curs apa curs2

8/8/2019 Curs Apa Curs2

1/55

UMF Carol Davila

Catedra de Biofizica Medicala

Apa in sistemele biologice (AP)An universitar 2009-2010

Apa in sistemeleApa in sistemele

biologicebiologice


2/55

UMF Carol Davila




3/55

UMF Carol Davila



CuprinsCuprins::

Notiuni de fizica moleculara a lichidelorNotiuni de fizica moleculara a lichidelor Fenomene de interfataFenomene de interfata

Molecula de apaMolecula de apa Structura si proprietatile apeiStructura si proprietatile apei Solutii apoaseSolutii apoase Apa in sistemele biologiceApa in sistemele biologice


4/55

UMF Carol Davila



Notiuni de fizica molecularaNotiuni de fizica moleculara

a lichidelora lichidelor


5/55

UMF Carol Davila



Notiuni de bazaNotiuni de baza

Tipuri de legaturi moleculare in lichideTipuri de legaturi moleculare in lichide Legaturi Van der WaalsLegaturi Van der Waals

dipol permanent dipol permanentdipol permanent dipol permanent

dipol indus dipol indusdipol indus dipol indus dipol permanent dipol indusdipol permanent dipol indus

Legaturi de hidrogen (H)Legaturi de hidrogen (H)(coordinative)(coordinative) Interactii ion-ionInteractii ion-ion

Interactii ion-dipolInteractii ion-dipol


6/55

UMF Carol Davila



DipoliDipoli

Dipoli permanenti:Dipoli permanenti: Molecule in care exista o distributie permanenta aMolecule in care exista o distributie permanenta a

sarcinilor pozitive spre unul din polii moleculei si asarcinilor pozitive spre unul din polii moleculei si a

sarcinilor negative spre celalalt pol (moleculesarcinilor negative spre celalalt pol (moleculepolarizate permanent)polarizate permanent)

Dipoli indusi:Dipoli indusi:

Molecule nepolarizate permanent, dar care devinMolecule nepolarizate permanent, dar care devinpolarizate sub influenta unui camp electric externpolarizate sub influenta unui camp electric extern


7/55

UMF Carol Davila



DipoliDipoli


8/55

UMF Carol Davila



Legaturi Van der WaalsLegaturi Van der Waals


9/55

UMF Carol Davila



Legaturi de HLegaturi de H


10/55

UMF Carol Davila



Tipuri de lichideTipuri de lichide

LichideLichide simplesimple Contin doar legaturi Van der WaalsContin doar legaturi Van der Waals Exemplu: gaze rare lichefiate, halogeni - BrExemplu: gaze rare lichefiate, halogeni - Br

22

LichideLichide complexecomplexe Contin tipuri multiple de legaturiContin tipuri multiple de legaturi

Exemplu: apaExemplu: apa

Structuri particulare:Structuri particulare: Cristale lichideCristale lichide


11/55

UMF Carol Davila



Modele moleculare ale stariiModele moleculare ale starii

lichidelichide Modelul cinetico-molecularModelul cinetico-molecular

Lichidele sunt considerate gaze foarte comprimateLichidele sunt considerate gaze foarte comprimate Aplicabil doar lichidelor formate din molecule monoatomiceAplicabil doar lichidelor formate din molecule monoatomice

Modelul cristalinModelul cristalin Lichid format din celule identice, ocupate de o molecula /Lichid format din celule identice, ocupate de o molecula /

neocupateneocupate Moleculele pot trece dintr-o celula in altaMoleculele pot trece dintr-o celula in alta

Modelul vacantelor fluidizanteModelul vacantelor fluidizante In lichid exista goluri = vacante fluidizanteIn lichid exista goluri = vacante fluidizante Vacantele au o miscare similara cu agitatia termicaVacantele au o miscare similara cu agitatia termica Numarul de vacante pe unitatea de volum = nr. AvogadroNumarul de vacante pe unitatea de volum = nr. Avogadro


12/55

UMF Carol Davila



Modele moleculare ale starii lichideModele moleculare ale starii lichide


13/55

UMF Carol Davila



Cristale lichideCristale lichide

Sunt faze intermediare (Sunt faze intermediare (mezofazemezofaze),),anizotrope, de trecere de la solid la lichidanizotrope, de trecere de la solid la lichidpentru anumite substantepentru anumite substante

Au proprietati:Au proprietati: DeDe lichidlichid fluiditatea fluiditatea DeDesolidsolid(cristalin) structura ordonata spatial(cristalin) structura ordonata spatial


14/55

UMF Carol Davila




15/55

UMF Carol Davila



Cristale lichideCristale lichide

Tipuri:Tipuri: TermotropeTermotrope:: tranzitia la faza de cristal lichid estetranzitia la faza de cristal lichid este

influentata deinfluentata de temperaturatemperatura

NematiceNematice SmecticeSmectice (ex: mielina)(ex: mielina) ColestericeColesterice sunt sunt optic activeoptic active (ex: colesterolul)(ex: colesterolul)

LiotropeLiotrope:: tranzitia la faza de cristal lichid etranzitia la faza de cristal lichid e

influentata deinfluentata de concentratieconcentratie (si mai putin de(si mai putin detemperatura)temperatura)

Exemplu:Exemplu: Membranele celulareMembranele celulare


16/55

UMF Carol Davila



Cristale lichide termotropeCristale lichide termotrope

NematiceNematice

Moleculele ordonate cuMoleculele ordonate cuaxul mare paralelaxul mare paralel

Nu se diferentiaza straturiNu se diferentiaza straturi Optic activeOptic active

SmecticeSmectice

Moleculele ordonate cu axulMoleculele ordonate cu axulmare paralelmare paralel

Ordonare in straturi care potOrdonare in straturi care potaluneca unul peste celalaltaluneca unul peste celalalt

Tip ATip A: axul perpendicular pe: axul perpendicular peplanul stratuluiplanul stratului

Tip CTip C: axul oblic fata de planul: axul oblic fata de planulstratuluistratului


17/55

UMF Carol Davila



Cristale lichide termotropeCristale lichide termotrope

ColestericeColesterice

Moleculele orientate paralel intr-Moleculele orientate paralel intr-un stratun strat

Structura helicoidalaStructura helicoidala

Optic activeOptic active

Isi schimba culoarea in functie deIsi schimba culoarea in functie detemperatura:temperatura:

Reflecta lumina cu lungimeaReflecta lumina cu lungimea

de unda = pasul helicoidei (p)de unda = pasul helicoidei (p)

Temperatura modifica pasulTemperatura modifica pasul

helicoideihelicoidei


18/55

UMF Carol Davila



Cristale lichide liotropeCristale lichide liotrope


19/55

UMF Carol Davila



Fenomene de interfataFenomene de interfata


20/55

UMF Carol Davila



InterfeteInterfete

Suprafete de demarcatie intre doua faze:Suprafete de demarcatie intre doua faze: Solid lichidSolid lichid Lichid aerLichid aer Solid aer, solid solid, lichid lichid, aer aerSolid aer, solid solid, lichid lichid, aer aer

La nivelul lor apar forte (tensiuni)La nivelul lor apar forte (tensiuni)rezultante dintre:rezultante dintre:

Fortele de atractie intre moleculele din interiorulFortele de atractie intre moleculele din interiorulfazelor (forte defazelor (forte de coeziunecoeziune))

Fortelor de atractie dintre moleculele fazelorFortelor de atractie dintre moleculele fazelordiferite (forte dediferite (forte de adeziuneadeziune))


21/55

UMF Carol Davila



Interfete solid - lichidInterfete solid - lichid

FormareaFormarea meniscurilormeniscurilor

Menisc concavMenisc concav

FF

adeziuneadeziune > F> F

coeziunecoeziune

Menisc convexMenisc convex FF

adeziuneadeziune< F< F

coeziunecoeziune


22/55

UMF Carol Davila



Interfete solid - lichidInterfete solid - lichid

Fenomene deFenomene de capilaritatecapilaritate

Ascensiune capilaraAscensiune capilara FF

adeziuneadeziune> F> F

coeziunecoeziune

Descensiune capilaraDescensiune capilara FF

adeziuneadeziune< F< F

coeziunecoeziune


23/55

UMF Carol Davila



Interfete lichid - gazInterfete lichid - gaz

Fenomene deFenomene de tensiune superficialatensiune superficiala

In interiorul lichidului forteleIn interiorul lichidului fortelede atractie intermoleculare sede atractie intermoleculare se

anuleazaanuleaza In stratul de suprafata:In stratul de suprafata:

OO componenta paralelacomponenta paralela cucusuprafata se opune strapungeriisuprafata se opune strapungeriistratului superficialstratului superficial

OO componenta perpendicularacomponenta perpendiculara pepesuprafata forta de compresiesuprafata forta de compresieinterna a lichiduluiinterna a lichidului

tendinta de minimizare atendinta de minimizare asuprafetei (ex: formarea desuprafetei (ex: formarea depicaturi)picaturi)


24/55

UMF Carol Davila



Coeficientul de tensiuneCoeficientul de tensiune

superficialasuperficiala

La interfata dintre un lichid si un gaz apare oLa interfata dintre un lichid si un gaz apare oforta care tinde sa micsoreze aceasta suprafataforta care tinde sa micsoreze aceasta suprafata

Marime caracteristica:Marime caracteristica: [N/m][N/m] == coeficientulcoeficientulde tensiune superficialade tensiune superficiala

= forta necesara pentru a mari= forta necesara pentru a mari

lungimea conturului suprafetei cu olungimea conturului suprafetei cu ounitateunitate

=lucrul mecanic necesar pentru a=lucrul mecanic necesar pentru amari suprafata cu o unitatemari suprafata cu o unitate

=dF

dl

=dL

dS


25/55

UMF Carol Davila



Substante tensioactiveSubstante tensioactive

= Substante care modifica valoarea= Substante care modifica valoarea

Legea lui TraubeLegea lui Traube:: tensioactivitatea creste cutensioactivitatea creste cu

numarul de grupari hidrofobenumarul de grupari hidrofobe

Exemple:Exemple: DetergentiDetergenti Saruri biliareSaruri biliare Surfactantul pulmonarSurfactantul pulmonar

Scad tensiunea superficiala a

lipidelor, faciliteaza dizolvarea lor insolutii apoase


26/55

UMF Carol Davila



Rolul surfactantului pulmonarRolul surfactantului pulmonar

Surfactantul pulmonarSurfactantul pulmonar lichid cu proprietatilichid cu proprietatitensioactive care acopera suprafata alveolelortensioactive care acopera suprafata alveolelorpulmonarepulmonare

Roluri:Roluri: Creste complianta pulmonara si scade travaliulCreste complianta pulmonara si scade travaliul

respiratorrespirator Previne colapsul alveolelor la sfarsitul inspiruluiPrevine colapsul alveolelor la sfarsitul inspirului

Complianta pulmonaraComplianta pulmonara:: VVpulmpulm // pp


27/55

UMF Carol Davila



Rolul surfactantuluiRolul surfactantului

Legea Laplace:Legea Laplace: p presiunea aerului alveolarp presiunea aerului alveolar r raza alveolei pulmonarer raza alveolei pulmonare

p=2r

p = 12-24 torr ptr apa,p = 12-24 torr ptr apa,doar cativa torri ptrdoar cativa torri ptrsurfactant travaliusurfactant travaliurespirator mai micrespirator mai mic

Contribuie la egalizareaContribuie la egalizareapresiunilor in arborelepresiunilor in arborelerespiratorrespirator


28/55

UMF Carol Davila



Molecula de apaMolecula de apa


29/55

UMF Carol Davila



Structura moleculei de apaStructura moleculei de apa

Aranjament spatial tetraedricAranjament spatial tetraedric

Dipol electricDipol electric


30/55

UMF Carol Davila



http://www.northland.cc.mn.us
http://storage/lucru_6/studenti/ro/curs_biofizica/apa/hydrogenbonds.swf


31/55

UMF Carol Davila



Structura apeiStructura apei


32/55

UMF Carol Davila



Apa in stare lichidaApa in stare lichida Legaturi de H;Legaturi de H; distanta atom O atom H al altei moleculedistanta atom O atom H al altei molecule

este de aprox. 1.8este de aprox. 1.8 ; o molecula poate lega 1-4 alte molecule; o molecula poate lega 1-4 alte molecule


33/55

UMF Carol Davila



Modele ale apei lichideModele ale apei lichide

ModelulModelul retelei cristaline partial distruseretelei cristaline partial distruse Datorita agitatiei termice unele legaturi de H seDatorita agitatiei termice unele legaturi de H se

rup domenii microcristaline intre care circularup domenii microcristaline intre care circulamolecule liberemolecule libere

ModelulModelul gramezilor temporaregramezilor temporare Cooperativitate in formarea si desfacereaCooperativitate in formarea si desfacerea

legaturilor de H domenii dinamicelegaturilor de H domenii dinamice

ModelulModelul domeniului unicdomeniului unic Modelul actual; un domeniu unic cu discontinuitatiModelul actual; un domeniu unic cu discontinuitati

localelocale


34/55

UMF Carol Davila



Modelul actualModelul actual


35/55

UMF Carol Davila



Shigeo Maruyama GroupDepartment of Mechanical Engineering, The University of Tokyo


36/55

UMF Carol Davila



Apa in stare solidaApa in stare solida

Forme diferite de cristalizare, in functieForme diferite de cristalizare, in functiede:de: TemperaturaTemperatura PresiunePresiune Existenta unor nuclei de cristalizareExistenta unor nuclei de cristalizare

Cele mai comune forme, la presiuneCele mai comune forme, la presiuneatmosferica:atmosferica:

GheataGheata hexagonalahexagonala (temperaturi -80 0(temperaturi -80 0 C)C) GheataGheata cubicacubica (temperaturi < -80(temperaturi < -80 C)C)

Legaturile de H formate sunt permanenteLegaturile de H formate sunt permanente


37/55

UMF Carol Davila



Gheata hexagonalaGheata hexagonala


38/55

UMF Carol Davila



Gheata cubicaGheata cubica


39/55

UMF Carol Davila




40/55

UMF Carol Davila



Proprietatile apeiProprietatile apei

DensitateDensitate maxima la 4maxima la 4CC Constanta dielectricaConstanta dielectrica maremare

Favorizeaza disocierea electroliticaFavorizeaza disocierea electrolitica

Tensiune superficialaTensiune superficiala maremare Caldura specificaCaldura specifica foarte mare,foarte mare, conductibilitateconductibilitate

termicatermica mare,mare, caldura latenta de vaporizarecaldura latenta de vaporizare

maremare Importanta in autoreglarea termica a organismuluiImportanta in autoreglarea termica a organismului


41/55

UMF Carol Davila



Solutii apoaseSolutii apoase


42/55

UMF Carol Davila



Solutii electroliticeSolutii electrolitice

Fenomen deFenomen de solvataresolvatare a ionilora ionilor Disocierea ionilor (Disocierea ionilor (favorizata de constantafavorizata de constanta

dielectrica mare a apeidielectrica mare a apei))

Orientarea dipolilor de apa in jurul ionului, cuOrientarea dipolilor de apa in jurul ionului, cupolul de polaritate opusa spre ionpolul de polaritate opusa spre ion


43/55

UMF Carol Davila



http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/essentialchemistry/flash/molvie1.swf

b f
http://storage/lucru_6/studenti/ro/curs_biofizica/apa/ioni_in_apa.swf


44/55

UMF Carol Davila



Substante care formeazaSubstante care formeaza

legaturi de Hlegaturi de H

Se interpun in reteaua de legaturi deSe interpun in reteaua de legaturi dehidrogen a apeihidrogen a apei


45/55

UMF Carol Davila



Substante hidrofobeSubstante hidrofobe

Sunt substanteSunt substante fara moment dipolarfara moment dipolar (nepolarizate)(nepolarizate)

Sub influenta apei formeaza dipoli instantanei Sub influenta apei formeaza dipoli instantanei legaturi Van der Waals slabelegaturi Van der Waals slabe cu moleculele de apacu moleculele de apa

Sistemul tinde catre stabilizare energetica prinSistemul tinde catre stabilizare energetica prinformarea unui numar maxim de legaturi:formarea unui numar maxim de legaturi:

Intre moleculele de apa Intre moleculele de apa cavitati de clatrarecavitati de clatrare

(clatrati)(clatrati) Moleculele hidrofobe sunt cuprinse in cavitatile de clatrareMoleculele hidrofobe sunt cuprinse in cavitatile de clatrare

Intre moleculele hidrofobe Intre moleculele hidrofobe legaturi hidrofobelegaturi hidrofobe


46/55

UMF Carol Davila



ClatratiClatrati

http://ferrisholding.com

http://www.lsbu.ac.uk


47/55

UMF Carol Davila



Molecule amfifileMolecule amfifile

ZoneZone hidrofilehidrofile legaturi electrostatice; apa de legaturi electrostatice; apa dehidratarehidratare

ZoneZone hidrofobehidrofobe legaturi hidrofobe intre ele, apa legaturi hidrofobe intre ele, apa

formeaza clatratiformeaza clatrati

Structura apei din jurul unei macromoleculeStructura apei din jurul unei macromolecule

este reorganizata =>este reorganizata => apa legataapa legata


48/55

UMF Carol Davila



Disocierea apeiDisocierea apei


49/55

UMF Carol Davila



Reactii de disociere a apeiReactii de disociere a apei

H2O = H+ + HO-

H+ + H2O = H

3O+

2H2O = HO- + H3O+

pH = - log[H+]

Apa puraApa pura, 25, 25 C:C:

[H[H

++

]=[HO]=[HO--

]=10]=10

-7-7

mol/lmol/l pH = 7pH = 7

In organismIn organism:: pH = 7.4pH = 7.4


50/55

UMF Carol Davila



Apa in sistemele biologiceApa in sistemele biologice

F d i i


51/55

UMF Carol Davila



Forme de apa intra- siForme de apa intra- si

extracelularaextracelulara

Compartimentalizare a apei:Compartimentalizare a apei: Apa liberaApa libera

Apa partial legataApa partial legata Apa legata:Apa legata:

Se evapora greuSe evapora greu Ingheata la temperaturi sub 0Ingheata la temperaturi sub 0 CC

Nu dizolva cristaloiziNu dizolva cristaloizi Nu participa la osmozaNu participa la osmoza


52/55

UMF Carol Davila



Apa legataApa legata

http://www.lsbu.ac.uk


53/55

UMF Carol Davila



Apa legataApa legata

http://sciencenotes.wordpress.com

http://thglab.berkeley.edu


54/55

UMF Carol Davila



Molecular model of the complete

GPCR (rhodopsin) in an atomisticrepresentation of its environment.The protein is rendered in goldcolor, with the retinal in red. Thelipid portion of the phospholipidsis shown in green, and their headgroups are rendered in yellow.

The surrounding water moleculesare rendered in blue.

Weinstein H. Hallucinogen Actions on 5-HT Receptors Reveal DistinctMechanisms of Activation and Signaling by G Protein-coupledReceptors. AAPS Journal. 2006; 7(4): E871-E884.


55/55

I. Kosztin/Univ. of Missouri (made with VMD)
http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmdhttp://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd

curs apa curs2

Documents