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