Apa în Sistemele Biologice

Apa este cea mai importanta substanta necesara vietii. Datorita structurii si interactiilor sale

moleculare, apa prezinta proprietati unice, de care organismele vii depind într-un mod complex si

ireversibil. Organismele vii contin apa în proportie de cel putin 50%. In mediul extracelular, factorii

nutritivi sunt dizolvati în apa, fapt ce le permite sa traverseze membranele celulare, iar în interiorul

celulelor, mediile în care se desfasoara numeroase reactii chimice sunt medii apoase, care permit de

asemenea aparitia unor fluxuri de substanta în interiorul celulei. La temperatura normala a

organismului, apa se afla în stare lichida, ceea ce îi confera caracterul de complexitate si dinamism,

spre deosebire de starea solida, în care libertatea miscarilor moleculare este extrem de limitata, sau

fata de starea gazoasa, în care gradul de complexitate este redus, datorita dezordinii moleculare

specifice acestei stari.

1. Structura moleculei de apa

Molecula de apa (H2O) este alcatuita din doi atomi de hidrogen si un atom de oxigen. In

molecula izolata de apa, atomul de oxigen formeaza legaturi covalente cu cei doi atomi de hidrogen,

distanta dintre nucleul O si un nucleu H fiind de cca. 0,97 Å, iar unghiul format de cele doua

legaturi O-H este de 104,5º.

Configuratia electronica a hidrogenului este 1s1, iar cea a oxigenului 1s2 2s2 2p4. Dintre cei 4

electroni de pe patura 2p a oxigenului, doi au spinul compensat si completeaza un orbital atomic, iar

ceilati doi ramân cu spinul necompensat, pe doi orbitali atomici diferiti (Un orbital electronic,

atomic sau molecular, nu poate avea decât cel mult doi electroni, care trebuie sa aiba spinul de semn

opus). Ca urmare, cei 10 electroni ai moleculei de apa se distribuie astfel:

- doi electroni proveniti de pe orbitalul 1s al atomului de oxigen (cel mai apropiat de nucleul O)

completeaza orbitalul molecular 1a1; acest orbital corespunde primului nivel energetic al moleculei

de apa si este sferic, centrat pe nucleul de oxigen;

- doi electroni proveniti de pe orbitalul O2s completeaza orbitalul molecular 2a1; acesta este

aproximativ sferic, centrat pe nucleul de oxigen, dar usor deformat datorita influentei electronilor

H1s;

- doi electroni proveniti de pe orbitalul complet O2p corespund orbitalului molecular 1b1, care este

orientat perpendicular pe planul moleculei; acest orbital nu este deformat de ceilalti electroni;

- ceilalti doi electroni 2p ai oxigenului completeaza, fiecare împreuna cu câte un electron 1s al

hidrogenului, doi orbitali moleculari, 1b2 si 3a1, formând astfel doua legaturi covalente O-H. Acesti

2

doi orbitali sunt orientati perpendicular unul pe celalalt, dar ambii prezinta simetrie fata de planul

moleculei.

Electronii de pe orbitalii moleculari 1a1 si 1b1 nu participa la legaturile O-H; de aceea se

mai numesc electroni neparticipanti. Electronii O2s participa si ei într-o mica masura la legaturile

O-H, deoarece orbitalii atomici O2s si H1s se suprapun partial; de aceea, orbitalul molecular 2a1

participa si el la formarea legaturilor O-H. Totusi, orbitalii moleculari care au contributia dominanta

la formarea legaturilor O-H sunt 1b2 si 3a1.

Configuratia electronica a moleculei de apa este (1a1)2 (2a1)2 (1b2)2 (3a1)2 (1b1)2.

Atomul de oxigen atrage cei doi nori electronici ai atomilor

de hidrogen (care initial au simetrie sferica în jurul

nucleului H) si îi descentralizeaza, lasând atomii H cu o

sarcina partiala pozitiva. Ca urmare, apare o densitate de

sarcina electrica negativa în jurul nucleului de oxigen si o

densitate de sarcina pozitiva în jurul nucleelor de hidrogen,

ceea ce determina molecula de apa sa se comporte ca un

dipol electric permanent. Un dipol electric este o pereche

de sarcini electrice egale în modul, dar de semn opus, aflate

la o anumita distanta (relativ mica) una de cealalta. O

molecula are proprietatile unui dipol electric daca centrul

distributiei sale de sarcini pozitive nu coincide spatial cu

centrul distributiei de sarcini negative.