MOLECULA

MOLECULA

Dupa Lehninger, moleculele din organismele vii, studiate individual, se supun principiilor fizice si chimice obisnuite care guverneaza comportarea materiei inerte, dar studiate in ansamblu, interactioneaza intre ele conform unui alt grup de principii care alcatuiesc logica moleculara a starii vii. Aceste principii nu includ, in mod necesar, legi fizice noi, nedescoperite inca. Mai degraba ele trebuie privite ca un grup de reguli fundamentale care guverneaza natura, functia si interactiile tipurilor specifice de molecule din organismele vii, proprietati ce confera acestora capacitatea de a se autoorganiza, autireplica si autoregla . Este mult mai potrivit sa consideram aceste principii ca axiome deoarece unele dintre ele sint intuitive si nu pot fi demonstrate inca.

Compozitia chimica a materiei vii este calitativ diferita de aceea a mediului in care aceasta se gaseste .

In esenta, organismele vii au in constitutia lor:

ioni de dimensiuni foarte mici (microioni). Dintre acestia citam: Na⁺, K⁺, Cl^_ (implicati indeosebi in excitabilitate), Ca²⁺(implicat in contractia musculara), Mg²⁺ (cu rol in procesul de bioluminiscenta), H⁺( secretat de mucoasa gastrica si generator de tensiuni protonmotrice in anumite microorganisme), HCO₃^- , HPO₄^2- , OH^- .

micromolecule ( neutre sau disociate) : aminoacizi, mononucleotide, monozaharide, acizi grasi, etc.

macromolecule

complexe macromoleculare

Structura fizica a moleculei

Molecula este o grupare de atomi ce formeaza o configuratie stabila datorita fortelor de interactiune dintre ei. Aceste forte de interactiune se numesc forte interatomice. Fortele care se exercita intre molecule poarta numele de forte intermoleculare. Fortele interatomice si intermoleculare deriva din faptul ca toti atomii contin sarcini electrice de semne contrare. Fortele dezvoltate sunt de natura electrostatica.

W_p

r₀

r

Conditiile de formare a moleculei se realizeaza cind fortele de atractie dintre atomi sunt egale cu cele de respingere, iar energia potentiala este minima.

Forte interatomice si intermoleculare

Fortele care actioneaza intre elementele ce formeaza biomolecula se numesc forte intramoleculare ( in interiorul moleculei) sau forte interatomice. Aceste forte se pot masura cu metode specifice, cum ar fi, Rezonanta Magnetica Nucleara, Rezonanta Electronica de spin sau Difractia de raze X.

Fortele interatomice sunt ionice si covalente.

Legatura ionica   este de natura electrostatica. Forta de legatura se poate determina, teoretic, prin legea lui Coulomb :

in care e este constanta dielectrica a mediului in care se gasesc corpurile , iar r distanta dintre ele. Ecuatia se aplica in cazul corpurilor macroscopice. In cazul atomilor si moleculelor legea nu se poate aplica deoarece nu exista constanta dielectrica intre doi atomi. In acest caz apar forte specifice intre atomii constituienti ai unei molecule.

Legatura covalenta este legatura in care doi atomi cedeaza si primesc electroni de valenta formind un nivel electronic stabil. (un atom cedeaza un electron, celalalt atom primeste un electron).

Caracterele generale ale legaturii covalente sunt:

este o legatura de distanta mica. Distanta dintre doi atomi este inferioara razei de interactiune interatomica;

are caracter de saturatie. O data formata legatura dintre doi atomi, perechile electronice nu mai permit alte legaturi;

cristalele covalente sunt foarte dure (diamantul).

In legaturile covalente formate intre atomi diferiti, perechea de electroni de legatura nu este repartizata simetric intre cei doi atomi, ci este atrasa spre atomul mai electronegativ; legatura capata un moment de dipol. Dipolmomentul legaturii va fi cu atit mai mare cu cit diferenta de electronegativitate este mai mare (Z. Simon Biof. Molec., 121).

Legatura coordinativa este o legatura formata din doi electroni pusi in comun . Electronii sunt furnizati de acelasi atom, pentru completarea nivelului energetic extern. Ca exemplu, poate fi luat oxigenul, care poate realiza doua legaturi covalente dar poate fi si receptor pentru o legatura coordinativa.

Legatura metalica este o legatura puternica realizata cu electroni pusi in comun care genereaza si electroni liberi de conductibilitate.

Fortele intermoleculare sunt fortele ce se exercita intre moleculele ce formeaza o structura biologica. Aceste forte sunt mai mici decit fortele intramoleculare, dar efectul lor devine semnificativ datorita numarului mare de interactii de acest fel. Energia mica corespunzatoare acestor forte permite ruperea si formarea lor destul de usor, ceea ce conditioneaza functiile biologice ale biomacromoleculelor.( V.Ghe. Biofiz. manual.)

Fortele intermoleculare apar in urma interactiilor dintre dipoli sau dintre dipoli si ioni.

Dipolul electric

Dipolul electric este un sistem format din doua sarcini electrice egale si de semn contrar, aflate la distanta d una fata de alta.

In biofizica se intilnesc in mod frecvent biomolecule care sunt, din punct de vedere electric, dipoli permanenti. Ex. aminoacizii, proteinele si lipidele au acest caracter datorita distributiei de grupari de sarcina pe suprafata biomoleculelor.

Legatura de hidrogen

Legatura de hidrogen este un caz particular al interactiei dipol-dipol.

O molecula formata dintr-un atom de hidrogen si un atom electronegativ prezinta o legatura covalenta cu caracter partial ionic. Se formeaza un dipol cu sarcina negativa spre atomul electronegativ si sarcina pozitiva spre atomul de hidrogen. Daca in apropierea acestui dipol se gaseste un alt atom, atunci intre atomul respectiv si dipol se realizeaza o legatura determinata de atractia dintre proton si electronii atomului. Legatura formata dintre dipol si atom se numeste legatura de hidrogen.

Legatura de hidrogen are urmatoarele caracteristici:

distanta dintre atomi este foarte mica

energia legaturii de hidrogen este mai mare decit energia legaturii dipol- dipol.

Dipoli indusi

Se considera un atom (sistem neutru din punct de vedere electric) in apropierea caruia se gaseste un ion pozitiv. Ionul va exercita o forta de atractie asupra electronilor si o forta de respingere asupra nucleului atomului. Atomul se va "deforma", adica se produce o usoara separare a sarcinilor pozitive si negative din atom, luind nastere un dipol. Acesta se numeste dipol indus deoarece exista atit timp cit ionul exista in jurul atomului.

Dipoli tranzitorii

In general, intr-un atom sau molecula electronii sunt distribuiti simetric in jurul nucleului. La un moment dat, aceasta simetrie poate sa se modifice, formind un dipol. Deoarece electronii sunt in continua miscare, existenta dipolului este conditionata de probabilitatea asimetriei si distributiei electronice si dureaza atit timp cit dureaza aceasta. Un astfel de dipol se numeste dipol tranzitoriu.

Daca un astfel de dipol se afla in apropierea unei molecule, atunci poate induce in aceasta dipoli a caror orientare si moment sa depinda de dipolul tranzitoriu.

In biomolecule se pot induce multi dipoli tranzitorii si efectul lor fiind cumulativ, fortele dispersive pot avea mare importanta.

STRUCTURA MOLECULEI DE APA SI RELATIA CU PROPRIETATILE FIZICE PARTICULARE

Molecula de apa este formata din doi atomi de hidrogen si un atom de oxigen, legati intre ei prin legaturi covalente.

Lungimea legaturii -O-H ete de 0.99 A iar unghiul de legatura este de 105⁰. Cei 10 electroni ai moleculei de apa sunt distribuiti astfel:

2 electroni ai oxigenului(de pe primul strat) se gasesc in permanenta in apropierea nucleului

8 electroni (electroni de valenta) graviteaza pe orbite eliptice alungite.

H

H

doua perechi de electroni se afla pe doua orbite axate pe directiile -O-H ; acestia sunt electronii ce formeaza legatura covalenta;

doua perechi de electroni graviteaza pe doua orbite situate perpendicular pe planul nucleelor ; se numesc electroni neparticipanti.

Prin urmare, molecula de apa are o structura spatiala tetraedrica, nucleul de oxigen fiind in centrul tetraedrului.

Datorita distributiei asimetrice a sarcinilor , densitatea electronica maxima fiind in jurul atomului de oxigen, molecula de apa este un dipol permanent.

Molecula de apa poate forma legaturi coordinative - punti de hidrogen- cu alte molecule. Fiecare molecula de apa se poate lega coordinativ cu alte 4 molecule, formind structuri spatiale. Puntile de hidrogen stau la baza structurilor supramoleculare, atit in stare solida cit si in stare lichida.

Caracterul dipolar al moleculei de apa, dar in special puntile de hidrogen, explica proprietatile speciale ale apei:

densitate maxima la 4⁰ C

caldura latenta de vaporizare, caldura specifica si conductivitate termica deosebit de mari

constanta dielectrica mare, ceea ce favorizeaza disocierea electrolitica

tensiune superficiala mare.

2.2. STRUCTURAREA MOLECULARA A APEI IN BIOSISTEME

PROPRIETATILE BIOFIZICE ALE APEI

In organismele vii apa se gaseste in procente diferite, in functie de specie si de gradul de dezvoltare ontogenetica.

La organismele superioare apa se poate clasifica astfel:

1.dupa locul in care se afla in raport cu celulele:

-apa intracelulara( 70%)

intestitiala( 23%) 

-apa extracelulara( 30%) circulanta sau vasculara(7%)

2. dupa distributia in tesuturi:

- apa tisulara

- apa extratisulara ( cavitara) : umori apoase, sticloase, LCR, sange

3.dupa interactia cu macromoleculele biologice :

-apa libera

-apa legata sau structurata

4.dupa provenienta in organism :

-apa exogena

-apa endogena

Cantitatea de apa din tesuturi depinde de coeficientul lipocitic care este raportul dintre cantitatea de colesterol (hidrofil) si cantitatea de acizi grasi (hidrofobi).

Cu cit un organ sau tesut constituie sediul unor procese metabolice mai intense, cu atit continutul de apa este mai mare. Deoarece anabolismul scade cu virsta, se constata si o scadere a procentului de apa cu virsta: 76% la nou-nascuti si 46% la femei intre 60 si 80 ani.