noţiuni de fizică moleculară a lichidelor

Structura şi proprietăţile moleculei de apă

Structura moleculară a gheţii şi a apei lichide

Structura moleculară a soluţiilor apoase Structura şi rolul apei în sistemele biologice

Tehnici fizice de studiu al apei în sistemele biologice Fenomene la nivelul interfeţelor

apa in sisteme biologice mg 2010-2011-prezentare power-point

Documents