Woda jako środowisko

życia

•

Oddziaływania chemiczne w
roztworach wodnych

•

Mechanizmy regulacji gospodarki
wodnej w komórce i organizmie

•

Dysocjacja wody i równowaga
kwasowo-zasadowa

Dr Mirosława Ferens-Sieczkowska
Katedra Chemii i Immunochemii AM

Część I

Oddziaływania chemiczne

w roztworach wodnych

• Struktura i właściwości cząsteczek wody
• Woda jako rozpuszczalnik
• Słabe oddziaływania chemiczne w

środowisku wodnym

• Hydrofilowość i hydrofobowość związków

chemicznych

Cząsteczka wody

Przybliżony kształt i rozkład
ładunku w cząsteczce wody

Skład chemiczny komórki

Woda (H

2

O)  70 %

Jony nieorganiczne
(Na, K, Cl, PO4) 1 %
Małe cząsteczki (aminokwasy,
cukry, nukleotydy)  5 %
Makrocząsteczki (białka,
kwasy nukleinowe,
glikokoniugaty) 24 %

Cząsteczka wody jest

dipolem

Wolne pary
elektronów
atomu tlenu

Para elektronów wiązania
jest przesunięta w stronę
atomu tlenu

wiązanie
kowalencyjne
spolaryzowane

wiązanie
kowalencyjne
spolaryzowane

wodór

wodór

tlen

Dipole wody są zdolne do

oddziaływania ze sobą

Wolna para elektronowa tlenu
przyciąga proton o cząstkowym
ładunku dodatnim, jednocześnie
sama przemieszcza się w stronę
przyciąganego protonu.
Powstaje słabe oddziaływanie,
zwane wiązaniem wodorowym

wiązanie
wodorowe

Oddziaływania wodorowe

porządkują strukturę wody

Faza
ciekła

Lód

Związki chemiczne mogą

oddziaływać z wodą w

różny sposób

Hydrofilowy = „lubiący wodę” - łatwo

rozpuszczający się w wodzie

Hydrofobowy = „bojący się wody” – niepolarny,

słabo rozpuszczający się
w wodzie, stroniący od wody

Woda jest rozpuszczalnikiem polarnym !

Woda łatwo rozpuszcza

wiele

soli

anion soli ot

oczony

przez cząste

czki wody

kation soli otoczony

przez cząsteczki wody

Dipole wody „wypłukują”
jony soli z kryształu

Przykłady ugrupowań i

związków hydrofilowych

• Wszystkie związki o strukturze jonowej lub

wiązaniu kowalencyjnym spolaryzowanym, np.:
sole, kwasy, zasady, alkohole, aminy

Związki jonowe jak NaCl rozpuszczają się,
gdyż cząsteczki wody są przyciągane
przez kationy sodu i aniony chloru

Substancje polarne, jak mocznik,
rozpuszczają się ponieważ ich
cząsteczki tworzą wiązania wodorowe
z otaczającymi cząsteczkami wody

Wiązania wodorowe stabilizują

oddziaływania struktur polarnych w

roztworach wodnych

pomiędzy

cząsteczkami amin

pomiędzy wodą a

cząsteczkami amin

pomiędzy wodą a

cząsteczką kwasu

dimer kwasu na fazie stałej

Wiązania wodorowe

tworzą

się…

akceptor

wodoru

donor

wodoru

tymina

adenina

…

pomiędzy

komplementarnymi

zasadami w DNA

…

pomiędzy grupami

hydroksylowymi alkoholu

a wodą

…pomiędzy

karbonylową grupą

ketonu a wodą

Silne
wiązanie
wodorowe

Słabsze
wiązanie
wodorowe

…pomiędzy

atomami ugrupowań

peptydowych

w białkach

Potencjał tworzenia wiązań

wodorowych w grupach

bocznych aminokwasów

Wiązania wodorowe odgrywają

istotną rolę w stabilizacji

makromolekuł o funkcji

biologicznej

W kwasach nukleinowych…

… i w białkach

Hydratacja umożliwia

rozpuszczanie

makromolekuł

• Białka i inne związki makromolekularne

wymagają specjalnych oddziaływań
stabilizujących ich rozpuszczalność. Dipole
wody, przyciągane przez zewnętrzne polarne
regiony cząsteczki białka tworzą warstwę
hydratacyjną, która uniemożliwia przyciąganie
międzycząsteczkowe i sedymentację

.

Rozpuszczalność koloidów

białkowych

+

+ +

+

+

-

--

-

+

+

-

+

+

+ +

+

+

-

--

-

+

+

-

+

+

+ +

+

+

-

--

-

+

+

+ +

+

+

-

--

-

+

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

++

+ +

-- -

+ +

+

+

+

--

-

dehydratacja

sedymentacja

Dipole wody mogą oddziaływać z
obdarzonymi ładunkiem grupami
funkcyjnymi na powierzchni cząsteczki
białka, co powoduje otoczenie każdej
cząsteczki warstwą wody hydratacyjnej
(„płaszcz wodny”).
Utrata wody hydratacyjnej zwiększa
oddziaływania różnoimiennych ładunków
na powierzchni białka, prowadząc do
jego agregacji i wytrącenia

Inne oddziaływania chemiczne

w roztworach wodnych

Van der Waalsa

Jonowe

+

-

dipol - dipol

dipol – dipol indukowany

dyspersyjne

indukcja dipoli

moment dipolowy

aranżacja dipoli w roztworze

Hydrofobowość

• Jakie struktury chemiczne wykazują

hydrofobowość?

Węglowodory o łańcuchach prostych i rozgałęzionych, związki
aromatyczne o pierścieniach pojedynczych i skondensowanych

• Jak hydrofobowe struktury

zachowują się w wodzie?

Związki hydrofobowe
skupiają się ograniczając
powierzchnię kontaktu z
wodą

Związki amfipatyczne

Hydrofilowa

„główka”

Hydrofobowy

„ogon”

Wysoko uporządkowane cząsteczki wody

tworzą „klatkę” dokoła hydrofobowego

łańcucha alkilowego

Oddziaływania

na granicy faz

Związki amfipatyczne w żywej materii
rozgraniczają fazę wodną od hydrofobowej

Dwufazowe układy

hydrofilowo - hydrofobowe

emulsja wody w
ciekłym tłuszczu

monowarstwa na granicy faz

micella

dwuwarstwa

dwuwarstwowa struktura
pęcherzykowa (liposom)

Komórka jest

zbiorem

pęcherzykowatych,

hydrofobowych

struktur

błoniastych,

rozdzielających

wodne koloidy

Struktura membrany warunkuje komunikację pomiędzy

poszczególnymi przedziałami

Część II

Mechanizmy regulacji

gospodarki wodnej w

komórce

• Dyfuzja, osmoza, ciśnienie osmotyczne
• Roztwory koloidowe i równowaga Gibbsa-

Donnana

• Kompartmentacja komórki a równowaga

osmotyczna

Homeostaza

• Celem homeostazy jest utrzymanie stałości

środowiska wewnętrznego ustroju, pomimo stale

zachodzących procesów chemicznych. Nieustannym

korektom służy skomplikowany system regulacji

• Na homeostazę ustroju składają się:

 Izojonia

– równowaga składu jonowego płynów

ustroju

 Izohydria

– równowaga kwasowo-zasadowa między

dawcami i biorcami protonu

 Izotonia

– równowaga stężeń substancji

rozpuszczonych w płynach zewnątrz- i

wewnątrzkomórkowych, warunkująca stałość

ciśnienia osmotycznego

Osmoza: dyfuzja przez

błonę półprzepuszczalną

Gdy błona półprzepuszczalna rozdziela
przedziały o różnym stężeniu cząstek
osmotycznie czynnych, woda dyfunduje
do roztworu hipertonicznego

stan równowagi

ciśnienie hydrostatyczne

ciśnienie
osmotyczne

W stanie równowagi ciśnienie

hydrostatyczne równoważy

ciśnienie osmotyczne

Kierunek przepływu
wody

cząsteczki
związku
rozpuszczonego

membrana
półprzepuszczalna

• Stężenie substancji osmotycznie

czynnej (nie dyfundującej przez
błonę półprzepuszczalną)
determinuje ciśnienie wewnątrz
ograniczonego wodą przedziału,
jego objętość i przepływ wody
pomiędzy przedziałami

H

2

O

Erytrocyt
w roztworze
hipotonicznym

Komórka roślinna w roztworze

hipotoniczny

m

hipertonicznym

Równowaga wodna i osmotyczna

ustroju

• Białka jako wielkocząsteczkowe koloidy nie mogą

przenikać przez błony półprzepuszczalne, ale dzięki
występowaniu w formie anionów (rzadziej kationów)
wpływają na gospodarkę wodną, rozmieszczenie
dyfundujących przez błony elektrolitów oraz odczyn
środowiska

spadek ciśnienia onkotycznego

przestrzeń śródmiąższowa

ściana
naczynia

przepływ
wody

Równowaga Gibbsa-Donnana

• Jeśli w dwóch sąsiadujących przestrzeniach

rozdzielonych błoną półprzepuszczalnąznajdują się

różne stężenia niedyfundujących jonów

koloidalnych, to w stanie równowagi dyfundujące

jony elektrolitu rozmieszczone są nierównomiernie

• Czynnikiem determinującym gradient stężenia

jonów w stanie równowagi jest różnica stężeń białka

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

anion białczanowy (10)

Na

+

Cl

-

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

anion białczanowy (10)

Na

+

Cl

-

Na

+

Cl

-

18

8

12
12

20 20

Konsekwencje równowagi Gibbsa-

Donnana

• Skład elektrolitowy przestrzeni śródmiąższowej

różni się od składu elektrolitowego osocza;

czynnikiem decydującym jest różna zawartość

białek ocharakterze polianionu

• Stężenie polianionowego białka w krwince

czerwonej jest ~5x większe niż w osoczu, co

prowadzi do podwyższenia stężenia jonów

wodorowych – pH wewnątrz erytrocytu jest niższe

(7.19) niż w osoczu (7.4)

• Leki w formie anionowej będą lepiej wchłaniane z

przewodu pokarmowego, gdyż stężenie

niedyfundujących anionów koloidalnych jest w nim

wyższe niż w osoczu

Elektrolity w płynach ustrojowych

KATIONY

PŁYN POZAKOMÓRKOWY

PŁYN
WEWNĄTRZ-
KOMÓRKOWY

OSOCZE

PŁYN

ŚRÓDMIĄŻSZOW

Y

Na

+

K

+

Ca

2+

Mg

2+

142

5

5

3

145

4

2.5

2

10

150

-

40

Σ [kationy]

155

153.5

200

ANIONY

103

27

3

6

16

114

30

3

5.5

1

0-3

10

150

-

40

Cl

-

HCO

3

-

Fosforany i

siarczany

Aniony

organiczne

Białka

Σ [aniony]

155

153.5

200

Σ [kationy] + Σ

[aniony]

310

307

400

Znaczenie osmozy w

układach koloidowych dla

utrzymania homeostazy

organizmu

• Różnica stężeń białka w osoczu i w płynie

sródmiąższowym determinuje przepływ wody
między krwią a tkankami, a hipoalbuminemia osocza
może powodować obrzęki

• Mechanizmy równowagi Gibbsa-Donnana

umożliwiają tworzenie gradientów jonów i pH na
membranach śródkomórkowych

Część III

Dysocjacja wody i

równowaga kwasowo-

zasadowa

Dysocjacja wody, stężenie

jonów wodorowych i

współczynnik pH

HCl + H

2

O ---> H

3

O

+

+ Cl

-

pH 

NH

3

+ H

2

O ---> NH

4

+

+ OH

-

pH 

H

2

O + H

2

O  H

3

O

+

+ OH

-

Z prawa działania mas:

[H

3

O+]  [OH-] = K

dys

[H

2

O]

2

= 10

-14

[H

+

] = 10

-14

/[OH

-

]

- log [H

+

] = pH

pH + pOH = 14

w czystej wodzie

pH = pOH = 7

Równowaga kwasowo –

zasadowa w organizmie

• Prawidłowe funkcjonowanie żywego organizmu jest

możliwe w wąskim zakresie stężenia jonów wodorowych

• Zmiana pH większa niż 0,1 jednostki Soerensena może

być niebezpieczna dla organizmu

• Organizm dysponuje wielorakimi mechanizmami

utrzymania stężenia jonów wodorowych na stałym
poziomie (buforowania)

• Mechanizmy fizykochemiczne stanowią określone

układy buforowe, mechanizmy narządowe – czynność
płuc i nerek