Oddziaływania międzycząsteczkowe:

Każda emisja lub absorpcja energii promieniowania odpowiada przejściu elektronu pomiędzy orbitami stacjonarnymi.

hv=E₁-E₂

gdzie h-stała Plancka, v- częstotliwość, E₁ i E₂ energie układu w obu stanach stacjonarnych.

Cząsteczki.

Cząsteczka powstaje tylko wtedy gdy energia cząsteczki jest mniejsza od sumy energii poszczególnych atomów w stanie swobodnym. O trwałości stanowi minimum energii potencjalnej takiego układu.

Siła oddziaływań.

• Energia wiązania wewnątrzcząsteczkowego jest około 100 krotnie większa od energii wiązań międzycząsteczkowych.

• Oddziaływania międzycząsteczkowe są dużo słabsze niż wewnątrzcżąsteczkowe.

Prawie wszystkie własności materii określone są przez charakter tych oddziaływań.

Cząsteczki, nawet pozbawione ładunku elektrycznego, oddziałują między sobą. Dzięki tym oddziaływaniom możliwe jest istnienie cieczy i większości ciał stałych.

Wyróżniamy dwa rodzaje oddziaływań międzycząsteczkowych:

1. Przyciąganie

2. Odpychanie (na bardzo małych odległościach)

Oddziaływania międzycząsteczkowe:

1. Siły elektrostatyczne

2. Wiązania wodorowe

3. Siły van der Waalsa

4. Oddziaływania hydrofobowe

Siły elektrostatyczne.

- przenikalność elektryczna ośrodka;

- względna przenikalność elektryczna ośrodka;

- przenikalność elektryczna próżni.

Elektroujemność.

Zdolność uzupełniania do trwałej powłoki przez przyłączenie elektronu.

• Im wyższa elektroujemność tym silniejsze przyciąganie elektronów przez atom.

• Najwyższą elektroujemność (4) ma atom fluoru.

Pierwiastek; Elektroujemność

• Fluor 4,0

• Tlen 3,5

• Chlor 3,0

• Azot 3,0

• Brom 2,8

• Siarka 2,5

• Węgiel 2,5

• Wodór 2,1

Cząsteczka wody.

• Jeżeli wiązanie tworzą atomy pierwiastków o równej elektroujemności, to jedno z jąder atomowych przyciąga elektrony z większą siłą niż drugie. Prowadzi to do deformacji chmury elektronowe i nierównomiernego rozłożenia ładunku na cząsteczce. Taką cząsteczkę nazywamy wówczas dipolem i mówimy, że jest ona polarna.

• Duża różnica elektroujemności między tlenem, a wodorem powoduje przesunięcie chmury elektronowe. Ponieważ oba atomy wodoru znajdują się po jednej stronie cząsteczki, jej moment dipolowy jest wysoki, a cząsteczka silnie polarna.

Wiązanie wodorowe.

• Zbliżony charakter do kowalencyjnego, ale energia wiązania jest mniejsza.

• (Atom elektroujemny + wodór) + atom elektroujemny

• Występuje między: cząsteczkami, wewnątrz cząsteczek

Posiada ono bardzo duże znaczenie w układach biologicznych i jest odpowiedzialne za utrzymanie struktury białek, DNA unikalne własności wody.

Warunek powstania wiązania wodorowego

• atom wodoru jest związany w cząsteczce z atomem pierwiastka silnie elektroujemnego, np. tlenem lub azotem

• pomiędzy jądrem wodoru i jakimś innym atomem elektroujemnym może pojawić się przyciąganie elektrostatyczne

Drugorzędowe struktury białek.

Wiązanie wodorowe jest głównym czynnikiem odpowiedzialnym za stabilność konformacji białka i aminokwasów.

Siły Van der Waalsa.

Oddziaływania pomiędzy cząsteczkami obojętnymi elektrycznie i energii E równej:

E=

• orientacyjne- oddziaływania między trwałymi dipolami

• indukcyjne- oddziaływania między dipolami trwałymi i indukowanymi

• dyspersyjne- oddziaływania między cząsteczkami, które nie są dipolami (występują między wszystkimi rodzajami cząsteczek, są silniejsze od oddziaływań indukcyjnych i orientacyjnych, stanowią główny składnik oddziaływań Van der Waalsa)

Siły dyspersyjne pomiędzy dwoma różnymi cząsteczkami mogą być zarówno siłami przyciągania jak i odpychania. Zależy to od rodzaju środowiska, w którym odbywa się oddziaływanie.

Oddziaływania hydrofobowe („nie lubi wody”)

• Substancjami hydrofilowymi są substancje polarne elektrycznie, np. jony.

• Substancjami hydrofobowymi są substancje niepolarne elektrycznie.

Cząsteczki amfifilowe.

Cząsteczki lipidów posiadają charakter amfifilowy, to znaczy że jedna część cząsteczki posiada własności hydrofobowe ("nie lubi wody") natomiast druga własności hydrofilowe ("lubi wodę").

Zachowanie lipidów w kontakcie z wodą.

Błony biologiczne.

Zaliczamy do nich zarówno błony komórkowe jak i błony organelli wewnętrznych. Bez względu na lokalizacje błony zbudowane są w identyczny nieomal sposób.

Funkcje błony biologicznej.

• Odgradzają wnętrze danego przedziału (komórki lub organelli) od środowiska zewnętrznego

• Utrzymywanie różnicy stężeń różnych substancji

• Różnicy potencjałów elektrycznych pomiędzy wnętrzem i otoczeniem komórki

• Kontrolują transport substancji z i do komórki

• Zapewniają przenoszenie informacji pomiędzy wnętrzem a otoczeniem

• Błony niektórych komórek (np. nerwowych) posiadają także zdolność do przetwarzania informacji

• Stanowią strukturalną podstawę w właściwego funkcjonowania wielu enzymów

• Rozpoznawanie obcych komórek

Model płynnej mozaiki

Składniki błon biologicznych:

- lipidy

- białka

- cukry

Lipidy.

Lipidami nazywamy grupę cząsteczek charakteryzujących się bardzo złą rozpuszczalnością w wodzie i dobrą rozpuszczalnością w rozpuszczalnikach niepolarnych (np. chloroformie).

Amfifilowy charakter lipidów.

Cząsteczki lipidów posiadają charakter amfifilowy. W środowisku wodnym spontanicznie grupują się one tak by z wodą kontaktowały się wyłącznie części hydrofilowe.

Frakcja lipidowa.

• Fosfolipidy

• Glikolipidy

• Cholesterol

W błonach komórek przeważającą część frakcji lipidowej stanowią fosfolipidy.

Asymetria błony.

1. Lipidy:

• inny skład chemiczny monowarstw lipidowych

• występowanie domen

Białka:

• Różne białka po stronie wewnętrznej i zewnętrznej błony

• Cukry:

• Występują głównie po zewnętrznej stronie błony

Płynność błon biologicznych.

Dyfuzja boczna wsp. dyfuzji 10^-8 cm^2/s

Czynniki wpływające na płynność błony.

• Temperatura

• Długość węglowodorowych łańcuchów

• Liczba wiązań podwójnych

• Zawartość cholesterolu

• Oddziaływania lipid-białko

• Oddziaływania lipid-lipid

Wpływ temperatury na płynność błon

W określonej temperaturze układ przechodzi ze stanu ścisłego upakowania (żel) do stanu w którym łańcuchy węglowodorowe ulegają pofałdowaniu i tracą uporządkowanie w płaszczyźnie błony (zol).

• Przejście fazowe zachodzi w temperaturze przejścia fazowego.

Wpływ długości łańcuchów węglowodorowych na płynność błon

Im dłuższe łańcuchy węglowodorowe tym wyższa temperatura przejścia fazowego.

Wpływ liczby wiązań podwójnych na płynność błon

Im więcej wiązań nienasyconych tym niższa temperatura przejścia fazowego.

Wpływ cholesterolu na płynność błon

W błonach zawierających lipidy o przewadze wiązań nasyconych- cholesterol zwiększa płynność błony.

W błonach zawierających lipidy o wiązaniach nienasyconych- cholesterol zmniejsza płynność błony.

Główne cechy modelu płynnej mozaiki

• Niezależne występowanie białek integralnych i powierzchniowych

• Asymetria rozmieszczenia lipidów i białek

• Płynność

Transport przez błony biologiczne.

• Transport błonowy

• Pojedynczych substancji- uniport

• Dwóch substancji w tym samym kierunku- symport

• Dwóch substancji w przeciwnych kierunkach- antysport

Rodzaje transportu:

1. Bierny:

W tym transporcie nie jest wykorzystywana energia pochodząca z procesów metabolicznych.

2. Aktywny:

Jest to transport wykorzystujący energię pochodzącą z procesów metabolicznych.

Transport bierny

• Dyfuzja prosta

Spontaniczny transport substancji wywołany różnicą stężeń w różnych punktach obszaru zajmowanego przez tę substancję.

Dyfuzja prosta przez błonę.

j=P*(c_z-c_w)

j- strumień substancji przechodzącej przez warstwę

P- przepuszczalność błony

c_z i c_w - stężenie substancji odpowiednio na zewnątrz błony i w cytoplazmie

W ten sposób przenikają do wnętrza komórki:

• Substancje rozpuszczalne w lipidach (lipofilne)

• Gazy: O₂, N₂, CO₂

• Małe, obojętne cząsteczki, np.: mocznik, etanol

• Dyfuzja ułatwiona- transport na nośnikach

W błonach znajdują się białka odpowiedzialne za transport, zwane białkami transportowymi lub nośnikami.

Substancja + nośnik kompleks zmiana konformacji kompleksu substancja + nośnik

W komórkach nabłonka jelita, występuje symport 1 cząsteczki glukozy na 1 jon Na⁺.

W komórkach mięsni, występuje antyport 1jonu Ca²⁺ na 3 jony Na⁺.

W ten sposób przenikają do wnętrza komórki:

• Cukry

• Aminokwasy

• Nukleotydy

Dyfuzja złożona

Oprócz różnicy stężeń, na transport wpływają dodatkowe bodźce:

• Różnica ciśnień hydrostatycznych: filtracja i ultrafiltracja

• Różnica potencjałów elektrycznych: elektrody fuzja

Filtracja- przepływ roztworu pod wpływem różnicy ciśnień hydrostatycznych

Ultrafiltracja- prze pływ substancji rozpuszczonej pod wpływem różnicy ciśnień hydrostatycznych

Filtracja i ultrafiltracja

• Oczyszczanie krwi z wody i niepotrzebnych składników w kłębuszkach nerkowych

• Sztuczna nerka

Elektrodyfuzja

Wyspecjalizowane białka integralne, tzw. kanały jonowe tworzą wypełnione wodą pory, hydrofilowej przestrzeni wewnątrz białka, którymi przez błonę transportowane są jony.

Kanały jonowe

• Posiadające zdolność do kontrolowanego przepuszczania jonów

• Otwierają się lub zamykają w zależności od czynników zewnętrznych

Ze względu na rodzaj czynnika otwierającego (aktywującego) kanały jonowe dzielimy:

• Kanały zależne od napięcia

• Kanały zależne od ligandu (aktywowane chemicznie)

• Kanały aktywowane naprężeniem mechanicznym

Selektywność- zdolność do przepuszczania ściśle określonych typów jonów.

Mówimy więc o kanałach kationowych lub anionowych, a gdy kanały są jeszcze bardziej „wyspecjalizowane” to określamy je jako sodowe, potasowe itd.

• Kanał sodowy oznacza, iż kanał ten najlepiej przepuszcza jony sodu. Oprócz nich, choć znacznie gorzej, mogą przez ten kanał przechodzić także inne kationy.

• Otwieranie kanałów jonowych jest procesem typu „wszystko albo nic”. Tzn., że kanał albo jest zamknięty i nie przewodzi jonów albo jest otwarty i wówczas jego przewodnictwo nie zależy od wielkości czynnika otwierającego.

Gradient elektrochemiczny

Przy maksymalnie otwartych kanałach jonowych wielkość strumienia określonego jonu zależy od gradientu elektrochemicznego, który tworzony jest łącznie przez:

1. Różnicę stężeń tego jonu po obydwu stronach błony komórkowej

2. Istniejącą w danej chwili różnicę potencjałów

---