Bài giảng Chương 1: Nước – môi trường của sự sống

CHƯƠNG 1NƯỚC – Môi trường của sự sốngNội dungTính chất vật lý và hóa học của nướcCác liên kết phi cộng hóa trịpHDung dịch đệmTính chất của nước Tính chất của nước Liên kết hydro giữa các phân tử nước Tính hòa tan của nước Áp suất thẩm thấuNước - Thành phần cơ bản của sự sốngSự sống luôn diễn ra trong môi trường lỏngNgay từ lúc khởi đầuVà cho đến ngày nayHiểu rõ tính chất của nước	Vai trò của các đại phân tử sinh học trong cấu trúc và chức năng của tế bàoNước là thành phần cơ bản trong trong cơ thể sốngNước chiếm 70 % trọng lượng cơ thểVề mặt tính chất NƯỚC TRONG TẾ BÀO khác với NƯỚC MÔI TRƯỜNG BÊN NGOÀICác tính chất của nướcNhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, nhiệt hóa hơi cao, sức căng bề mặt lớn so với các dung môi khácPhân tử có tính phân cựcGóc liên kết không phải tứ diệnĐóng vai trò cho và nhận proton trong liên kết hydro Có khả năng hình thành 4 liên kết hydro / 1 phân tử nước(Vị trí mà các thành phần tham gia lực hút của tương tác van der Waals cân bằng với các thành phần tham gia lực đẩy)Cấu trúc phân tử nướcBản chất lưỡng cực của phân tử nước (a, b): hai nguyên tử hydro mang một phần điện tích dương +, và nguyên tử oxygen mang một phần điện tích âm –Liên kết hydroHình thành giữa nguyên tử hydro và nguyên tử mang điện tích âmNguyên tử liên kết cộng hóa trị với H là nguyên tử cho proton (proton donor)Nguyên tử kéo proton về phía nó là nguyên tử nhận proton (proton acceptor)3 nguyên tử có xu hướng nằm trên một đường thẳngHai phân tử nước liên kết nhau qua liên kết hydrogen (ký hiệu 3 vạch xanh)Liên kết hydro giữa các phân tử nước rất linh độngSo sánh giữa nước và nước đásNướcNước đáTỷ trọng ở 0°C (g/ml)1.000.92Số lk H/1 ptử2.34Sự phân bố của các phân tử ở nhiệt độ phòng3.44O ••• O khoảng cách ở 0°C2.82 Ǻ2.76 ǺLiên kết hydro định hướng và tạo điều kiện cho sự bố trí rất trật tự của các phân tử đặc trưng cho tinh thể nướcCác tính chất lý học của nước đá và chất lỏng tùy thuộc vào các liên kết hydroTính hòa tan của nướcCác phân tử muối (NaCl, K2HPO4,) dễ dàng tan trong nước do chúng phân ly thành các ion - được bao quanh và giữ ổn định bởi các phân tử nướcHiện tượng này được gọi là solvate hóa hay hydrate hóa (nếu nước là dung môi hòa tan)Các liên kết phi cộng hóa trị Liên kết hydro Tương tác tĩnh điện Lực Van der Waals Tương tác kỵ nướcLiên kết hydrogen là liên kết phổ biến trong các hệ sinh họcHướng liên kết của liên kết hydrogenLiên kết Hydrogen có định hướng rõ ràng và có khả năng giữ hai nhóm trong liên kết theo một cấu trúc hình học đặc trưngTương tác tĩnh điện giữa các điện tíchĐịnh luật Coulomb mô tả lực hút/đẩy giữa hai điện tíchTrong chân không: Fvac = ————Q1, Q2 : điện tích của hai nguyên tử r : khoảng cách giữa chúngQ1*Q2 r2Trong môi trường lực tương tác giảm và phụ thuộc vào điện tích  F = ———— hằng số điện môi của môi trường  = Fvac / F > 1Q1*Q2 *r2Định nghĩa:1 esu (đơn vị tĩnh điện của điện tích ) là điện tích, khi đặt trong chân không ( = 1) trong khoảng cách 1 cm giữa hai điện tích, sẽ tạo lực đẩy là 1 dyneDyne là lực bất cân bằng tác động lên một khối lượng là 1 gram, tạo một gia tốc 1 cm/sec2 (a)F = m*aTương tác tĩnh điện giữa các điện tíchKhi sự phân ly điện tích diễn ra trong phân tử, phân tử sẽ mang một moment lưỡng cực cố định (permanent dipole moment)	µ = Q*r µ	moment lưỡng cực Q	Điện tích r	Khoảng cách phân ly giữa các điện tíchĐơn vị của moment lưỡng cực là D (debeye), 1 debeye = 10-18 esu*cmCác phân tử đa nguyên tử nói chung sẽ mang một moment lưỡng cực trừ phi các liên kết phân bố đối xứng trong phân tử và vì vậy chúng sẽ triệt tiêu nhau, e.g. CO2Nhưng: do vậy cấu trúc này sẽ mang moment lưỡng cựcO = C = O µCO µCO µ = 0µCO µCOµ >0 C O O==Lực Van der WaalsTương tác phi cộng hóa trị giữa các phân tử trung hòa về điện tích được gọi là lực hút Van der Waals Lực hút Van der Waals có thể diễn ra giữa: Phân tử lưỡng cực – Phân tử lưỡng cực Phân tử lưỡng cực – Phân tử trung tính phân tử trung tính – Phân tử trung tínhMột số bán kính Van der Waals AtomCovalent bondingvan der Waals radius (Å)hydrogen1.00carbondoublearomaticamide1.601.701.50oxygen1.35nitrogenaromaticamide1.701.45sulfur1.70Các giá trị tiêu biểu cho bán kính van der Waals của nguyên tử được tìm thấy trong proteins (1nm = 10 Å)Tương tác kỵ nướcTính tan của một chất tùy thuộc vào khả năng của dung môi trong tương tác với chất tan mạnh hơn là sự tương tác lẫn nhau giữa các chất tanTính lưỡng cực của phân tử nước tạo điều kiện cho nước: Là dung môi hòa tan tốt cho các chất phân cực/ các ion Các phân tử phân cực / các ion là các phân tử ái nước (HYDROPHILIC)  ( hydor = water + philos = loving )Các phân tử phân cực tan dễ dàng trong nước do chúng thay thế liên kết nước -nước bằng liên kết thích hợp hơn về mặt năng lượng nước–chất tan Là dung môi hòa tan kém cho các phân tử không phân cựcCác chất này được gọi là các chất kỵ nước (HYDROPHOBIC) ( phobos = sợ )Chúng không thể tạo liên kết nước - chất tan  tan kém trong nướcNước có thể hòa tan các chất có mang các nhóm chức năng như:Nhóm hydroxyl Nhóm cetoNhóm carboxylNhóm aminTan trong nướcKhông tan trong nướcLưỡng tínhPhân cựcKhông phân cựcMột số ví dụ các phân tử lưỡng cực, không phân cực, phân cực (pH=7)Không phân cựcLưỡng cựcPhân cựcGlucoseBảng 4-2Các phân tử không phân cực Ảnh hưởng đến tương tác nước - nước Các phân tử không phân cực có khuynh hướng cụm lại. Vì chúng làm biến đổi cấu trúc của phân tử nước theo hướng không thuận lợi về mặt năng lựong Hỗn hợp nước-benzene, nước-hexane, ... sự hình thành hai lớp.Các nhóm chất kỵ nước trong dung dịch sẽ cụm lại trong một cái lồng áo nước bao quanh.Các phân tử lưỡng tính (Amphiphilic Molecules)Chứa cả nhóm phân cực và nhóm không phân cựcTồn tại trong cả môi trường phân cực và không phân cực	(Equivalently - to molecules that are attracted to both polar and nonpolar environments)Các phân tử lưỡng tính (thí dụ phospholipids)Nguyên lý chung cho sự hình thành cấu trúc màng sinh học (Cấu trúc màng đôi của phospholipid)Các tương tác yếu rất quan trọng trong việc hình thành cấu trúc không gian ba chiều của các đại phân tử sinh học và chức năng của chúng Liên kết hydrogen Liên kết ion Tương tác kỵ nước Tương tác Van der WaalsÁp suất thẩm thấuThêm chất tan vào nước  làm thay đổi tính chất của nước Giảm điểm đông đặc Tăng điểm sôi Giảm áp suất hơi Tăng áp suất thẩm thấuTrong dung dịch nồng độ 1 M, áp suất thẩm thấu khoảng 22.4 atmÁp suất thẩm thấuTế bào dự trữ các đại phân tử  có lợi hơn dự trữ các phân tử nhỏ (VD: tinh bột thay vì glucose) để giảm áp suất thẩm thấu bên trong tế bào (bằng cách tổng hợp glucose thành tinh bột  giảm nồng độ mol của glucose)Để đảo ngược áp suất thẩm thấu cần một năng lượng lớnpH- pH- Sự phân ly của chất điện ly yếu- Phương trình Henderson-HasselbalchH2O	OH- + H+[OH-] x [H+] = 1x10-14H2O + H2O	OH- + H3O+Ở 25°C, [H3O+] của nước bằng 1 x 10-7 M, hay pH = 7.0Sự ion hóa của nướcpHpH = - log10 [H+]Nếu [H+] = 1 x 10 -7 M	thì pH = 7Sự phân ly của chất điện ly yếuVí dụ một acid yếu có công thức HASự phân ly của acid trên được biểu diễn bằng phương trình:	HA H+ + A-Hằng số phân ly:	 [ H + ] [ A - ] 	 	 Ka = -------------------------------------	 [HA] 	Phương trình Henderson-HasselbalchĐối với một acid bất kỳ HA, mối quan hệ giữa giá trị pKa, nồng độ các thành phần ở trạng thái cân bằng và pH của dung dịch được cho bởi phương trình:	pH = pKa + log10 [A¯ ] 	 	 ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯	 	 	 [HA] Khi [A-] = [HA] thì pH = pKa	Ví dụ sự phân ly của acid acetic0.1 M OH- được thêm vào dung dịch acid acetic proton hóa hoàn toàn0.5 M OH- được thêm vào dung dịch acid acetic proton hóa hoàn toàn0.9 M OH- được thêm vào dung dịch acid acetic proton hóa hoàn toànVí dụ sự phân ly của acid acetic	Phương trình Henderson - Hasselbalch để tính pH của dung dịch như sau:1) Với 0.1 M OH¯ được thêm vào:pH = pKa + log10 [0.1 ] --------------------------------------------------------------------------------------------------- [0.9]pH = 4.76 + (-0.95)pH = 3.81Ka of acetic acid = 1.74 x 10-5pKa = 4.76Ví dụ sự phân ly của acid acetic2) Với 0.1 M OH¯ được thêm vào :pH = pKa + log10 [0.5 ] 	 ¯ ¯¯¯¯¯¯¯¯¯	 	 	 [0.5]pH = 4.76 + 0pH = 4.76 = pKaVí dụ sự phân ly của acid acetic3) Với 0.9 M OH¯ được thêm vào :pH = pKa + log10 [0.9 ] 	 ¯ ¯¯¯¯¯¯¯¯¯	 	 	 [0.1]pH = 4.76 + 0.95pH = 5.71	Sự có mặt của OH- càng nhiều thì pH của dung dịch acid acetic càng tăng lênDung dịch đệm (Buffer)Là dung dịch có khả năng ngăn sự thay đổi pH khi thêm vào một lượng nhỏ acid hoặc base mạnh.Hầu hết dung dịch đệm bao gồm một acid yếu và base liên hợp (conjugate base) của nóBuffer chỉ có khả năng đệm tốt trong khoảng (pka - 1, pka + 1)Đường chuẩn độ (Titration curve)