CHUIONG1- NUOC

CHƯƠNG 1
NƯỚC – Môi trường của sự sống
Nội dung
Tính chất vật lý và hóa học của nước
Các liên kết phi cộng hóa trị
pH
Dung dịch đệm
Tính chất của nước
Tính chất của nước
Liên kết hydro giữa các phân tử nước
Tính hòa tan của nước
Áp suất thẩm thấu
Nước - Thành phần cơ bản của sự sống
Sự sống luôn diễn ra trong môi trường lỏng
Ngay từ lúc khởi đầu…
Và cho đến ngày nay
Hiểu rõ tính chất của nước
Vai trò của các đại phân tử sinh học trong cấu trúc và chức năng của tế bào
Nước là thành phần cơ bản trong trong cơ thể sống
Nước chiếm 70 % trọng lượng cơ thể
Về mặt tính chất NƯỚC TRONG TẾ BÀO khác với NƯỚC MÔI TRƯỜNG BÊN NGOÀI
Các tính chất của nước
Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, nhiệt hóa hơi cao, sức căng bề mặt lớn so với các dung môi khác
Phân tử có tính phân cực
Góc liên kết không phải tứ diện
Đóng 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 nước
Bản 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 hydro
Hình thành giữa nguyên tử hydro và nguyên tử mang điện tích âm
Nguyên 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 thẳng
Hai 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 động
So sánh giữa nước và nước đá
s
Liên kết hydro định hướng và tạo điều kiện cho sự bố trí rất trật tự của các phân tử đặc trưng cho tinh thể nước
Các tính chất lý học của nước đá và chất lỏng tùy thuộc vào các liên kết hydro
Tính hòa tan của nước
Các 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 nước
Hiện 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 nước
Liên kết hydrogen là liên kết phổ biến trong các hệ sinh học
Hướng liên kết của liên kết hydrogen
Liên kết Hydrogen có định hướng rõ ràng và có khả năng giữ hai nhóm trong liên kết theo một cấu trúc hình học đặc trưng
Tương tác tĩnh điện giữa các điện tích
Định luật Coulomb mô tả lực hút/đẩy giữa hai điện tích

Trong chân không: Fvac = ————


Q1, Q2 : điện tích của hai nguyên tử
r : khoảng cách giữa chúng
Q1*Q2
r2
Trong môi trường lực tương tác giảm và phụ thuộc vào điện tích

F = ————

 hằng số điện môi của môi trường
 = Fvac / F > 1
Q1*Q2
*r2
Định 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 dyne
Dyne là lực bất cân bằng tác động lên một khối lượng là 1 gram, tạo một gia tốc 1 cm/sec2 (a)
F = m*a
Tương tác tĩnh điện giữa các điện tích
Khi 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 tích
Đơn vị của moment lưỡng cực là D (debeye), 1 debeye = 10-18 esu*cm
Các 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. CO2

Nhưng:


do vậy cấu trúc này sẽ mang moment lưỡng cực
Lực Van der Waals
Tương 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 tính
Một số bán kính Van der Waals
Các giá trị tiêu biểu cho bán kính van der Waals của nguyên tử được tìm thấy trong proteins (1nm = 10 Å)
Tương tác kỵ nước
Tính 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 tan
Tính 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 cực
Các chất này được gọi là các chất kỵ nước (HYDROPHOBIC) ( phobos = sợ )
Chúng không thể tạo liên kết nước - chất tan  tan kém trong nước
Nước có thể hòa tan các chất có mang các nhóm chức năng như:
Nhóm hydroxyl
Nhóm ceto
Nhóm carboxyl
Nhóm amin
Tan trong nước




Không tan trong nước


Lưỡng tính
Phân cực
Không phân cực
Một số ví dụ các phân tử lưỡng cực, không phân cực, phân cực (pH=7)
Không phân cực
Lưỡng cực
Phân cực
Glucose
Bảng 4-2
Các 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 cực
Tồn 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 Waals
Áp suất thẩm thấu
Thêm 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 thấu
Trong dung dịch nồng độ 1 M, áp suất thẩm thấu khoảng 22.4 atm
Áp suất thẩm thấu
Tế 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 lớn
pH
- pH
- Sự phân ly của chất điện ly yếu
- Phương trình Henderson-Hasselbalch
H2O OH- + H+
[OH-] x [H+] = 1x10-14

H2O + H2O OH- + H3O+
Ở 25°C, [H3O+] của nước bằng 1 x 10-7 M, hay pH = 7.0
Sự ion hóa của nước
pH
pH = - log10 [H+]
Nếu [H+] = 1 x 10 -7 M
thì pH = 7

Sự phân ly của chất điện ly yếu
Ví dụ một acid yếu có công thức HA
Sự 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-Hasselbalch
Đối 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 acetic
0.1 M OH- được thêm vào dung dịch acid acetic proton hóa hoàn toàn
0.5 M OH- được thêm vào dung dịch acid acetic proton hóa hoàn toàn
0.9 M OH- được thêm vào dung dịch acid acetic proton hóa hoàn toàn
Ví 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 = 3.81
Ka of acetic acid = 1.74 x 10-5
pKa = 4.76
Ví dụ sự phân ly của acid acetic
2) Với 0.1 M OH¯ được thêm vào :

pH = pKa + log10 [0.5 ]
¯ ¯¯¯¯¯¯¯¯¯
[0.5]
pH = 4.76 + 0

pH = 4.76 = pKa
Ví dụ sự phân ly của acid acetic
3) Với 0.9 M OH¯ được thêm vào :

pH = pKa + log10 [0.9 ]
¯ ¯¯¯¯¯¯¯¯¯
[0.1]
pH = 4.76 + 0.95

pH = 5.71

Sự có mặt của OH- càng nhiều thì pH của dung dịch acid acetic càng tăng lên
Dung 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 nó
Buffer chỉ có khả năng đệm tốt trong khoảng (pka - 1, pka + 1)
Đường chuẩn độ (Titration curve)