Structura fizica a moleculei

Structura fizica a moleculei

Molecula este o grupare de atomi ce formeaza o configuratie stabila datorita fortei de interactiune dintre ei. Fortele exercitate intre molecule sunt forte intermoleculare. Conditiile de formare a moleculei se realizeaza atunci cand forta de atractie dintre atomi este egala cu cele de respingere iar E_p este minima. Cand este perturbata molecula se disociaza.

Forta care actioneaza intre elementele ce formeaza biomolecula este forta intermoleculara (se pot masura prin metode specifice ca rezonanta magnetica nucleara si rezonanta de spin, ce masoara valoarea fortei si difractiei de raze X, care masoara forta indirect prin masurarea distantei dintre atom la un moment dat).

Fortele interatomice - ionice si covalente

Legatura ionica - electostatica

Teoretic forta de legatura se poate determina prin legea lui Coulomb

Legea covalenta este legea in care doi atomi cedeaza si primesc electroni de valenta formand un nivel electronic stabil.

Caractere generale ale legaturii covalente

Legatura de distanta mica; distanta dintre doi atomi este inferioara razei de actiune interatomica

Are caracter de saturatie. Odata formata legatura dintre doi atomi, fortele electronice nu mai permit alte legaturi. Cristalele formate prin legile covalente sunt dure (diamant).

Legea coordinativa - este formata din doi electoni pusi in comun. Electornii sunt furnizati de acelasi atomi pentru completarea nivelului energetic extern. Exemplu: oxigenul - poate realiza doua legaturi covalente si poate fi receptor pentru o legatura coordinativa.

In legile covalente formate dintre atomi difera perechea de electroni de legatura nu este repartizata simetric intre cei doi atomi ci este atrasa spre atomul mai electronegativ, aceasta reprezinta realizarea unui dipol. Dipolul reprezinta momentul in care legatura va fi cu aat mai mare cu cat diferenta de electromegativitate este mai mare.

Legea metalica - lege puternic realizata cu electroni pusi in comun care genereaza si electroni liberi de conductibilitate.

Fortele intermoleculare - sunt forte care se exercita intre moleculele ce formeaza a structura biologica. Acestea sunt mai mici decat cele intermoleculare dar efectul lor devine semnificativ datorita numarului mare de interactii de acest fel. Energia mica corespunzatoare acestor forte permite ruperea si formarea lor destul    de usor, lucru ce caracterizeaza functiile biologice ale biomoleculelor. Aceste forte se manifesta la distanta mica.

Dipol electric - este un sistem format din doua sarcini electrice egale si de semn contrar aflate la distanta "d" una fata de alta. Momentul dipolului = F . d

Energia de interactiune dipol - ion

FORMULA

Semnul "-" indica existenta unei forte de atractie dintre dipol si ionul respectiv.

Ɵ = 0 - dipolul este aliniat cu Q

Ɵ = 90 - dipolul este perpendicular pe "r" si W_p = 0 deoarece cele doua sarcini + q si - q sunt egal departate de Q

Ɵ = 180 dipol aliniat cu ionul de sarcina electrica Q

Energia de interactiune dipol - dipol

FORMULA

In biofizica se intalnesc in mod frecvent biomolecule ce sunt din punct de vedere electric, dipoli permanenti. AA, proteine, lipide - au acest caracter datorita distributiei de gradul de sarcina pe suprafata moleculelor.

Legatura de hidrogen

Este un caz particular al interactiei dipol - dipol. O molecula formata dintr+un atom de hidrogen si un atom electronegativ prezinta o legatura covalenta cu caracter partial ionic. Se formeaza un dipol cu sarcina negativa spre atomul electronegativ si cea pozitiva spre atomul de hidrogen. Daca in apropierea dipolului se gaseste un alt act atunci intre acesta si dipol se realizeaza o legatura determinata de atractia dintre protonul si electronul atomului. Aceasta legatura formata dintre dipol si atom reprezinta legatura de hidrogen.

Caracteristici: distanta dintre atomi este foarte mica; energia legaturii de hidrogen este mai mare decat W_leg dintre doi dipoli.

Dipoli indusi

Se considera un atom neutru in apropierea caruia se gaseste un ion pozitiv care va exercita o forta de atractie asupra elecronilor si o forta de respingere asupra nucleului atomic. Atomul se va "deforma", adica se produce o usoara separare a sarcinilor pozitive si negative de unde rezulta un dipol indus deoarece exista atat timp cat ionul exista in jurul atomului.

Dipoli tranzitorii

In general intr-un atom sau molecula, electronii sunt distribuiti simetric in jurul atomului. Simetria se poate modifica ducand la formarea unui dipol. Electronii fiind in continua miscare existenta dipolului este conditionata de probabilitatea asimetriei si distributiei electrice si dureaza atata tmp cat dureaza asimetria. Un astfel de dipol este tranzitoriu.

Daca un astfel de dipol se afla in apropierea unei molecule atunci poate induce in aceasta alti dipoli a caror orientare si moment sa depinda de dipolul tranzitoriu, efectul lor fiind cumulativ, fortele dispersive capata importanta.

Structura moleculara a apei

Molecula de apa este formata din doi atomi de hidrogen si un atom de oxigen legati prin legaturi covalente.

Cei 10 electroni ai moleculei de apa sunt distribuiti astfel: doi electroni ai oxigenului pe primul strat - se gasesc in permanenta in apropierea nucleului; 8 electroni de valenta graviteaza pe niste orbite eliptice alungite.

Doua perechi de electroni se afla pe orbite axate pe directiile O - H. Acestia sunt electroni ce formeaza legaturi covalente.

Alte doua perechi de electroni graviteaza pe doua orbitew situate perpendicular pe planul nucleului (electroni neparticipanti) molecula de apa are structura tetraedica - nucleul de oxigen este in centru.

Molecula de apa poate forma legaturi coordinative, punti de O₂ cu alte molecule. Fiecare molecula de apa se poate lega coordinativ cu alte patru molecule formand structuri spatiale (ex: gheata). Topirea ghetii duce la stricarea structurii tetraedice prin ruperea legaturii de hidrogen si spatiile goale din cristal se ocupa cu alte molecule de apa ceea ce explica cresterea ƍ H₂O → maxim = 3,98. Cresterea in continuare a moleculei → ƍ mica, cresterea agitatiei termice. La inghetarea apei se cedeaza mediului 1,44Kcal pentru doua molecule de apa. La topire 15% din legatura de Hidrogen se rupe. Apa lichida contine configuratii spatiale de gheata.

Pauling propune in configuratia apei pure o structura clatrat (in care o molecula de apa este inconjurata de alte 20 de molecule). Cu cresterea temperaturii o parte din clatrati se distrug exista astfel si molecule libere supuse agitatiei termice.

Apa in sisteme biologice

Apa este matricea vietii. Constituie solventul universal atat in mediul interstitiar cat si in cel intracelular. Este mediul de transport al substantelor de la un organ la altul. Este mediul de aliminare al produsilor de dezasimilatie, de dispersie. Este necesara in reactia de hidroliza. Este tampon pentru variatiile de temperatura. Degajarea de temperatura prin evaporare si rol de termostat prin caldura specifica mare. In organismele vii apa se gaseste in procente diferite in functie de specie si gradul de dezvoltare ontogenetica. La organismele superioare exista apei se poate clasa astfel dupa locul in care se afla in raport cu celula. Apa intracelulara: 70% din total. Apa extracelulara 30% - interstitial 20% si apa circulanta (vasculara) - 7%. Dupa distributia in tesuturi apa tisulara si extratisulara este reprezentata de umorile apoase, silicoase, lichid cefalorahidian si sange. Dupa interactia cu macromolecule biologice apa poate fi libera sau legata (structurata). Dupa provenienta in organism apa poate fi exogena sau endogena.

Cantitatea de apa in tesuturi depinde de coeficientul lipocitic; raportul dintre cantitate de colesterol hidrofil si cantitatea de acizi grasi hidrofobi. Cu cat un organ sau tesut este sediul unor procese metabolice intense cu atat continutul de apa este mai mare.

Deoarece anabolismul scade cu varsta se constata si o scadere a procentului de apa cu varsta: nou - nascut → 76 - 80%; femei 60 - 80 ani → 56 - 60%.

O distributie a apei:

Par - 4%

Dentina - 9%

Schelet si sesut adipos - 30%

Cartilaj - 50%

Substanta alba - 70%

Substanta cenusie - 85%

Ficat - 75%

Muschi - 76%

Cord 77%

Plaman - 81 %

Plasma - 93%

Tesut embrionar - 97%

Modificarile structurii apei in prezenta solvitilor

Solvitul micsoreaza gradul de ordonare a moleculei de apa, similar cu cresterea temperaturii. Apa se dispune concentric in jurul ionilor formand primul si al 2 lea strat de hidratare. Moleculele hidrofobe creeaza cavitati in apa si devin molecule interstitiare.

Proprietati fizice particulare ale apei

Caldura specifica a apei este de 4,2 Kj/KgK. Este foarte mare fata de oricare substanta solida sau lichida. Aceasta proprietate a apei permite o stabilizare a temperaturii in diferite procese biologice. Conductibilitatea termica este mai mare ca la alte lichide a altor structuri diferite de circulatie. Caldura latenta de vaporizare este mai mare la alte lichide. Caldura latenta de vaporizare este factorul determinant in homeotermie prin termoliza sau evacuare pulmonara.

Densitatea

Cresterea spre 4C a densitatii apei permite supravietuirea in apa cu gheata, la suprafata a pestilor. Constanta dielectrica explica capacitatea mare de ionizare a substantei dizolvate. Punctele de topire la 0C si fierbere la 100C permit un interval mare in care proprietatile apei se schimba foarte putin. Coeficientul de difuziune ce reprezinta cantitatea de substanta ce difuzeaza printr-o suprafata de 1cm²/sec permite difuziunea libera a substantei existente in lichidele biologice. Coeficientul de viscozitate mic permite o deplasare a straturilor apei in mod liber aproape fara frecare si consum de energie. Coeficientul de tensiune superficiala scade cu cresterea temperaturii datorita agitatiei termice si ruperii legaturii de hidrogen.