Inter- i intra- molekularne sile Prof. dr. sc. Jasna Lovrić
Periodni sustav elemenata
Veze između atoma Kovalentna Između nemetala u anorganskim molekulama (N 2, H 2 CO 3 ) U organskim molekulama (H 2 NCH 2 COOH) Jednostruka (H-H) Višestruka (C=O, HC=N) Polarna (H 2 O, HCl, CH 3 OH) Nepolarna (O 2, CO 2,H 3 C-CH 3 ) Ionska Između metala i nemetala Polarna veza NaCl
Koordinativna veza Vrsta kovalentne veze (dativna veza) Veza se ostvaruje između atoma od kojih samo jedan atom donira oba elektrona za ostvarivanje veze Kompleksi hemoglobin (dušik iz pirolnih prstena donira elektrone željezu)
Donori elektrona za zajednički elektronski par mogu biti: Monodentatni ligandi - mogućnost vezanja na metal samo preko jednog atoma koji nosi elektrone Bidentatni ligandi - mogućnost vezanja na metal preko dva atoma koja nose elektrone Polidentatni ligandi (EDTA, trifosfatni ion) - mogućnost vezanja na metal preko više atoma koja nose elektrone Koordinativna veza
POLIDENTATNI LIGANDI O : : O : : 4 - : O : : C CH 2 C CH 2 O : : : etilendiamintetraacetatni ion EDTA N : CH 2 CH 2 : N O : : CH 2 CH 2 : : O C C : O : : O : : : trifosfatni ion : O : : O P O P : : : O : O : O P : : : O : 5 - O : : : O : : : O : : :
Struktura hema
Kompleksi u biološkim sustavima 1. Neophodni: u pohrani i transportu kisika, prijenosu elektrona, kao katalizatori, biotransformaciji ksenobiotika, fotosintezi 2. Primjena kompleksa u terapiji: a) antireumatici - spojevi zlata(i) b) antitumorsko djelovanje organo-metalnih spojeva - kompleksi arsena, platine, germanija: metaloceni: Ti, V, Nb, Mo, Fe, Co c) fotodinamička terapija karcinoma - metaloporfirini lantanoida - gadolinija i lutecija d) kod otrovanja teškim metalima olovom i živom 3. Medicinskoj dijagnostici -dendrimeri
Vodikova veza
Vodikove veze u biološkim sustavima AKCEPTOR VODIKA DONOR VODIKA Intermolekularne vodikove veze (voda, alkoholi, karboksilne kiseline...)
Primjeri biološki važnih vodikovih veza INTERMOLEKULARNE vodikove veze INTRAMOLEKULARNE vodikove veze
Intramolekularne vodikove veze (DNA, proteini, salicilaldehid,...)
Usmjerenost vodikovih veza JAKA vodikova veza SLABIJA vodikova veza Δ b H = 10-40 kj / mol Δ b H (u vodi) = 15 kj / mol Δ b H (u proteinima) = 8,4-12,6 kj / mol Δ b H (C-C) = 348 kj / mol Δ b H (C-H) = 416 kj / mol
Nekovalentne interakcije Van der Waalsove privlačne sile Hidrofobne interakcije Hidrofilne sile
Van der Waalsove privlačne sile
Nekovalentne interakcije + - + - δ + C O δ δ + C O δ dipol-dipol δ + + - C O δ δ + + - H H C δ dipol-inducirani dipol H + H - + - H inducirani dipol - δ + C H δ δ + H C δ - inducirani dipol H H
Nekovalentne interakcije u biološkim membranama i micelama
H H O H H O H H O N C C N C C N C C + (CH 2 ) 4 NH 3 CH 2 C NH 2 O CH 2 C H O - O O CH 3 CH 3 H CH 2 CH 2 CH N C C N C C N C C H O H H O H H O Trodimenzionalna struktura proteina i njegova svojstva ovise o nekovalentnim interakcijama
Vezanje antigena na specifično antitijelo ovisi o kumulativnom efektu slabih interakcija -vodikove veze i Van der Waalsove sile dovode do pada slobodne energije sustava i do stabilizacije molekule
Sve nekovalentne interakcije kontinuirano nastaju i nestaju. Iako su nekovalentne interakcije slabe, unutar biomolekula postoji mnogo takovih interakcija te su one zbog kumulativnog efekta značajne. Stvaranje svake nekovalentne interakcije dovodi do smanjenja slobodne energije sustava a posljedica je povećana stabilizacija molekule.
VODA - struktura i svojstva
Ukupni sadržaj vode na Zemlji Ukupni sadržaj slatke vode 1,28 x 10 9 km 3 3 x 10 7 km 3
¾ površine Zemlje prekrivaju oceani, a ¼ čine riječni vodeni tokovi ili podzemne vode (regulacija klime) Atmosfera može u obliku pare primiti do 4 volumna % vode Voda može biti vezana u kristalima - kristalna voda (CuSO 4 x 5 H 2 O, FeSO 4 x 7 H 2 O)
Svakom stanovniku na Zemlji pripada 46 m 3 pitke vode Živi organizmi sadrže čak do 90 % vode Organizam čovjeka sadrži 45-75 % ukupne mase Dnevno u respiracijskom lancu nastaje 800-900 g metaboličke vode Bez hrane možemo preživjeti ~ 60 dana, a bez vode desetak dana Termalna regulacija živih organizama
Sveprisutna voda Stvar ili tvar meduza krastavci salata lubenica kupus novorođenče odrastao muškarac drvo (svježe) špek orah papir zrak Maseni udio / % 99 96,1 94,8 92,1 82,4 70 60 50 20 5,3 < 5 < 1
H-O-H kut je 104,45 Elektronegativnost Kisika 3,44 Vodika 2,20
Struktura molekule vode U vodi dolazi do 3 vrste interakcija: elektrostatske interakcije, van der Waalsove i hidrofobne interakcije
Fizikalna svojstva vode Svojstvo Voda Metanol Dimetil eter Formula H 2 O CH 3 OH H 3 C-O-CH 3 Molekularna težina (g mol -1 ) 18 32 46 Gustoća ( kg L -1 ) 0.998 0.7914 0.713 Vrelište ( C) 100 65 25 Volumen molekule (nm 3 ) 0.0299 0.0420 0.107 Volumen fuzije (nm 3 ) 0.0027 negativan negativan Temperatura pri kojoj ima maksimalnu gustoću (K) 277 nema nema Specifična toplina (J K -1 g -1 ) (J K -1 mol -1 ) 4.18 75.2 2.53 81.0 2.37 109 Toplina isparavanja (kj g -1 ) (kj mol -1 ) 2.3 41.4 1.16 37.1 0.40 18.4 Površinska napetost (mn m -1 ) 72.8 22.6 16.4 Viskoznost (μpa s) 1002 550 233 Dielektrična konstanta 78.6 33.6 5.0 Dipolni moment (Cm x 10 30 ) 6.01 5.68 4.34
Ionizacija vode H 2 O H + + OH - [ H ][ OH ] + - Kc = K c =1,82 10-16 mol dm -3 t = 25 C [ H O] 2
Tv / ºC PERIODA
- anomalija vode 1. porast temp. uzrokuje porast gustoće vode 2. povišenjem temp. povećava se kinetičko gibanje molekula vode Vodikove veze u vodi su kratkoživuće - 1 x 10-9 s
Kristalna struktura leda Svaki atom O je okružen s 4 H atoma 2 su na udaljenosti 97 pm a 2 na 179 pm H 2 O(s) H 2 O(l) ΔH = 5,9 kj / mol H 2 O(l) H 2 O(g) ΔH = 44 kj / mol
Specifični toplinski kapacitet vode C (H2O) = 4,184 J/g C Toplinski kapacitet je količina topline koja se mora dodati ili oduzeti tvari da bi mu se temperatura promijenila za 1 C 1000 g vode apsorbira 4 kj - 1 C m 70 kg vode - 10000 kj za metabolizam smrt! Dielektrična konstanta vode ε = 78,6 (permitivnost) F = Q 1 Q 2 / ε r 2
Dielektrična konstanta ili permitivnost (ε) je mjera sposobnosti tvari da smanji elektrostatske sile između dva nabijena tijela. Što je vrijednost dielektrične konstante manja smanjenje je veće. Dielektrična konstanta za različite materijale pri 20 C iznosi: vakuum 1 zrak 1.00058 staklo 3 benzen 2.3 octena kiselina 6.2 amonijak 15.5 etanol 25 glicerol 56 voda 81 Vrijednost dielektrične konstante opada s porastom temperature.
H 2 O amfolit H 2 O H + + OH - H : O: H Lewisova baza Nukleofilni reagens Voda
Voda kao otapalo polarno otapalo za veliki broj ionskih spojeva hidratizirani ioni mnoge tvari su dobro topljive u vodi zbog mogućnosti stvaranja vodikovih veza šećeri, niži alkoholi u vodi se dobro otapaju organske molekule s ionizabilnim grupama i mnoge neutralne organske molekule s polarnim funkcionalnim grupama
Topljivost tvari Topljivost tvari je maksimalna količina tvari koja se pri danoj temperaturi može otopiti u određenoj količini otapala, a ovisi o strukturi i svojstvima tvari kao i o tlaku (kod plinova). tekućine i plinovi se miješaju s vodom u različitim omjerima topljivost čvrstih tvari u vodi je ograničena otapanje može biti EGZOTERMNO i ENDOTERMNO čvrsta tvar se otapa dok otopina (pri danoj temperaturi) ne postane zasićena konkrementi Ca(COO) 2
Orijentacija molekula vode oko otopljene tvari Proces otapanja ionskih tvari u vodi 2. Hidratacija Na + 1. Prevladavanje privlačnih sila u krutini Cl -
Topljivost tvari u vodi topljivost, g/100 ml vode Temperatura Većina krutina (endotermno otapanje) Plinovi npr. O 2, N 2 Neke krutine (egzotermno otapanje)
OTAPANJE PLINOVA U VODI topljivost plinova je različita obzirom na njihovu sposobnost reagiranja s vodom Plinovi koji kemijski NE reagiraju s vodom (O 2, N 2 ) pokoravaju se Henryevom zakonu otapaju se egzotermno Plinovi koji kemijski reagiraju s vodom (CO 2, NH 3, SO 2, SO 3 ) NE pokoravaju se Henryevom zakonu daju kiseline ili baze
Topljivost plinova u vodi obzirom na tlak i temperaturu V(plin)/mL otopljeno u 100 g H 2 O 5 O 2 V(plin)/mL otopljeno u 100 g H 2 O 5 4 4 3 N 2 3 O 2 2 2 N 2 1 He 1 He 0,5 1,0 10 20 30 40 50 tlak / bar temperatura / ºC O 2, N 2 ne reagiraju s vodom otapaju se egzotermno
Topljivost plinova u vodi obzirom na tlak W. Henry (1775 1836) topljivost plinova u tekućinama proporcionalna je parcijalnom tlaku plina
Otapanje nepolarnih molekula u vodi amfipatske molekule (polarni i nepolarni dio) u vodi stvaraju micele
Tjelesne tekućine (kod zdravog muškarca mase 70 kg) 41,4 kg vode (~ 60%; ~ 42 L) raspoređen je u 2 odjeljka pa razlikujemo izvanstaničnu i unutarstaničnu, te transcelularnu tekućinu Unutarstanična tekućina: ~ 67%; ~28 L Izvanstanična tekućina: ~ 20%, ~14 L (međustanična i krvna plazma) Transcelularna tekućina: 1-2 L (u sinovijalnom, peritonealnom, perikardijalnom i intraokularnom prostoru kao i cerebrosinalni likvor)
Probavni trakt (slina, želučani sokovi, sekret pankreasa) slije se dnevno 8 L vode Glavnina vode u crijevima ponovo se resorbira i prelazi u krv Dnevna količina mokraće iznosi 1000-1500 ml (96% vode)
Dnevni gubitak tekućine ~ 2,3 L pri normalnim tjelesnim aktivnostima 1,4 L preko mokraće 350 ml preko kože 350 ml preko pluća 200 ml znojenjem i stolicom 6,6 L prilikom velikih tjelesnih napora