Apa în sistemele biologice

1.Introducere

~Apa este originea si matricea vietii~( Albert Szent).

"Apei - a spus marele Leonardo - i-a fost data puterea magica de a deveni seva vietii pe Pamant".

Apa intracelulara, care se gaseste pe planeta in proportie de aproximativ 70%, a fost in centrul mai multor investigatii. Din mai multe motive, proprietatile sale au fost dificil de determinat. Niste metode fizice nu au putut fi aplicate direct in centrul moleculei de apa. O alta problema este interfernta dintre constituenti macromoleculari ai celulei si dintre apa extracelulara. Interpretarea informatiilor este deseori complicata de faptul ca unii lucreaza cu sisteme multicomponente in care exista mai multe tipuri de interactiuni ale apei. Avand in vedere complicatiile de mai sus si natura apei lichide fiind foarte complexa, nu este surprinzator faptul ca diferite concluzii asupra apei intracelulare au fost trase de catre diferiti investigatori. Ar trebui sa ne concentram asupra metodelor care ne ofera informatii asupra proprietatilor fizice ale moleculelor apei in solutii macromoleculare.

O descriere reusita asupra dinamicii si energeticii apei lichide nu este inca disponibila. Cea mai mare dificultate in realizarea acestei descrieri este faptul ca in timp ce interactiunile dintre moleculele de apa sunt suficient de puternice pentru a lega un numar mare de miscari, nu sunt suficient de puternice ca sa permita stari solide. In absenta unui tratament teoretic convingator, mult efort a fost facut pentru a reprezenta lichidul ca un compus al diferitelor molecule agregate.

Apa este diferita de ceilalti compusi organici, datorita unor proprietati indispensabile proliferarii vietii. Este un bun solvent si are o tensiune superficiala ridicata, permitand astfel miscarea compusilor organici si a organismelor vii. In celulele si organismele biologice, apa se afla in contact cu suprafetele membranoase proteice care sunt hidrofile, adica prezinta o puternica atractie pentru apa. Langmuir a observat o puternica forta de respingere intre suprafetele hidrofile. Pentru a deshidrata suprafetle hidrofile este necesar un efort deosebit pentru invingerea acestor forte, numite forte de hidratie. Aceste forte sunt foarte puternice, dar valoarea lor scade rapid pe distante mai mici de un nanometru. Importanta lor in biologie este studiata de Parsegian. Prezinta importanta in special atunci cand celulele sunt deshidratate prin expunerea la atmosfera uscata sau la inghet extracelular.

Viata pe Pamant a evoluat si s-a adaptat acestor proprietati ale apei. Existenta formelor solida, lichida si gazoasa ale apei pe Pamant a reprezentat un factor important pentru colonizarea diferitelor medii ale planetei de catre forme de viata adaptate variatelor si adesea extremelor, conditii de viata. Aceste trei forme de existenta ale apei pe planeta sunt vitale pentru originea, evolutia si continuarea existentei vietii pe Terra. Totusi, daca s-ar schimba pozitia planetei fata de Soare, chiar cu o distanta relativ mica, conditiile care permit existenta simultana a celor trei stari nu ar mai avea loc cu atata usurinta.

O greseala des intalnita este aceea ca apa este un bun conductor de electricitate. Toate proprietatile electrice ale apei se datoreaza ionilor sarurilor minerale dizolvate in ea si dioxidului de carbon dizolvat in ea. Apa prezinta auto-ionizare insa doar la un nivel aproape imperceptibil.

2. Structura moleculara a apei

Apa este o molecula triatomica, formata din doi atomi de hidrogen si un atom de oxigen. Este o molecula plana caracterizata prin distanta de 0,958 dintre atomii de hidrogen si atomul de oxigen in planul XoY, cat si de unghiul de 105° pe care il formeaza axele celor doi atomi de hidrogen fata de atomul de oxigen.

Cei 10 electroni ai moleculei de apa sunt distribuiti astfel: doi electroni ai oxigenului pe primul strat – se gasesc in permanenta in apropierea nucleului; 8 electroni de valenta graviteaza pe niste orbite eliptice alungite. Doua perechi de electroni se afla pe orbite axate pe directiile O – H. Acestia sunt electroni ce formeaza legaturi covalente.

Alte doua perechi de electroni graviteaza pe doua orbitew situate perpendicular pe planul nucleului (electroni neparticipanti) molecula de apa are structura tetraedica – nucleul de oxigen este in centru. Molecula de apa poate forma legaturi coordinative, punti de O2 cu alte molecule. Fiecare molecula de apa se poate lega coordinativ cu alte patru molecule formand structuri spatiale (ex: gheata).