13.03.2015 APA IN SISTEMELE BIOLOGICE

http://biofizica­umfcd.ro/lectures/curs_mg/apa04/APA04.htm 1/8

APA ÎN SISTEMELE BIOLOGICE

1. Noţiuni de fizică moleculară a lichidelor2. Structura şi proprietăţile moleculei de apă3. Structura moleculară a apei solide şi a apei lichide4. Structura moleculară a soluţiilor apoase5. Structura şi rolul apei în sistemele biologice6. Tehnici fizice de studiu al apei în sistemele biologice Apa este substanţa chimică cea mai larg raspândită pe glob, ocupând cca. 70% dinsuprafaţa planetei. Organismele vii au, de asemenea, un conţinut în apă de acelaşi ordinde mărime (50% formele sporulate ale bacteriilor, 97% celenteratele) şi se consideră căviaţa a apărut în mediul acvatic. Starea de agregare a apei este, la temperaturile la careorganismele vii îşi desfăşoară existenţa, preponderent cea lichidă. De aceea vor fiprezentate 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. Într­un dipol electriccentrul sarcinilor pozitive nu coincide cu cel al sarcinilor negative (figura). Moleculele pot fidipoli instantanei pentru un interval de timp foarte scurt, dar, prin mediere în timp, acestcomportament dipolar dispare în cazul moleculelor perfect simetrice. În general, moleculelese pot comporta ca dipoli permanenţi sau induşi (în prezenţa unor câmpuri electriceexterioare moleculele nepolare pot deveni dipoli induşi (figura). Dintre dipolii permanenţise 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 aimoleculelor. Între moleculele lichidelor există şi forţe de repulsie datorate respingeriisarcinilor 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).

13.03.2015 APA IN SISTEMELE BIOLOGICE

http://biofizica­umfcd.ro/lectures/curs_mg/apa04/APA04.htm 2/8

Un grup special îl constituie cristalele lichide în care legăturile intermoleculare

realizează structuri ordonate unidimensional şi chiar bidimensional, extinse pe distanţemari. Modele moleculare ale stării lichide

­ Modelul cinetico­molecular ­ lichidele sunt considerate gaze foarte comprimate(sunt aplicabile numai lichidelor formate din molecule monoatomice).

­ Modelul cristalin ­ lichidul este format din “celule” identice conţinând câte omoleculă care se mişcă în celulă, independent de mişcările celorlalte molecule. Existăcelule ocupate şi neocupate (goluri). Molecula poate trece dintr­o celulă ocupată într­ungol. Are loc o migrare a golurilor.

­ Modelul vacanţelor fluidizate (Eyring) se referă la existenţa unor goluri numitevacanţe fluidizate. Acestea se mişcă în lichid la fel ca moleculele de gaz perfect (agitaţietermică). Numărul vacanţelor pe unitatea de volum este egal cu numărul de molecule degaz perfect pe unitatea de volum, în aceleaşi condiţii de presiune şi temperatură. Aceste modele se pot aplica, într­o oarecare măsură, numai lichidelor simple. Apaeste, 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 şisolide ­ acestea sunt cristalele lichide. Exemple de cristale lichide sunt: mielina din ţesutulnervos, esteri ai colesterolului, săpunuri etc. Cristalele lichide sunt substanţe organice la care tranziţia solid ­ lichid nu se facedirect, ci prin faze intermediare, stabile, în care substanţa este anizotropă, numitemezofaze sau faze mezomorfe. În funcţie de modul în care apar mezofazele există:

­ cristale lichide termotrope, care se obţin într­un 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 niştebastonaşe) ­ acestea nu prezintă activitate optică;­ smectice (smectos ­săpun) ­ moleculele se dispun după două direcţii, formând straturimoleculare suprapuse. Moleculele sunt dispuse perpendicular pe strat. Din această clasăface parte mielina.­colesterice ­ se formează straturi suprapuse în care moleculele sunt paralele între ele şicu planul stratului; de la un plan la altul ele sunt însă rotite cu un anumit unghi. Sunt opticactive. O proprietate importantă a cristalelor lichide colesterice este, deci, activitateaoptică, care se intensifică în prezenţa câmpurilor electrice. Moleculele se comportă cadipoli care se orientează în câmp. Dacă liniile de câmp electric sunt perpendiculare peplanul de polarizare a luminii, cristalele plasate în câmp electric, care absorb lumina

13.03.2015 APA IN SISTEMELE BIOLOGICE

http://biofizica­umfcd.ro/lectures/curs_mg/apa04/APA04.htm 3/8

polarizată, apar negre. Pe baza acestei proprietăţi, ele sunt folosite în sistemele de afişarea datelor. Cristalele colesterice îsi schimbă culoarea în funcţie de intervalul de temperatură(au proprietăţi termooptice) şi de aceea sunt folosite în termografie (la măsurareatemperaturii). Fenomene la nivelul interfeţelor

Interfaţă ­ suprafaţa care separă două faze aflate în contact. O interfaţă aretendinţa de a avea o suprafaţă minimă (în baza principiului de minim, orice sistem tindesă­şi minimizeze energia potenţială) astfel încât, tangenţial la suprafaţa ei, se exercită otensiune interfacială. În cazul lichid­gaz, aceasta se numeşte tensiune superficială. Omărime caracteristică pentru aceasta este coeficientul de tensiune superficială :

= dF/dl

(forţa pe unitatea de contur)sau:

= ­ dL/dS(lucrul mecanic necesar pentru a mări stratul superficial cu o unitate).

Există substanţe care pot modifica coeficientul de tensiune superficială, numitesubstanţe tensioactive. Conform legii lui Traube, tensioactivitatea unei substanţe estecu 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 într­o serie de procese biologice (ascensiuneasevei, accidente vasculare de tipul emboliilor gazoase ­ pătrunderea de gaze în sângepoate bloca capilarele). Rolul fenomenelor superficiale la nivelul alveolelor pulmonare. Surfactantulpulmonar

Figura reprezintă alveolele pulmonare în jurul unei bronhiole. Acestea au în medie orază (dacă le considerăm sferice) de 0.05 ­ 0.1 mm. Alveolele pulmonare sunt în număr decirca 100 de milioane, iar suprafaţa totală pe care o ocupă este de 100 m2 (princomparaţie, pielea are 2 m2). Deci, prin acestea se realizează cel mai important contact cuaerul 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 m). Întreaer şi acesta există o tensiune superficială. Apare deci o diferenţă de presiune în interior,conform legii Laplace:

p = 2/r

Pentru apă, la o rază cum este cea a alveolelor, p 12 ­ 24 Torr. În realitate p

sunt doar de câţiva Torr. Această discrepanţă se datorează existenţei unui agenttensioactiv ­ surfactant pulmonar ­ având drept cel mai important constituent ofosfolipidă, care reduce tensiunea superficială. Rolul acestui agent tensioactiv este acela

13.03.2015 APA IN SISTEMELE BIOLOGICE

http://biofizica­umfcd.ro/lectures/curs_mg/apa04/APA04.htm 4/8

de a face ca p să nu varieze prea mult în cursul ciclului respirator, împiedicând golireacompletă a alveolelor mici în cele mari (din cauza p 1/r, la contracţie presiunea ar tindesă crească în cazul în care coeficientul de tensiune superficială ar fi constant). Prinacţiunea agentului tensioactiv este posibilă egalizarea presiunii la o valoare medie pentrualveolele de dimensiuni diferite, care trebuie să funcţioneze simultan. Absenţa sauinsuficienţa 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 dintrelegături 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 electronineparticipanţi deoarece nu participă la legătura covalentă;

­ 2 perechi de electroni care se rotesc pe două orbite ce înconjoară legătura dintreoxigen şi hidrogen, în planul moleculei de apă (planul format de cele trei nuclee). Prinaceşti electroni se realizează legătura covalentă.Această dispunere a orbitelor determină structura tetraedrică a moleculei de apă, cunucleul oxigenului în centru şi cei doi protoni, respectiv cele două perechi de electronineparticipanţi 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 deoxigen, determină o separare parţială a centrelor sarcinilor pozitive, respectiv negative. Întimp ce centrul de masă al sarcinilor pozitive este aproximativ la mijlocul distanţei dintrecei doi protoni (figura), cel al sarcinilor negative este în zona oxigenului. Molecula de apăse comportă, deci, ca un dipol, având un moment dipolar de 1,858 Debye 6,2 10­30 Cm.De aceea, molecula de apă se orientează în câmp electric şi apa are o constantădielectrică mare.

În acelaşi timp, între moleculele de apă apar legături Van der Waals de tip dipolpermanent ­ dipol permanent. Prin forţele de atracţie care apar între extremităţilemoleculelor cu sarcini de semn opus, se produce o apropiere a moleculelor şi osuprapunere parţială a norilor electronici, electronii neparticipanţi ai unei molecule se potroti 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

13.03.2015 APA IN SISTEMELE BIOLOGICE

http://biofizica­umfcd.ro/lectures/curs_mg/apa04/APA04.htm 5/8

coordinativă, în care distanţa dintre nucleul de oxigen al unei molecule şi nucleulhidrogenului din cealaltă moleculă este de 1,76 Å. Apare un comportament cooperativ, însensul că, legarea unei molecule facilitează legarea alteia etc. O moleculă de apă poatelega coordinativ alte 4 molecule (figura). Pe baza acestei legături se formează structurisupramoleculare (gheaţa ­ stare cristalină, apa lichidă ­ microcristalină cu diferite grade deasociere). Proprietăţile fizice ale apei. Apa are proprietăţi fizice speciale, care se explică prin caracterul ei dipolar şi princapacitatea de a forma legături de H. Dintre cele mai importante pentru sistemelebiologice 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. Deexemplu, 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: factordeterminant 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 printr­o reţea cristalină de prismehexagonale (figura, figura) (fiecare moleculă coordinează alte 4 molecule), în starealichidă, apa capătă o structură complexă, în care existenţa legăturilor de H îi conferăanumite proprietăţi speciale.

Pentru a le explica s­au elaborat câteva modele care, însă, nu reuşesc să clarificecomplet caracteristicile şi proprietăţile apei. Ele pot fi utile pentru o descriere acomportamentului apei în unele situaţii. Dintre acestea:

­ Modelul reţelei cristaline parţial distruse ­ datorită agitaţiei termice, unele legăturide H se rup ­ apar domenii microcristaline între care circulă moleculele libere. Între 00 ­40C densitatea creşte datorită pătrunderii moleculelor de apă şi printre ochiurilemicroreţelelor intacte.

­ Modelul grămezilor temporare ­ se bazează pe ipoteza cooperativităţii legăturilorde H. Formarea unei legături de H facilitează formarea altora şi invers, ruperea faciliteazădesprinderea altor molecule. Apa ­ grămezi de molecule, formarea şi distrugerea lorsuccedându­se cu mare rapiditate (figura).

­ Modelul clatraţilor ­ în anumite condiţii o moleculă de apă se poate comporta ca omoleculă hidrofobă, devenind centrul unui dodecaedru cu feţe pentagonale, în colţurilecăruia se află molecule de apă ­ clatrat (figura).

­ Modelul legăturilor flexibile ­ rearanjarea moleculelor de apă se face nu prin

13.03.2015 APA IN SISTEMELE BIOLOGICE

http://biofizica­umfcd.ro/lectures/curs_mg/apa04/APA04.htm 6/8

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 acesteiase poate modifica, în funcţie de tipul solvitului, indiferent dacă între moleculele acestuia şimoleculele 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 (r = 80). Electroliţii tari sunt completdisociaţi. 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 proprietăţidiferite de cele ale apei obişnuite: densitatea apei creşte prin electroconstricţie, semodifică temperaturile de solidificare şi fierbere, constanta dielectrică etc.

Moleculele capabile de legături de H, ca şi cele cu moment dipolar permanent, seintegrează cu uşurinţă în reţeaua apei (zaharoza) fără a produce modificări prea mari destructură.

Moleculele fără moment dipolar permanent interacţionează cu moleculele de apă prinlegături Van der Waals slabe de tip dipol permanent­ dipol instantaneu. Moleculele de acesttip sunt numite molecule hidrofobe. Sistemul apă – solvit, în acest caz, tinde spreminimizarea energiei sale libere ­ deci spre realizarea unui număr maxim de legături întrecomponente. Moleculele hidrofobe nu pot realiza legături cu moleculele de apă şi, deaceea, un mod de a realiza cât mai multe legături este mărirea numărului de legături de Hîntre moleculele de apă din jurul moleculelor hidrofobe. Se formează structuri cristaline (12feţe pentagonale ­ dodecaedre, 16 ­ hexacaidecaedre) numite clatraţi, în centrul cărorase află câte o moleculă hidrofobă (figura, figura).

Apa capătă o structură asemănătoare gheţii ­ apă de clatrare (figura). Un alt modde mărire a numărului de legături se realizează prin apropierea moleculelor hidrofobe unade alta. Apar legături hidrofobe care nu sunt rezultatul vreunei atracţii, ci al lipsei deafinitate pentru apă.

Legăturile hidrofobe sunt foarte importante în realizarea structurii spaţiale amacromoleculelor 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 atracţiielectrostatice, iar cele hidrofobe se apropie unele de celelalte, realizând legături hidrofobe.În felul acesta macromoleculele îşi organizează atât propria structură, cât şi pe cea amoleculelor de apă din jur (se formează apa de hidratare şi apa de clatrare). Aceasta apă

13.03.2015 APA IN SISTEMELE BIOLOGICE

http://biofizica­umfcd.ro/lectures/curs_mg/apa04/APA04.htm 7/8

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] = 10­7 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 (65­70%). O mare parte a apei dinorganism manifestă proprietăţi fizice deosebite: se evaporă foarte greu, îngheaţă latemperaturi mult sub 00C, nu dizolvă cristaloizii, nu participă la osmoză ­ aceasta este apalegată. Problema apei în structurile vii nu este complet elucidată. Existenţa apei legate seexplică 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 superiorde 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 dinaceste compartimente având proprietăţi specifice. Dată fiind importanţa apei îndesfăşurarea proceselor biologice, există un mare număr de tehnici care permit studiulproprietăţilor acesteia în organismul viu. 6. Tehnici fizice de studiu al apei în sistemele biologice Clasificare:1. Tehnici distructive2. Tehnici nedistructive 1. Tehnici distructive

­ Tehnicile de congelare sunt utilizate pentru determinarea punctului de îngheţ: apa

13.03.2015 APA IN SISTEMELE BIOLOGICE

http://biofizica­umfcd.ro/lectures/curs_mg/apa04/APA04.htm 8/8

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 mişcareamoleculelor de apă legată prin reţeaua de apă lichidă.

­ Calorimetria indică modificarea capacităţii calorice a apei în funcţie de gradul ei deorganizare.

­ Măsurarea relaxării dielectrice: orientarea dipolilor apei în câmp electric poate daindicaţii 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 H2depind de starea liberă sau legată a moleculelor de apă. Constanta de timp de reveniredintr­o 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 puternicedecât legăturile de hidrogen ­ creşte gradul de ordonare în interiorul unor structuri (deexemplu macromolecule). Deuterizarea induce: blocarea transportului activ prinmembrane, dispariţia contractilităţii, inhibarea diviziunii celulare. Aceste efecte se numescefecte izotopice şi ele sunt funcţie de gradul de deuterizare. Se poate studiacompartimentalizarea apei – constantele de viteză ale diferitelor procese în care esteimplicată apa diferă în apa grea de cele care au loc în apa normală. În concentraţii foartemici este posibil ca D2O să aibă efect hormetic .