Voda - sloučenina plná překvapeni RNDr. Mgr. Iveta Třísková, Ph. D. Zemský povrch je tvořen ze 70% z vody a 30% souše. Lidská bytost je tvořena ze 70% z vody a 30% sušiny •voda jako prostredia rozpouštědlo: chemici v organismu (krev 93, svalová tkáň 76 a mozek 70 plní několik funkcí •voda jako rozpouštědlo ^molekulární rozptýlení látek v celém organismu •voda jako fyziologické prostředí -> díky své velké hodnotě permitivity utlumuje velikost elektrostatických interakcí •voda jako prostředí, v němž probíhají chemické i fyzikální pochody; některých chemických pochodů se sama účastní (např. hydrolýza), je konečným produktem oxidace substrátů •voda jako důležitý parametr tvorby struktur -> vzájemné působení mezi vodou a biologickými makromolekulami -> prostorová uspořádání nezbytná pro biologickou aktivitu těchto makromolekul (hydratace hydrofilních skupin na povrchu; hydratace hydrofobních skupin uvnitř molekuly) •voda jako důležitý strukturní parametr -> vyplňování struktur a transport Fyzikálně chemickí stnosti vody •velká tepelná kapacita - při produkci stejnéhô\množstf tepla, v důsledku probíhajících životních pochodítoladiází k relativně malému zvýšení teploty •2 - 4x větší tepelná vodivost -> rychlá výměna tepla mezi buňkami i okolím •vysoké molární výparné teplo (43,704 kJ/mol) -> vypařováním vody se organismus zbavuje velkého množství tepelné energie •vysoká hodnota relativní permitivity (78,5 při 298 K) •podchlazená voda se při zahřívání smršťuje (zmenšuje svůj objem); roste index lomu •horká voda při zahřívání expanduje, roste její stlačitelnost a index lomu klesá vodíkoví •anomálie vody - maximální hustota při teplotě +4°C •bipolární molekuly vody vytvářejí mezi sebou vodíkové můstky a tím vznikají shluky (clusters) molekul Koexistenční křivky K. Fázový diagram vody cicfcv búd Chemický potenciál |x Vyp-rfnviii V našich úvahách vycházíme z molární Gibbsovy energie Gm = |i V rovnováze je chemický potenciál látky stejný ve všech částech vzorku, bez ohledu na počet prítomných fazi Kritérium fázové rovnováhy 5 Termodynamické aspekty fázových přechodů ; liquid Chemický potenciál látky klesá se vzrůstající teplotou úměrně velikosti její molární entropie Fáze s nejnižším chemickým potenciálem při dané teplotě, je při této teplotě tou ^stabilnější fází • Liapeyronova rovnice . x Jsou-li taze a a p v rovnováze, platí: |i(a; p, l) = wp; p, i) ■ x t x I D ** X ď * Zmeny chemických potenciálu tazi aa pse musí rovnat a lze psat: d|i(a) = dn(P) dG = = oai+va^a Q[x — " o a#+v Or m m -SJa) dT+Vm(a) dp = -SJB) dT+Vm(6) dp dp ■ Liapeyronova rovnici dT J 'ArsV Směrnice koexistenčních kři\/pk 7 Koexistenční křivka pevná fáze-kapalina dp _ AfusH Tání je doprovázeno změnou molární enthalpie AfusH Koexistenční křivka kapalina-pára dp _ AapH dT T\apV Výparná entropie při teplotě T je rovna AvapH/T Jelikož molární objem plynu je mnohem větší než molární objem kapaliny, lze psát AvapV* Vm(g) a Vm(g) = RT/p dp AapH dT~T(RT/p) d In p dT AapH RT2 Clausiova-Clapeyronova rovnice 8 Vodíková vazba Molekula vody •Tvarově jednoduchý velmi dynamický útvar -výměna vodíkových atomů s okolními molekulami Izolovaná molekula (H2160, H2170, H2180) Délka vazby O-H od 0,957 do 1,00 Ä Úhel H-O-H od 104,52 do 109,5° fáze Délka vazby O-H (Ä) Úhel H-O-H plynná 0,95718 104,474° kapalná 0,991 (1,01) 105,57108,4° pevná 106,6° Kapalná voda '/Navrženo několik modelů struktur vody 1) Frank a Wen - model ^flickering cluster" Klastry - skupiny vzájemně spojených molekul vody (dle Némethyho a Sheragy obsahuje cca 57 molekul vody) urn Win "Flickering clusters" Of H20 ' molecules in bulk phase / (Tr) Highly ordered H2O molecules form cages" around the hydrophobic alkyl chains Schematické znázornění vzájemně spojených molekul vody v klastrech (ohraničené oblasti), mezi kterými se nalézají volné molekuly vody ledovýkrystal molekula / l.*--t in.. 2) Pauling - model „water hydráte" (na základě studia vody pomocí X ray) - voda se skládá z labilních struktur, podobným klatrátům (molekuly vody se zde vyskytují v rozích pětiúhelníkových dvanáctistěnů, jejichž středy tvoří rohy krychle; cca 46 molekul) Klatráty- krystalické sloučeniny vzniklé vřazením cizí molekuly do dutiny krystalové mříže hostitelské látky 12 Voda jako rozpouštědlo Rozpouštění iontových sloučenin - pochod, při kterém jsou pozitivně a negativně nabité ionty, vyskytující se v mřížce od sebe vzájemně oddalovány v důsledku silného elektrostatického přitahování s dipóly vody - vznik hydratovaných iontů —L—L—J—L—l -■ ater dissolves many crystalline salts y hydrating their component ions. The aCI crystal lattice is disrupted s water molecules cluster about the CI ,nd Na ions. The ionic enlarges are partially neutralized, and the electrostatic attractions necessary for lattice formation are weakened Hl F _ Q1Q2 sr Síla iontových interakcí i* + Hydratace i jako chemická reakce mezi iontem a vodou vedoucí ke vzniku koordinační sloučeniny Při hydrataci iontů jsou v hydratační sféře předpokládány tři oblasti: 1) Vnitřní vrstva - molekuly vody jsou vzájemně pevně orientovány na povrchu iontu (jejich struktura je uspořádanější než v samotné vodě) 2) Další vrstva - ion ruší vodíkové vazby mezi molekulami vody - porušení struktury 3) Vnější vrstva - struktura „vázané'' vody přechází na strukturu „volné" vody 13 Voda jako rozpouštědlo ^Rozdílná působnost iontů v hydratačních vrstvách •lonty Li+, Na+, H3Q+, Ca2+, Mg2+, OH", F" - uplatňují se v první vrstvě a působí ve smyslu zpevnění struktury vody lonty K+, NH/, Cs+, Br, I", IQ3" - uplatňují se především ve druhé vrstvě a působí ve smyslu rušení struktury vody ^^Rozpouštění nenabitých polárních molekul (anorganické i organické sloučeniny) tvorba vodíkových můstků s polárními funkčními skupinami (hydroxylové skupiny cukrů a alkoholů, karboxylové skupiny aldehydů a ketonů...) Between the carbomyl group of a ketone and water R1 W- H Between ihe. hydroxy] group of an alcohol ani water R k ^) Sloučeniny obsahující pouze nepolární hydrofobní skupiny se ve vodě nerozpouštějí Amfipatické látky - obsahují v molekule polární (hydrofilní) i nepolární (hydrofobní) skupiny. Př.: mastné kyseliny a polární lipidy S Tvorba micel \ /oda jako rozpouštědlo nfip at ic ké látl irr :h)n / na lal bí Dii lk :y< ov :h 'in s\ IU cu Pi ietwe n -en pe a in ptidef -C ptide :o O", H R l ^ Nukleové kyseliny: 1 ;fátov( Between complem-entary bases oFDNA H ^ c >ki up iin y. JS( P r i t Tlí Ř ári < níi n O** N O Itiymine £ 1 L i Adenine Hydrofobní interakce polární Klíčový význam pro stabilitu bílkovinné molekuly Dnes stále předmětem výzkumu • Podstata - jedním z partnerů v těchto interakcích je voda Aminokyseliny (AMK) s hydrofobním postranním řetězcem : fenylalanin, leucin... AMK s hydrofilním postranním řetězcem: kyselina glutamová, asparagová, lysin... Pokusy s jednoduchými sloučeninami - tendence hydrofobních sloučenin vytvářet ve vodě agregáty (snížení kontaktu s nepřátelským" rozpouštědlem, vytvoření termodynamicky stabilních struktur) Bílkoviny: hydrofobní AMK soustředěny uprostřed klubka (globule)-vytváří zde tzv. hydrofobní jádro („hydrofobic core") 16 Co jsou hydrofobní interakce a jak jsou nzeny? • Tři základní přístupy: • 1) hydrofobita - přenos nepolární sloučeniny do vodného roztoku; hydrofobní je ta částice, která dává přednost nepolárnímu prostředí před vodným • 2) hydrofobita - přenos nepolární sloučeniny do vodného prostředí pouze tehdy, pokud se přitom pozoruje charakteristická teplotní závislost termodynamických veličin • 3) hydrofobita vztahována k určitým typům modelů, jejichž obecným rysem je vyšší uspořádanost molekul vody v okolí molekul rozpuštěné látky Teplotní závislost hydrofobních interakcí-jak se liší od normálních roztoku? •Vycházíme z formulace ad 2) •Představa ideálního roztoku - kapalné složky A a B, při míšení A do B nedochází k výrazné změně struktury kapaliny B a energie interakce dvojic molekul A-A, A-B a B-B jsou stejné •Většina systémů odlišná od ideálního chování: extrémní případ dvě nemísitelné kapaliny A a B - Gibbsova energie přenosu B do A (AG > 0) má velký kladný enthalpický člen (AH) vyšší než entropický (T AS)(je kladný vždy) - viz. obrázek A -> malá změna tepelné kapacity cn -> změna enthalpie a entropického členu nezávisí na teplotě; ani změna Gibbsovy energie na teplotě nezávisí. Schematické znázornění ► charakteristickým rysem je velká hodnota Acp přenosu nepolární' sloučeniny do vody míšení dvou „jednoduchých" málo mísitelných kapalin {panel A) 40 míšení oleje s vodou (panel B) o CD QJ 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 AH AG TAS _ - - i i A - 250 300 350 400 teplota [K] 450 250 300 350 400 teplota [K] 450 matické zobrazení teplotní závislosti energetických veličin pro míšení dvou jednoduchých málo mísitelných kapalin |el A) a pro míšení oleje (nepolární sloučenina) s vodou (panel B) I A: malá změna tepelné kapacity (Acn)-> změna enthalpie a entropického členu nezávisí I plotě; ani změna Gibbsovy energie na teplotě nezávisí. I B: velká a kladná změna tepelné kapacity ->závislost změn enthalpie a entropie na lě, hodnota AG se s teplotou mění nelineárně-prochází maximem a na obě strany I při 140 C (minimální rozpustnost nepolární látky ve vodě) - nejpozitivnější AG -Fší hydrofobita 19 Hydrofobní interakce I polární skupiny (peptidová vazba) se mohou podílet na vzniku hydrofobní vazby H V ~L ~ Ala (viz. schéma)-homopolymer tvořen opakující se sekvencí [(-NH -f(CH3)-CO-], kde skupiny >C=0 a >NH jsou partnery pro vznik vodíkových můstků ^uspořádaná konformace A). Může také vzniknout a - helikální struktura mformace B), kde >C=0 a >NH jsou vysyceny tvorbou intramolekulárních klikových můstků 20 Hydratace bílkovin Na povrchu molekuly bílkovin v bezprostředním kontaktu s rozpouštědlem jsou a) nabité funkční skupiny; b) nenabité struktury-> různé části povrchu biopolymeru jsou solvatovány/ hydratovány odlišným způsobem Hydratační obal bílkovin - existuje vždy; část této vody vázána mimořádně pevně - nelze ji odstranit bez nevratné destrukce nativní struktury bílkoviny; další podíl vody vázán méně pevně; všechna vázaná voda má však charakteristiky, kterými se liší od čistého rozpouštědla - dvojrozměrná síť molekul vody propojených vodíkovými vazbami, která obepíná molekulu bílkoviny a začleňuje do sebe i klastry vody v některých oblastech. Vodíkové vazby v síti jsou pevnější a mají delší dobu života než tyto vazby ve vzdálenějším okolí Hydratační obal je klíčový pro biologickou funkci bílkovin (konformační flexibilita) Voda v krystalech bílkovin - 30 až 50% hmotnosti krystalu; nezbytná pro udržení struktury; chová se jako kapalná -> difúze malých molekul do dutin krystalů bílkovin Vsolování a vysolování bílkovin Rozpustnost bílkovin ve vodě lze ovlivnit přídavkem rozpustné soli Závislost rozpustnosti bílkovin na koncentraci přídavné soli prochází maximem Vsolování - první vzestupná větev, kdy se bílkovina více rozpouští Vysolování - když křivka dosáhne maxima, začíná s dalšími přídavky soli rozpustnost bílkoviny klesat a při vysoké koncentraci soli -> bílkovina z roztoku vypadne; používá se pro frakcionaci lidského séra, isolaci bílkovin O a +^ 3" N O- *- vsolování vysolování 22 Vsolování a vysol ování bílkovin • Na začátku bílkovina v čisté vodě -> navázání iontů přidávané soli -> změna náboje molekuly bílkoviny a změna hydratačního obalu -> hydrofilisace molekuly bílkoviny -> roste rozpustnost až do té doby, než je v roztoku tak velké množství volné soli, že začíná kompetice mezi jejími ionty a bílkovinou o molekuly vody pro hydratační obal -> částečná ztráta hydratačního obalu ve prospěch anorganických iontů, zesílení interakcí bílkovina - bílkovina -> precipitace (vysolení Vsolování a vysolování bílkovin Vsolování- náboj bílkoviny z+kompensován anionty X-; v roztoku se ustavuje rovnováha PXzOPz++ zX_; termodynamická rovnovážná konstanta: K = v Součin rozpustnosti: Sbnk = apz+(ox_)z a + (a Y a pxz Vysolování - lze použít semiempirický vztah: log cs = logcs° - Ksl Franz Hofmeister (konec 19.stol.) - sestavení řady aniontů a kationtů dle jejich vysolovacího účinku: Anionty se stejným kationtem: S042 > F > I03 > N02 > Br > N03 > I > CNS- Kationty se stejným aniontem: Li+> Na+> K+> NH4+> Rb+> Cs+ Vysolovací účinek soli závisí více na aniontu než kationtu Pro vysolování bílkovin: Na2S04> (NH4)2S04> NaCI > CaCI2 Nejběžnější vysolovací činidlo pro srážení bílkovin ->síran amonný Kapalná voda a led Základní forma ledu (Ih) -šesterečná struktura; -4 vodíkové vazby -107° (úhel H-O-H) - „ledové pravidlo" - orientace molekul; defekty krystalové mřížky ledu Kapalná voda - přesný model není znám - určité pravidelné struktury - klastry « V*» JI dynamika obměny vodíkových vazel in r s_I_ 25 v řádu nanometrů nehomogenní Hustota vody a ledu Hustota vody souvisí s tepelným kmitáním molekul. Při vyšší teplotě jim kinetická energie umožňuje intenzivnější chaotický pohyb (piko s), překonávají energeticky nejvhodnější vzdálenosti doporučené rozložením elektrostatických sil jejich polárních částí. V kapalné vodě tak dochází k bližším kontaktům, než odpovídá konstelaci s nejnižší potenciální energií systému. Z hlediska statistiky jsou nejmenší mezimolekulární vzdálenosti při teplotě 4 °C, kdy má voda nejvyšší objemovou hustotu. Když při teplotě 0 °C, za normálního tlaku 1 atmosféry (101,325 kPa = 760 Torrů) průměrná energie molekul klesne na úroveň energie vodíkové vazby, začnou být vodíkové můstky stabilnější, tepelný pohyb je ohrožuje méně. Tvoří se kryštalizační jádra - shluky do pravidelné struktury se spojujících molekul, kde je každá přes vodíkové můstky připoutána ke čtyřem dalším. Kryštalizační jádra vznikají zejména na kontaktu s povrchem cizorodé pevné látky, což mohou být mikroskopická zrníčka různých nečistot. Tyto zárodky pak postupně rostou do celého objemu kapaliny - vzniká led. Symetrie jeho vnitřní struktury ho řadí do šesterečné (hexagonální) krystalografické soustavy. Protože je v ledu podstatná většina molekul uvězněna vodíkovými můstky do energeticky sice nejvýhodnější, ale prostorově dosti rozvolněné formace, má menší objemovou hustotu než kapalné skupenství. 26 Struktura ledu Struktura ledu: nejobvyklejší krystalická forma ledu - každá molekula vody obklopena čtyřmi jinými molekulami vody O H ..0 fVH' <3>Ov I H H o r Viř. o) b) : O Ó i 3*r L. Nelson, M.M. Cox: Lehninger °br 48 Usp°řádání molekui v ledu . a ~ tetraedncke uspořádaní pěti molekul vody spojených vodíkovou vazbou, kolem centrální molekuly rinCipleS Of BiOChemiStry, 4th edltlOn, jsoumolekuly la2vroviněpapíru,molekula3jenadtoutorovinouamolekula4Podní- .H. Freeman and Company, 2005 27 Erasto Mpemba efekt I když se nám někdy může zdát, že fyzikální jevy kolem nás jsou už dostatečně prozkoumány, přesto i zdánlivě jednoduché věci, či otázky mohou vést k neočekávaným odpovědím. Zmrzne dřív horká nebo studená voda? Většina odpovědí by asi byla, podle selského rozumu, že nejprve zmrzne ta chladná. Na první pohled absolutně primitivní chyták trápí vědce už několik staletí. Lámali si na něm hlavy i tací velikáni jako Aristoteles, Francis Bacon nebo René Descartes, bohužel marně. Jednoznačné odpovědi jsme se nedočkali a vypadá to, že na nás nečeká ani dnes. Jediný kdo doopravdy prokázal, že teplá voda zmrzne oproti studené rychleji byl tanzanský středoškolák Erasto Mpemba. Právě on při svých experimentech se zmrzlinou na tento fenomén nečekaně přišel. 28 Erasto Mpemba efekt Cold Water Long Covalent Bonds Warm Water Short Hydrogen Bonds 4. 4 Shortened Covalent Bonds. Long Hydrogen Bonds As you can see in the figure above, before the water is heated, water molecules are close together and "push" against each other. The hydrogen covalent bonds of each individual water molecule are then stretched, which makes them store energy. When the water is heated, the water becomes less dense and the water molecules begin to move apart. This causes the weaker bonds between molecules to now stretch. This stretching, or the move apart between water molecules, allow the covalent bonds to relax and give up their energy; their heat. In theory this results in cooling, so the warm water cools faster than the cold water, and under all the right conditions, allows it to freeze faster than cold water would. It may be easier to think of those bonds like a rubber band. When the rubber band is pulled back it stores energy (which would be heat), when released, that energy is given up and transferred to the environment. In this case, when freezing cold water, the energy 29