Biochimica/Acqua
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L'acqua è una molecola molto semplice composta da un'atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno, ma nella sua semplicità possiede caratteristiche chimico-fisiche uniche che la rendono una sostanza fondamentale per gli esseri viventi.
La terra è l'unico pianeta conosciuto con una gamma di temperature e pressioni che permettono al composto di esistere nei tre principali stati di aggregazione, ovvero quello solido, liquido e gassoso, ma è l'acqua liquida e le sue peculiarità ad interessarci in quanto le cellule sono in grado di proliferare solo se circondate da acqua in tale fase.
[modifica] Proprietà elettrostatiche
Come si può vedere in figura l'elettronegatività dell'ossigeno fa si che gli elettroni che popolano gli orbitali molecolari del composto abbiano una maggiore probabilità di trovarsi (che si può leggere anche passano più tempo) sull'atomo di ossigeno, trasportando la loro carica negativa in questa zona. In definitiva la molecola viene ad assumere un vettore momento dipolare permanente lungo i legami O-H che sommati danno un momento dipolare con direzione e verso che va dal punto medio della linea congiungente i due idrogeni all'atomo di ossigeno. Schematicamente e approssimativamente la molecola si può approssimare ad un'ovale carico positivamente su un estremità e negativamente sull'altra: questo schematismo sarà utile per una valutazione qualitativa immediata sui fenomeni fisici che saranno descritti di seguito.
Uno ione gassoso in acqua viene rapidamente idratato liberando una grande quantità di energia, così un composto ionico (un acido, una base o un sale) in acqua si dissocia se solubile in ioni perdendo le caatteristiche proprie del composto di partenza e modificandole proprietà del solvente.
- Il processo della solvatazione può essere interpretato come la consegenza dell'intrposizione tra due controioni di un numero sempre maggiore di molecole di acqua fino a quando, completamente separato, si trova circondato da molecole orientate secondo il segno del catione. Il processo avviene perché ssendo la costante dielettrica relativa dell'acquamolto alta, circa 80, la forza di attrazione tra gli ioni diminuisce rapidamente con l'aumentare delle molecole d'acqua.
Questa dai più non viene considerata una vera reazione chimica, ma il rapporto tra ione e molecola d'aqua è molto più stretto di quanto si creda, infatti si instaura un vero e proprio legame dativo tra l'ossigeno e il catione che risulta nella formazione di uno ione complesso o, nel caso di cationi "acidi", nella liberazione di un protone e nella conseguente acidificazione del mezzo. Questo processo comporta inoltre un forte aumento di entropia del sistema: gli ioni passano dallo stato ordinato del reticolo cristallino a uno stato disordinato, questo è solo in minima parte controbilanciato dall'ordine guadagnato dall'acqua nella formazione delle sfere di coordinazione
[modifica] I rapporti con le molecole lipofiliche
Come risulta dallo studio della chimica organica, si identificano in natura tre grandi gruppi di sostanze, le sostanze idrofiliche, lipofiliche e anfifiliche. A tutti è capitato di osservare una goccia di olio caduta per errore nell'acqua assumere una forma sferica oppure la formazione di grosse gocce di olio partendo da una fine emulsione: si potrebbe pensare che tali fenomeni contraddicano il secondo principio della termodinamica in quanto si forma una sfera a partire da una miriade di goccioline disordinate. In realtà ragionando bene su ciò cha accade, la formazione di una goccia unica a partire dall' emulsione e la forma sferica della goccia sono processi guidati dall'aumento di entropia del sistema.
Immaginiamo due goccie di olio circondate da acqua, all'interfaccia tra i due componenti le molecole delle due sostanze assumono una conformazione ordinata obbligata quindi sfavorita energeticamente, la forma sferica viene quindi favorita dal fatto che tra le forme geometriche solide è quella col più basso rapporto possibile tra superficie e volume e per lo stesso motivo la somma di due volumi uguali porta ad una superficie minore della somma delle due superfici . Da ciò diventa chiaro perché l'aggregazione delle emulsioni sia favorita dall'aumento di entropia.
[modifica] L'osmosi
Si abbiano due beaker uniti per l'estremità inferiore tramite un tubo di gomma pinzato, sia posto in uno una soluzione 1% v/v di acqua e glicerolo e nell'altro un uguale volume di una soluzione 20% v/v dello stesso composto contenente un aquantità trascurabile ma visibile di un colorante (ad es 10 microL di una soluzione alcolica satura di blu di bromofenolo in 20 ml di sol). Sebbene il risultato termodinamico dell'esperimento sia scontato, ovvero si avrà il completo miscelamento delle due soluzioni fino al raggiungimento dello stato di equilibrio, inizialmente aprendo delicatamente la pinza si assisterà alla formazione di una interfaccia tra le due soluzioni in una posizione di equilibrio idrostatico più vicina al beaker 1. Col passare del tempo si potrà osservare che l'interfaccia avanza via via verso il beaker della sol meno concentrata. Aggiungendo dell'alrtra soluzione al beaker 1 fino a riportare l'interfaccia nella posizione iniziale possiamo calcolare l'aumento di pressione idrostatica necessaria a bilanciare la differenza di presione tra le due soluzioni, questa nuova forma di pressione prende il nome di pressione osmotica.
Il sistema proposto, sebbene sia molto esemplificativo è gravato da alcuni poblemi pratici, ad esempio lo stesso glicerolo ed il colorante diffondono da una soluzione all' altra. Al fine dello studio del fenomeno sarebbe quindi utile avere una interfaccia che goda di particolari proprietà: che sia stabile nel tempo e spoprattutto che sia permeabile all'acqua ma non ai soluti: le membrane semipermeabili. Usando tali membrane è possibile proporre una versione più rigorosa dello stesso esprimento.
Abbiamo due beaker separati da una membrana semipermeabile riempiti con due soluzioni a diversa concentrazione di cloruro di sodio. Dopo alcune ore si osserverà che il livello del liquido della sol più concentrata sarà più elevato dell'altra.
La membrana cellulare può essere assimilata ad una membrana semipermeabile, la cui permeabilità è modificata da canali proteici che verranno esaminati in seguito, è importante che il liquido ai due capi della membrana abbia la stessa pressione osmotica, la cellula può modificare il suo ambiente interno in modo da regolare la sua pressione osmotica interna in funzione di quella esterna per sopravvivere.
Nei liquidi biologici i soluti possono essere molti, ed alcuni di essi si allontanano dalla idealità, quindi non solo i calcoli ma anche le considerazioni qualitative sul potere osmotico di questi devono avere qualche accortezza. Le proteine come l'albumina, hanno numerosissimi gruppi funzionali e dimensioni migliaia di volte superiori a quelle degli ioni o degli zuccheri, le proteine infatti hanno un potere osmotico molto superiore a quello calcolabile tenendo conto solo della concenterazione molale. Stesso discorso per i polisaccaridi come l'amido o l'acido ialuronico, queste molecole, in un numero relativamente basso possono coordinare attorno a loro un gran numero di molecole di acqua. Quindi in alcuni casi si ritiene opportuno parlare di pressine oncotica (che si riferisce alle proteine).
