referat, referate , referat romana, referat istorie, referat geografie, referat fizica, referat engleza, referat chimie, referat franceza, referat biologie
 
Astronomie Istorie Marketing Matematica
Medicina Psihologie Religie Romana
Arte Plastice Spaniola Mecanica Informatica
Germana Biologie Chimie Diverse
Drept Economie Engleza Filozofie
Fizica Franceza Geografie Educatie Fizica
 

Apa in sistemele biologice

Categoria: Referat Fizica

Descriere:

Apa se găseşte în natură în cele trei stări de agregare: solidă, lichidă şi gazoasă. Fiecare din cele trei stări prezintă particularităţi de structurare datorită caracterului dipolar a moleculei de apă şi a legăturilor de hidrogen pe care această moleculă le poate realiza....

Varianta Printabila 


1 APA N SISTEMELE BIOLOGICE

    
Apa este componetul principal al oricărui sistem biologic. Organismele vii reprezintă sisteme apoase nal compartimentate.
„Apa este originea şi matricea vieţii” ( Albert Szent).
n evoluţia sa ontogenetică peocentul din corpul uman descreşte continuu de la 97% la embrionul de două luni la 67 – 74% pentru nou născut şi 58-67% n cazul organismului adult.
Datorită diferenţierii celulare cu fiecare nouă zi de viaţă şi datorită apariţiei ţesuturilor dense, are loc o descreştere a conţinutului de apă.
Apa este o moleculă triatomică, formată din doi atomi de hidrogen şi un atom de oxigen. Este o moleculă plană caracterizată prin distanţa de 0,958 dintre atomii de hidrogen şi atomul de oxigen n planul XoY, ct şi de unghiul de 105 pe care l formează axele celor doi atomi de hidrogen faţă de atomul de oxigen.
Cei 10 electroni ai moleculei de apă sunt distribuiţi astfel: doi electroni ai oxigenului pe primul strat – se găsesc n permanenţă n apropierea nucleului; 8 electroni de valenţă gravitează pe nişte orbite eliptice alungite.
Două perechi de electroni se află pe orbite axate pe direcţiile O – H. Aceştia sunt electroni ce formează legături covalente.
Alte două perechi de electroni gravitează pe două orbitew situate perpendicular pe planul nucleului (electroni neparticipanţi) molecula de apă are structură tetraedică – nucleul de oxigen este n centru.
Molecula de apă poate forma legături coordinative, punţi de O2 cu alte molecule. Fiecare moleculă de apă se poate lega coordinativ cu alte patru molecule formnd structuri spaţiale (ex: gheaţa).



                                               
                  Figura nr. 1 – Structura moleculară a apei / desenată
Cei 10 electroni ai moleculei de apă sunt sistribuiţi astfel: doi electroni ai oxigenului pe primul strat – se găsesc n permanenţă n apropierea nucleului; 8 electroni de valenţă gravitează pe nişt orbite eliptice alungite.
    Două perechi de electroni se află pe orbitr axate pe direcţiile O-H. Aceştia sunt elctroni care formează legături covalente.
Alte două perechi de elctroni gravitează pe două orbite situate perpendicular pe planul nucleului, molecula de apă are structură tetraedrică – nucleul de oxigen este n centru.
    Legătura dintre atomul de oxigen şi atomii de hidrogen n molecula de apă este o legătură covalentă cu caracter parţial ionic (40%) care confera oxigenului o ncărcare electrică negativă şi hidrogenului o ncărcare electrică pozitivă. Comportarea electrică a moleculei de apă este n acest caz dipol.
    ntre moleculele de apă vecine se formează legături de hidrogen , fiecare moleculă putnd forma două legături de hidrogen.
    Datorită configuraţiei dipolare a moleculei de ap se crează n jurul său un cmp electrostatic intens ceea ce permite legarea cu alte molecule de apă vecine prin legături de hidrogen. Ruperea legăturilor intermoleculare se face cu un consum de energie proporţională cu intensitatea legăturilor intermoleculare.
                        
            Figura nr. 2 – Legătura de hidrogen - desenat
                  

    Modele de structură a gheţii şi apei lichide

    Apa se găseşte n natură n cele trei stări de agregare: solidă, lichidă şi gazoasă. Fiecare din cele trei stări prezintă particularităţi de structurare datorită caracterului dipolar a moleculei de apă şi a legăturilor de hidrogen pe care această moleculă le poate realiza.
    
Starea gazoasă

    Cu ajutorul difracţiei cu raze X pe cristale de gheaţă s-a demonstrat că moleculele de apă sunt dispuse n structură spaţială tetraedrică.

                            
                    Figura nr.3 – Structura tetraedrică a apei solide -desenat


    Această structură este destul de goală, avnd o densitate calculată de aproximativ 0,9g/cm3.
    Un cristal de gheaţă este format din mai mulţi tetraedri dispuşi spaţial care conferă stabilitate dar şi o structură suficient de goală.
    Prin topirea gheţii forma tetraedrică se modifică, pentru modificarea configuraţiei fiind necesară căldura latentă de topire. Distrugerea configuraţiei de cristal se face ca unele spaţii din acest cristal să fie ocupate de alte molecule de apă ceea ce explică creşterea densităţii apei spre 4C cnd densitatea este maximă de 1g/cm3. odată cu creşterea temperaturii peste 4C apare o agitaţie termică suficient de mare ce determină micşorarea densităţii moleculelor de apă peste această temperatură.
    Pentru ca o moleculă de apă să ingheţe ea trebuie să cedeze mediului 1,44kcal ştiut fiindcă energia legăturilor de hidrogen pentru gheaşă este de 10kcal/mol. Din acest bilanţ energetic se poate deduce că aproximativ 15% din legăturile de hidrogen se rup atunci cnd gheaţa se topeşte. Concluzia dedusă de aici este că apa conţine ncă 85% legături de hidrogen după dezgheţare deci configuraţie spaţială de gheaţă.
    Pauling propune o formă de „cuşcă” caracteristică pentru apa pură. n această configuraţie o moleculă de apă liberă este nconjurată de 20 de molecule de apă legată prin legături de hidrogen. Această structură poartă numele de clatrat, fiind specifică pentru apa la 4C.
    n interiorul celulei avem:
    apă de hidratare pe macromolecule
    apă legată cu rol specific de structuralizare a macromoleculelor ct şi de structuralizarea a apei de către aceste macromolecule n diversele lor configuraţii spaţiale.
Apa legată are proprietăţi specifice faţă de apa normală.
Datorită forţelor electrostatice generate de legătura de hidrogen ct şi de cuplareaa dintre moleculele de apă n apropierea unor macromolecule care şi modifică structura prin modificarea funcţiei sale speciale.
                                        

                       Figura  nr. 4 – Structura de clatrat -dsenat


Straturile macromoleculare pot fi n număr limitat datorită forţelor de interacţiune dintre ele.
Primul strat faţă de macromoleculă este mai legat, cu o mobilitate scăzută iar stratul II şi III fiind cu forţe de legătură mai scăzute.
Nu trebuie confundată n totalitate apa legată de apa de hidratare.
Apa citoplasmatică:
    rezistă la hidratare;
    nu ngheaţă chiar la - 20 C;
    nu are proprietăţile obişnuite de solvent la cristaloizi;
    nu este transferată prin membrane n schimbul osmotic dintre celule şi mediul extern;
    formare de cristali hidraţi – moleculele hidrofobe, n momentul dizolvării n apă, crează o cavitate, devenite molecule interstiţiale n structura de clatrat (cazul gazelor hidrocarburice – metan – sau al unor anestezice);
    formare de reţele de apă n apropierea macromoleculelor prin structurarea apei pe aceste macromolecule (exemplu: colagenul cu molecule de apă n formă de reţea);

Apa ca mediu dispersant, dizolvant şi ionizat

    Molecuele polare de apă determină n jur un cmp electric intens ceea ce implică ca apa să fie un foarte bun solvent.Apa este mediu dispersant al particulelor coloidale n care se desfăşoară procesele biofizice şi biochimice ale metabolismului celular.
Apa rupe coeziunea macroscopică a substanţelor dizolvate.
Dispersia substanţelor dizolvate prin interacţiune dintre dizolvant şi dizolvat se numeşte solvare n cazul dizolvantului şi hidratate n cazul apei.
Substanţele macromoleculare organice şi macromoleculare nedisociabile dispersează n apă datorită existenţei n molecula lor a legăturilor hidrofobe.
Solubilitatea lor depinde de numărul de legături hidrofobe raportate la greutatea moleculară a substanţelor (glucoza, uree).
Datorită ε = 80 (constantă dielectrică a apei) electroliţii induşi n apă disociază.
Prezenţa acizilor (donori de protoni) sau bazele n apă (acceptori de protoni) modifică pH – ul soluţiei care variază ntre 14 şi 0.


Apa n sisteme biologice


Organismul viu se prezintă ca un sistem de apă brodat cu proteine , lipide, glucide şi alte molecule şi macromolecule. n mediul apos, o apă cu un mare grad de structuralizare,  au loc toate reacţiile importante.
Toate membranele sunt tapetate cu straturi foarte subţiri de apă fixate foarte bine de acestea şi formează o structură semicristalină.
Se presupune că o mare importanţă n rezolvarea multor probleme medicale este cea a structurii apei din interiorul ţesuturilor.
Procentajul reprezentat de apă este legat de activitatea metabolică.
Dentina, cu cel mai redus metabolism din corp, conţine doar 10% apă.
n cazul uni ţesut malign are loc creşterea ponderei apei datorită tranziţiei de la metabolismul aetob la cela anaerob. Prin metode de rezonanţă magnetică nucleară se poate determina procentul protonilor ( implicit al apei) dintr –un ţesut. O creştere peste un anumit nivel indică o tumoare sau edem.
Apa este matricea vieţii. Constituie solventul universal att n mediul interstiţiar ct şi n cel intracelular. Este mediul de transport al substanţelor de la un organ la altul. Este mediul de aliminare al produşilor de dezasimilaţie, de dispersie. Este necesară n reacţia de hidroliză. Este tampon pentru variaţiile de temperatură. Degajarea de temperatură prin evaporare şi rol de termostat prin căldură specifică mare. n organismele vii apa se găseşte n procente diferite n funcţie de specie şi gradul de dezvoltare ontogenetică. La organismele superioare există apei se poate clasa astfel după locul n care se află n raport cu celula. Apa intracelulară: 70% din total. Apa extracelulară 30%  - interstiţial 20% si apa circulantă (vasculară) – 7%. După distribuţia n ţesuturi apa tisulară şi extratisulară este reprezentată de umorile apoase, silicoase, lichid cefalorahidian şi snge. După interacţia cu macromolecule biologice apa poate fi liberă sau legată (structurată). După provenienţa n organism apa poate fi exogenă sau endogenă.
Cantitatea de apă n ţesuturi depinde de coeficientul lipocitic; raportul dintre cantitate de colesterol hidrofil şi cantitatea de acizi graşi hidrofobi. Cu ct un organ sau ţesut este sediul unor procese metabolice intense cu att conţinutul de apă este mai mare.
Deoarece anabolismul scade cu vrsta se constată si o scădere a procentului de apă cu vrsta: nou – născut → 76 – 80%; femei 60 – 80 ani → 56 – 60%.
O distribuţie a apei:
•    Păr – 4%
•    Dentină – 10 - 9%
•    Schelet şi şesut adipos – 30%
•    Cartilaj – 50%
•    Substanţă albă – 70%
•    Substanţă cenuşie - 85%
•    Ficat - 75%
•    Muşchi - 76%
•    Cord 77%

1 •    Plămn – 81 %
•    Plasmă - 93%
•    Ţesut embrionar - 97%

Modificările structurii apei n prezenţa solviţilor

Solvitul micşorează gradul de ordonare a moleculei de apă, similar cu creşterea temperaturii. Apa se dispune concentric n jurul ionilor formnd primul şi al 2 lea strat de hidratare. Moleculele hidrofobe creează cavităţi n apă şi devin molecule interstiţiare.

Proprietăţi fizice particulare ale apei şi implicaţiile lor n biologie

1.    Căldura specifică a apei (4,2 J/kgK) foarte mare fată de oricare substanţă solidă sau lichidă.
    permite o stabilizare a temperaturii n diversele procese biologice;
    căldura produsă n travaliu muscular sau n procesele energetice apărute n metabolism
2.    Conductibilitatea termică (0,59 sec-1cm-1k-1 la 20C) mai mare ca altele lichide permite un „amortizor şi transport termic” n vederea evacuării căldurii n jurul membranelor sau altor structuri care nu poate fi evacuată prin circulaţie de lichide.
3.    Densitatea
Creşterea spre 4C a densităţii apei permite supravieţuirea n apă cu gheaţă, la suprafaţa a peştilor. Constanta dielectrică explică capacitatea mare de ionizare a substanţei dizolvate. Punctele de topire la 0C şi fierbere la 100C permit un interval mare n care proprietăţile apei se schimbă foarte putin. Coeficientul de difuziune ce reprezintă cantitatea de substanţă ce difuzează printr-o suprafaţă de 1cm2/sec permite difuziunea liberă a substanţei existente n lichidele biologice. Coeficientul de viscozitate mic permite o deplasare a straturilor apei n mod liber aproape fără frecare şi consum de energie. Coeficientul de tensiune superficială scade cu creşterea temperaturii datorită agitaţiei termice şi ruperii legăturii de hidrogen.
 


Rolul şi proprietăţile fizice ale apei n termoreglare

Omul = homeoterm (tcorp = constantă) – n ciuda variaţiilor de temperatură ale mediului sau ale proceselor biologice cu caracter energetic. Pentru a menţine constantă temperatura este necesară existenţa unui sistem de termoreglare. Aportul apei n termoreglare trebuie studiat n condiţiile:
1.    n zona de confort termic (t = 25C)
2.    la temperatură inferioară neutralităţii termice
3.    la temperatură superioară neutralităţii termice
4.    n condiţii extreme de cald şi rece
La temperatură mai joasă de confortul termic este necesar aportul de calorii → termogeneză, iar la temperaturi mai ridicate este necesar o pierdere de căldură → termoliză.
    Căldura specifică ridicată a apei explicată prin caracterul puternic asociat al hemoglobinei de hidrogen, organismele vii pot primi cantităţi mari de căldură din afară sau din interior fără a-şi ridica temperatura proprie.
    Un adult are 65% apă n 70 kg de corp. Deci un aport de 45000 de calorii ridică un 1C o masă de apă de 45kg. Sistemul metabolic produce pe zi 2500kcal. Apa termostatează ridicarea temperaturii prin:
    conductibilitate termică care ndepărtează hipertermiile locale;
    căldura latentă de evaporare care permite prin evaporare pulmonară şi cutanată o pierdere importantă de căldură de către corp.

Rolul evaporării pulmonare n termoreglare

Un adult elimină prin plămn 300 – 400 g apă la 24 de ore. Hiperemia mediului ambiant antrenează o polipnee termică capabilă să crească eliminarea pulmonară a apei.
Evaporarea cutanată se face prin două mecanisme:
a.    perspiraţie insensibilă – este difuziunea invizibilă a vaporilor de apă sau a lichidului intracelular prin straturile cornoase ale epidermei. Prin acest mecanism se pierd 600 – 800 cm3H2O/zi
b.    sudaţie – este eliminarea prin piele a unui lichid de excreţie(sudaţia exocrină - adevărată). Prin acest mecanism se elimină pe zi ntre 1L şi 1,5L n climat temperat. La temperaturi ridicate se ajunge pnă la 20 – 25L/zi. Eficacitatea sudaţiei este legată de viteza de evaporare care depinde de suprafaţa pielii udate, de tensiunea de vapori la temperatură considerată.

Apa n reacţiile biochimice

Apa participă la hidroliză enzimatică; reacţii de oxidoreducere; biosinteză prin deshidratare, biosinteză proteinelor.

Apa grea

n 1932 Urez observă că rezidurile bacurilor de electroliză au greutate mai mare dect apa obisnuită. Atunci a descoperit apa grea care se obţine prin electroliză la tensiuni mari.
Proprietăţi fizice:
    are greutatea maximă la 11,6C faţă de 4C apa normală;
    punctul de topire este la 3,802C;
    punctul de fierbere este la 101,42C n condiţii normale de presiune;
    coeficientul de viscozitate este de 12,6 milipoise:
    apa de poate marca cu apa grea pentru studiul metabolismului, metoda  se foloseşte n spectografia de masă sau retracţie;
        Acţiunea apei grele n organism este de a ncetini metabolismul; inhibă diviziunea celulară; aboleşte parţial capacitatea de conducere a influxului nervos; inhibă transportul activ şi contracţia musculară.
    Aceste modificări se explică prin structuralizarea modificată a apei grele; realizarea n celulă a unor complexe apă – proteină mai stabile. La nlocuirea apei cu apă grea se generează modificări profunde n funcţia miocardului, forţa de contracţie scade iar timpul de latenţă creşte.

        Apa celulară şi intracelulară

        Forţele care menţin apa intracelulară (osmotice) acţionnd prin membrane. Apa intracelulară reprezintă 55% din greutatea organismului. Apa extracelulară este reprezentată de fluidul interstiţial şi fluidele circulante. n interiorul celulei există apă de hidratare pe macromolecule şi apă legată cu rol specific de structuralizare a macromoleculelor ct şi fenomen invers.
    Apa celulară are o serie de proprietăţi diferite de apa obişnuită att din cauza dimensiunilor domeniior cu aspecte chimice distincte pe care le ocupă n celulă precum şi faptului că solviţii au momente electrice de dipol puternice ce contribuie la organizarea clusterilor.
Apa celulară are o serie de caracteristici precum.
-    rezistenţă neobişnuită la liofilizare
-    nu ngheaţă nici la – 20 grade celsius
-    nu are proprietţi normale de sovatare ale cristaloizilor
-    nu poate fi transferată osmotic prin memebrana celulară
        Datorită forţelor electrostatice generate de legătură de hidrogen ct şi de cuplarea dintre moleculele de apă n apropierea unor macromolecule putem vorbi de straturi monomoleculare de apă n apropierea macromoleculelor, straturi care şi modifică structura prin modificarea structurii macromoleculelor. Straturile monomoleculelor pot fi limitate datorită forţei de interacţiune dintre ele.
        Primul strat faţă de macromoleculă este mai legat avnd o mobilitate scăzută faţă de stratul 2 şi 3 care au forţa de legatură mai mică.
        Proprietăţile apei citoplasmatice:
    rezistă la deshidratare;
    nu ingheaţă;
    nu are proprietăţi obişnuite de solvent pentru cristaloizi;
    nu este transferată prin membrană n schimbul osmotic dintre celule şi mediul extern.
Aceste proprietăţi caracterizează apa legată = apa fixată, necongelabilă, nesolvantă, intransferabilă, osmotic. n ţesuturile animale aproximativ 5 – 10% din apa tisulară este apa legată.
Pentru determinarea structuralizării apei este rezonanţa magnetică nucleară şi tomografia de rezonanţă magnetică nucleară care da imaginea structuralizată apei corelată cu modificările funcţionale sau patologice ale diverselor structuri.



Compatibilitatea apei n organism

Apă intracelulară reprezentnd locul reacţiilor metabolice. Apă extracelulară constituie mediul nconjurător fiecărei celule; este conţinut fluidul circulant şi interstiţial.
Pentru evidenţierea diferitelor compartimente pot fi utilizate metode de diluţie, colorare sau izotopi radioactivi. Concentraţia substanţei test variază ntre compartimente n funcţie de timp printr-o lege multiexponenţială.
Metoda analizei compartimentale este generală att pentru determinarea compartimentării apei ct şi pentru studiul medicamentelor.

Proprietăţile biofizice ale apei

1.    Căldura speciffică a apei (4,2 J/kgK) foarte mare faţă de oricare substanţă solidă sau lichidă permite o stabiliyare a temperaturii n diversele procese biologice (ex. căldura produsă n travaliul muscular sau n procesele energetice apărute n metabolism)
2.    Conductibilitatea termică (0,59 sec-1cm-1k-1 la 20C) mai mare ca altele lichide este un „amortizor şi transport termic” n vederea evacuării căldurii n jurul membranelor sau altor structuri care nu poate fi evacuată prin circulaţie de lichide.
3.    Căldura latentă de vaporizare (2,43 J/kg la 37C) este mult mai amre ca la alte lichide fiind un factor determinant şi favorizant n homeotermie
4.    Densitatea: creşterea la 4C a densităţii permite supravieţuirea n apa cu gheaţă la suprafaţă a peştilor.
5.    Constanta dielectrică ε = 78,5 la 25C explică capacitatea mare de ionizare a substanţelor dizolvate n apă
6.    Punctele de topire 0C şi fierbere la 100C permit o plajă mare n care proprietăţile apei se schimbă putin
7.    Coeficientul de difuziune (2.4.10-4 cm2/s) reprezintă cantitatea de substanţă care difuzează printr-o substanţă de 1cm2 intr-o secundă. Permite difuziunea liberă a substanţelor existente n lichidele biologice
8.    Coeficientul de viscozitate este mic ceea ce permite o deplasare a straturilor apei n mod liber fără o frecare şi consum de energie ntre ele
9.    Coeficientul de tensiune superficială 75,6.10-3 N/m la 0C scade cu creşterea temperaturii, prin ruperea legăturilor de hidrogen şi agitaţia termică.
Datorită proprietăţilor fizice şi chimice excepţionale, apa poate ndeplini n organism o serie de funcţii:
-    solvent universal
-    reactant n reacţiile de electroliză
-    agent de dispersie
-    produs final al reacţiilor de oxidare şi condensare
-    vehicol de transport pentru oxigen, nutrienţi şi hormoni n fluidele circulante ( de exemplu: săngele, limfa)
-    lichi de flotaţie pentru anumite celule libere ( leucocite, eritrocite, etc)
-    instrument de aliminare a toxinelor ( transpiraţia, urina,etc.)
-    tampon termic datorită marii sale călduri specifice
-    protector mecanic al structurilor sensibile ( sistemul nervos central, fătul)

Importanţa apei n lumea vie

Apa reprezintă cadrul molecular al proceselor vieţii.
Este :
-    solventul universal al substanţei vii
-    unul din reactanţii reacţiei de fotosinteză prin care energia radiaţiei solare este convertită n energie biochimică
-    componentă in anumite reacţii biochimice din interiorul celulelor
-    mediul de transport a ionilor, moleculelor, macromoleculelor şi al celulelor de la un organ la altul
-    suprtul prin care se face eliminareaproduşilor toxici n afara organismului
-    mediu de flotaţie a celulelor libere din plasmă
-    agenr de protecţie n cazuş şocurilor mecanice a embrionului fătului şi a sistemului nervos
-    esenţială n procesele de termoreglare la animalele homeoterme

Prin faptul că viaţa este att de condiţionată de apă, acest lichid, att de comun, are proprietăţi cu totul şi cu totul remarcabile.





De reţinut:
-    modele de structură a apei
-    structura de clatrat
-    rolul apei n sisteme biologice
-    proprietăţile biofizice ale apei
-    caracteristicele apei celulare
-    compatibilitatea apei n organism

Referat oferit de www.ReferateOk.ro
Home : Despre Noi : Contact : Parteneri  
Horoscop
Copyright(c) 2008 - 2012 Referate Ok
referate, referat, referate romana, referate istorie, referate franceza, referat romana, referate engleza, fizica