1

2. Biochemia - woda

Woda ma dziwnie wysoką temperaturę topnienia i wrzenia

lód

woda

para

Wiązania wodorowe łączą cząsteczki wody

Ponieważ woda rozszerza się w czasie zamarzania, lód ma
mniejszą gęstość w stanie stałym niż woda

Kohezja między cząsteczkami wody jest przyczyną wysokiego

napięcia powierzchniowego

Nartnik porusza się po powierzchni wody

Woda jest słabym kwasem. Cząsteczki wody są w

ograniczonym stopniu zdysocjowane

H

2

O

H

2

O

OH

-

H

3

O

+

H

2

O

H

+

+ OH

-

2

Struktura cząsteczki wody

wiązanie wodorowe:
0.177 nm

wiązanie kowalencyjne:
0.0965 nm

Dodatnie i ujemne ładunki w cząsteczce wody

Dodatnie i ujemne ładunki w cząsteczce wody

Wiązania wodorowe w krysztale lodu

Kiedy lód się topi i woda wyparowuje, następuje pochłanianie ciepła

H

2

O (stałe)

→

→

→

→

H

2

O (ciekłe)

∆∆∆∆

H = +5.9 kJ/mol

H

2

O (ciekłe)

→

→

→

→

H

2

O (gaz)

∆∆∆∆

H = +44.0 kJ/mol

∆∆∆∆

G =

∆∆∆∆

H - T

∆∆∆∆

S

G: wolna energia
H: entalpia (opisuje ilość i rodzaj wiązań chemicznych)
T: temperatura
S: entropia (opisuje stopień uporządkowania)

Proces odbywa się spontanicznie tylko wtedy, gdy

∆∆∆∆

G jest ujemna.

∆∆∆∆

H > 0 ⇒

⇒

⇒

⇒ T

∆∆∆∆

S >

∆∆∆∆

H

Wzrost entropii jest siłą, która powoduje topienie sie lodu
i parowanie wody.

Wiązanie wodorowe w układach biologicznych

3

Wiązanie wodorowe w układach biologicznych

Silne i słabe wiązania wodorowe

silne

słabe

Wiązanie wodorowe jest najsilniejsze, gdy 3 atomy biorące
w nim udział znajdują się w linii prostej.

Cząsteczki polarne i niepolarne

Woda jako rozpuszczalnik

kryształy NaCl

uwodniony
jon Na

+

uwodniony
jon Cl

-

orientacja
cząsteczek H

2

O

W czasie rozpuszczania kryształu entropia wzrasta

Niepolarne gazy słabo rozpuszczają się w wodzie

Nasycone i nienasycone kwasy tłuszczowe

4

Niepolarne związki wytwarzają energetycznie niekorzystne zmiany

w strukturze wody

polarna
„głowa”

niepolarny
rdzeń

cząsteczki wody
tworzą klatkę
wokół hydrofobowego
rdzenia

Każda cząsteczka lipidu
zmusza otaczające ją
cząsteczki H

2

O

do przyjęcia wyżej zorganizowanej
struktury.

Entropia maleje!

∆∆∆∆

S < 0 ⇒

⇒

⇒

⇒

∆∆∆∆

G > 0

Lipidy tworzą „pęczki”,
które wymagają mniejszej ilości
cząsteczek wody

Micele: wszystkie hydrofobowe
fragmenty cząsteczek
znajdują się wewnątrz.

Entropia wzrasta.

Usunięcie cząsteczek wody działa na korzyść
związania substratu przez enzym

uporządkowane
cząsteczki wody
oddziałujące z
substratem
i enzymem

nieuporządkowane
cząsteczki wody

oddziaływania enzymu z substratem
stabilizowane przez wiązania wodorowe,
jonowe i hydrofobowe

Usunięcie cząsteczek wody działa na korzyść
związania substratu przez enzym

5

4 typy niekowalencyjnych oddziaływań między biocząsteczkami

w roztworze wodnym

wiązanie wodorowe

między neutralnymi grupami

między wiazaniami peptydowymi

oddziaływania jonowe

przyciąganie

odpychanie

oddziaływania hydrofobowe

siły van der Waalsa

dowolne 2 atomy
w bliskim sąsiedztwie

Siły van der Waalsa to słabe oddziaływania miedzyatomowe

Przeskakiwanie protonów

Osmoza: przenikanie wody przez przepuszczalną błonę

czysta woda

roztwór soli

błona

tłok: siła=cisnienie osmotyczne

Ciśnienie osmotyczne: siła niezbędna do przeciwstawienia się
przenikaniu wody przez błonę

Π

Π

Π

Π

= icRT

i: stała van’t Hoffa
c: stężenie
R: stała gazowa
T: temperatura

ic: osmolarność

Roztwory o takiej samej osmolarności są

izotoniczne

.

Roztwór o niższej osmolarności jest

hipotoniczny

.

Roztwór o wyższej osmolarności jest

hipertoniczny

.

Komórki w roztworach izotonicznych, hipotonicznych i hipertonicznych

roztwór izotoniczny

roztwór hipertoniczny

roztwór hipotoniczny

woda

woda

woda

woda

6

Przykład osmozy: chwytanie owadów przez rosiczkę.
Zamykanie liści jest spwodowane przez zmiany ciśnienia osmotycznego
w liściach, spowodowane przez uwolnienie jonów K

+

przez owada.

Składanie liści przez mimozę pod wpływem wiatru:
wiatr powoduje uwolnienie jonów K

+

, co powoduje zmianę ciśnienia

osmotycznego

Czysta woda jest słabo zjonizowana

H

2

O

↔

↔

↔

↔

H

+

+ OH

-

Wolne protony nie występuje w roztworze, tylko tworzą jony hydroniowe:

H

3

O

+

Przenoszenie jonu H

+

jest bardzo szybkie

Stała równowagi reakcji

A + B

↔

↔

↔

↔

C + D

K

eq

=

[C][D]

[A][B]

jonizacja wody:

H

2

O

↔

↔

↔

↔

H

+

+ OH

-

K

eq

=

[H

+

][OH

-

]

[H

2

O]

ponieważ mol H

2

O to 18 g, więc stężenie molowe wody to 55.5 mol/l

K

eq

=

[H

+

][OH

-

]

55.5 M

(55.5 M) (K

eq

) = [H

+

][OH

-

] = K

w

(iloczyn jonowy wody)

K

eq

= 1.8 x 10

-16

M

K

w

= [H

+

][OH

-

] = (55.5 M)(1.8 x 10

-16

M) =

1.0 x 10

-14

M

2

[H

+

] = [OH

-

] = 10

-7

M

pH = log 1/[H

+

] = - log[H

+

]

7

Skala pH

Skala pH

zasadowy

kwaśny

wybielacz

amoniak

roztwór sody do pieczenia
(NaHCO

3

)

woda morska, białko jaja

krew, łzy

mleko, ślina

czarna kawa

piwo
czerwone wino

Coca-cola

sok z cytryny
sok żołądkowy

Kwasy jedno- wielozasadowe

Miareczkowanie kwasu octowego

Miareczkowanie kwasu octowego, fosforowego i amoniaku

Kwas octowy jako bufor

8

Histydyna też działa jako bufor

Słabe kwasy i zasady mają charakterystyczne stałe dysocjacji (K

a

)

CH

3

COOH = H

+

+ CH

3

COO

-

HA = H

+

+ A

-

K

eq

= = K

a

[H

+

][A

-

]

[HA]

pK

a

= log 1/K

a

= -logK

a

Enzymy mają różne optymalne pH

Węglan jako system buforujący krew

faza ciekła
(krew)

faza gazowa
(płuca)

Woda jako reagent: hydroliza

02. Biochemia - woda

Tematy do zapamiętania

1. Budowa cząsteczki wody, rola wiązań wodorowych.
2. Osmoza, ciśnienie osmotyczne.
3. Skala pH.
4. Bufory.
5. Stała dysocjacji.