APA IN SISTEMELE BIOLOGICE

Apa este substanta cu cea mai mare raspandire pe glob, acoperind aproximativ 70% din suprafata Pamantului. Ea se gaseste atat in atmosfera cat si in subsolul planetei, precum si in toate organismele animale si vegetale, luand parte la organizarea structurala si la activitatea metabolica a acestora.

1. Structura apei

1.1. Structura atomica si electronica a moleculei de apa

Molecula de apa este formata din doi atomi de hidrogen legati covalent de un atom de oxigen. Deoarece atomii constituienti prezinta fiecare cate trei izotopi ai hidrogenului ( , -deuteriu, -tritiu) si oxigenului ( ,,), teoretic ar putea exista 18 specii moleculare de apa. Insa, in natura specia cea mai raspandita este apa obisnuita (H₂O) formata din izotopii si , celelalte specii moleculare fiind in proportii foarte mici, de exemplu apa grea (D₂O) reprezinta doar 0,0166%.

Atomii constituenti ai moleculei de apa se gasesc in acelasi plan, legaturile covalente O - H au o dimensiune de cca. 0,99 Å, iar unghiul dintre ele este de aproximativ 105⁰ (Fig.1.).

Fig. 1. Schema unei molecule de apa.

Din cauza caracterului mult mai electronegativ al oxigenului comparativ cu al hidrogenului, densitatea de sarcina negativa este maxima in vecinatatea oxigenului, astfel incat pozitia centrului de greutate al sarcinii negative nu coincide cu cea a sarcinii pozitive. Deci, apa este o molecula polara, avand un moment de dipol permanent:

(1)

unde q - sarcina dipolului, l - distanta dintre centrele de greutate a sarcinilor dipolului, iar valoarea momentului dipolar este p = 1,858 D (1Debye = 3,33·10^-30 cm).

Deoarece moleculele de apa mai pot poseda momente de cuadrupol, octopol etc, au tendinta de a interactiona electrostatic intre ele, cu ionii din mediile intra- si extracelulare, precum si cu gruparile hidrofile ale macromoleculelor. Fiind polare, moleculele de apa se orienteaza in campuri electrice si magnetice.

Din punct de vedere electronic, molecula de apa are 10 electroni a caror distributie spatiala este urmatoarea: 2 electroni se gasesc in permanenta in vecinatatea oxigenului pe orbitalul 1s, iar ceilalti 8 electroni de valenta graviteaza pe 4 orbitali bilobati care au axele de simetrie de-a lungul directiilor ce unesc varfurile unui tetraedru cu centrul acestuia (Fig. 2.).

Fig. 2. Structura tetraedrica a moleculei de apa.

1.2. Asociatii moleculare

Molecula de apa poate forma legaturi coordinative cu alte molecule de apa, legaturi cunoscute sub numele de punti de hidrogen (legaturi de hidrogen).

Nucleele celor doi atomi de hidrogen de pe orbitalii bilobati 1si 2 (Fig.2.), fiind slab ecranati de catre norul electronic, genereaza un camp electric puternic, determinand fiecare cate o interactiune electrostatica asupra unui atom de oxigen, ce apartine altei molecule de apa. Deci, se formeaza doua punti de hidrogen cu doua molecule de apa. De asemenea, electronii ce se misca pe orbitalii 3 si 4 pot  trece partial pe orbitalii atomilor de hidrogen, care apartin altor doua molecule de apa vecine, realizandu-se inca doua legaturi de hidrogen.

In consecinta, o molecula de apa poate realiza patru punti de hidrogen (Fig. 3.). Lungimea unei legaturi de hidrogen este de 1,77 Å.

Fig. 3. Asociatii moleculare.

Spatial, cele patru molecule de apa asociate prin punti de hidrogen sunt dispuse in varfurile unui tetraedru, iar molecula tetracoordinativa se afla in centrul tetraedrului.

In stare solida, puntile de hidrogen sunt permanente, in schimb in stare lichida ele se formeaza sau se rup neincetat datorita agitatiei termice. Asocierea moleculara, determina aparitia unor microdomenii ordonate de molecule de apa, dar cu o existenta foarte scurta, deoarece timpul de viata al unei punti de hidrogen in stare lichida este de 10^-9 secunde.

2. Proprietatile apei

Structura moleculara, determinata de existenta puntilor de hidrogen si de caracterul dipolar, explica proprietatile specifice ale apei. Prezenta anomaliilor deosebesc apa de celelalte lichide.

2.1. Proprietatile fizice ale apei

Proprietatile fizice ale apei, care prezinta insemnatate deosebita pentru functionali­tatea si reglarea unor procese din sistemele vii, sunt:

a) Densitatea Apa, spre deosebire de alte lichide, prin solidificare isi mareste volumul, determinand micsorarea densitatii. Densitatea variaza neliniar cu temperatura.

Anomalia dilatarii apei consta in faptul ca in domeniul 0⁰C si 4⁰C volumul se mareste prin racire,deci densitatea scade. Astfel, la 0⁰C densitatea are valoarea de 999,87 kg/m³, iar la 4⁰C are valoarea maxima de 10³ kg/m³. Dupa cum s-a aratat mai sus, aceasta crestere a densitatii se datoreaza patrunderii monomerilor liberi in spatiile intermoleculare ale retelei hexagonale. Comportament al apei in functie de temperatura explica existenta vietii acvatice in anotimpul rece, straturile de apa de sub crusta de gheata formata la suprafata au temperaturi mai ridicate decat cea de inghet.

b) Caldura specifica reprezinta cantitatea de caldura necesara unitatii de masa pentru a-si ridica temperatura cu un grad. Caldura specifica a pei are valoarea de 4180 J/kg·K si este mai mare decat a altor lichide si a majoritatii solidelor. Ea variaza cu temperatura, avand un minim la 35⁰C.

Valoarea mare a caldurii specifice permite apei sa anihileze variatiile mari de temperatura. Astfel, cantitatea mare de apa din tesuturi va impiedica supraincalzirea sau racirea acestora inainte ca sistemele de termoreglaj sa intre in functiune.

Sangele, avand in compozitie apa, transporta cantitati importante de caldura din locul de producere in tot organismul, uniformizand temperatura acestuia. La suprafata corpului sangele elimina prin iradiere surplusul de caldura.

c)   Caldura latenta de vaporizare - reprezinta cantitatea de caldura necesara unitatii de masa ca sa treaca din stare lichida in stare de vapori. Pentru apa aceasta constanta este de 2,3 ·10⁶ J/kg, valoare foarte mare in raport cu alte lichide. Aceasta permite ca la temperaturi ridicate, surplusul de caldura din organismele vii sa fie eliminat prin evaporare pulmonara (0,73 ·10⁶ J/zi) sau prin evaporare cutanata (1,73 ·10⁶ J/zi).

d)   Conductivitatea termica- este fluxul termic ce se propaga prin unitatea de suprafata intre doua puncte aflate la distanta de 1 cm si cand intre ele exista o diferenta de temperatura de un grad.

La 20⁰C conductivitatea termica a apei are valoarea de 0,59 J/s cm K, mai mare decat majoritatii lichidelor. Aceasta valoare ridicata permite mentinerea constanta a temperaturii corpului (homeostazia termica), atunci cand caldura nu poate fi evacuata prin circulatia fluidelor biologice.

e)  Temperaturi nete la transformari de faza: topire la 0⁰C si fiebere la 100⁰C, valori ridicate comparativ cu cele ale compusilor similari cu doi atomi de hidrogen, de exemplu H₂S.

f) Coeficientul de tensiune superficiala are valoarea de 0,0725 N/m la interfata apa-aer. Aceasta valoare mare este o consecinta a exitentei puntilor de hidrogen. Moleculele de la interfata apa-substanta nepolara nu pot realiza numarul complet de legaturi de hidrogen, astfel incat energia lor potentiala va fi mai mare decat a moleculelor din straturile interne.

g)  Coeficientul de vascozitate dinamica are valoarea de 1,0050 ·10^-3 N s/m² la 20⁰C. Variaza anormal cu presiunea, intai scade si apoi creste liniar cu cresterea presiunii.

h)  Constanta dielectrica relativa este aproximativ 80, valoare mare care arata capacitatea apei de a ioniza substantele ce sunt dizolvate in ea.

i)   Proprietati optice. Apa este transparenta, lasand sa treaca lumina vizibila, ceea ce permite dezvoltarea vietii in mediul apos. Apa absoarbe total radiatiile infrarosii si partial pe cele ultraviolete.

3. Apa in sistemele biologice

3.1. Continutul si repartitia apei in organismele vii

Apa este solventul universal si se gaseste in toate organismele vii, in procente diferite. Continutul de apa din biosisteme este variabil, incepand cu 50% in cazul bacteriilor sporulate si ajungand pana la 97% in cazul celenteratelor, si are tendinta de scadere pe parcursul vietii.

In general, in cazul mamiferelor si, in particular, al omului, continutul de apa se situeaza intre 60 si 70%. Astfel, pentru organismul uman apa reprezinta 65-70% si in jur de 60% pentru cel animal. In Tabelul 1. este prezentat continutul de apa pentru diferite animale.

Tabel 1. Continutul de apa pentru diferite animale

In organismele vii apa se gaseste in diferite structuri, de la cele mai simple la cele mai complexe. Se face o clasificare a apei din organismele superioare dupa mai multe criterii.

1⁰ Dupa locul unde se sfla in raport cu celulele, apa poate fi:

intracelulara

extracelulara (30%): - interstitiala sau extravasculara (23%)

- circulanta sau vasculara (7%)

2⁰ In functie de distributia in tesuturi apa este:

tisulara

extratisulara sau cavitara, ca de exemplu in cazul umorilor apoase si sticloase, lichidului cefalorahidian si al sangelui.

3⁰ Din punct de vedere al interactiei cu macromoleculele biologice avem:

apa libera

apa legata sau structurata - se fixeaza in cea mai mare parte prin hidratare pe gruparile hidrofile (polare) ale proteinelor, acizilor nucleici, glucidelor si lipidelor.

4⁰ Dupa provenienta in organism apa poate fi:

• exogena - introdusa din exterior,si
• endogena - rezultata din procesele metabolice prin oxidare aeroba.

In mediul intracelular au loc reactiile caracteristice materiei vii, din acest motiv este necesar sa se cunoasca starea apei intracelulare (citoplasmatice), care reprezinta 55% din totalul apei din organism. Cercetarile experimentale au condus la concluzia ca o fractiune (5-10%) din apa citoplasmatica prezinta proprietati total diferite de apa lichida, avand un grad superior de ordonare. Aceasta fractiune este apa legata (apa structurata).

In raport cu proprietatea specifica pe care o prezinta, apa citoplasmatica poate fi:

v    apa fixata - rezista la deshidratare;

v    apa nesolvatata - nu are proprietatile unui solvent;

v    apa necongelata - nu ingheata chiar la temperaturi mai scazute de -20⁰C;

v    apa netransferabila osmotic - nu este transferata prin membrana celulara in cadrul schimburilor osmotice dintre celule si mediu.

Restul de apa citoplasmatica (pana la 55%) este partial legata sau libera.

Apa legata joaca un rol important in desfasurarea proceselor biologice.

3.2. Distributia apei in tesuturi

In general, continutul de apa dintr-un tesut depinde de raportul dintre cantitatea de colesterol, care este hidrofil, si cantitatea de acizi nucleici care sunt hidrofobi, raport cunoscut sub numele de coeficient lipocitic.

Se constata ca un organ sau tesut are un continut de apa mai ridicat cu cat este sediul unor procese metabolice mai intense. De exemplu, tesuturile embrionare contin apa in proportie de 97%, la fel ca si celenteratele.

Tabel 2. Continutul de apa din diferite tesuturi umane.

Procesele anabolice scad cu varsta, ceea ce determina si o scadere a cantitatii de apa cu varsta. Astfel, daca la copii nou nascuti continutul de apa este de 76%, in cazul femeilor peste 60 de ani procentul de apa este doar de 46%.

Cantitatea de apa este variabila in functie de tipul de tesut, pentru organismul uman continutul de apa variind intre 4% si 97%.

In Tabelul 2. sunt prezentate valori ale procentelor de apa din diferite tesuturi.

Se constata din tabel ca si in cazul aceluiasi tesut pot exista diferente mari ale cantitatii de apa, cum este cazul tesutului nervos.

3.3. Importanta apei in sistemele biologice

Apa, datorita continutului ridicat in organismele vii si a proprietatilor sale structurale si fizico-chimice, poate fi considerata "matricea vietii", ea intervenind in toate procesele vitale.

Apa este solventul universal al materiei vii atat la nivel interstitial cat si intracelular.

In interiorul celulelor apa are rol de mediu de dispersie, intervenind intr-o serie de reactii biochimice, cum ar fi hidroliza, si se formeaza ca produs final al oxidarilor biologice.

Apa este mediul de transport al substantelor (molecule, ioni, macromolecule, etc.) de la un organ la altul, prin intermediul fluidelor circulante extracelulare si de eliminare a produsilor de dezasimilatie in afara organismului, in procesele de mictiune si transpiratie.

Apa are rol de protectie mecanica a sistemelui nervos central sau a embrionului.

De asemenea constituie mediu de suspensie al unor celule libere, ca de exemplu elementele figurate ale sangelui, spermatozoizii,etc.

Datorita proprietatilor sale: caldura specifica ridicata, caldura latenta de vaporizare mare si a conductivitatii termice ridicate, apa are si un rol de protectie a organismului fata de variatiile termice ale mediului, contribuind astfel la procesele de termoreglare ale homeotermelor.

In concluzie, apa fiind o substanta cu structura complexa si cu proprietati deosebite, joaca un rol important in desfasurarea proceselor vitale, fiind indispensabila vietii.