Structura moleculara a sistemelor biologice

1. Structura moleculara a sistemelor biologice • Legaturi intramoleculare Orice reprezentare a dinamicii moleculelor si a structurilor supramoleculare trebuie sa inceapa cu: • atomul • organizarea energiilor pe nivele energetice • interactunile dintre atomi.

2. Lucrul mecanic NECESAR pentru a indeparta electronul de pe “orbita” Energia de valenta a electronului • impotriva fortei de atractie a nucleului • la distanta infinita • Energie de ionizare: indepartarea electronului duce la formarea unui ion

3. Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger 1887-1961

4. What is Life? 1944 Francis Crick unul dintre descoperitorii ADN-ului a mentionat “What is Life?” : o descriere teoretica inainte de descoperirea ADN-ului

6. http://en.wikipedia.org/wiki/Schr%C3%B6dinger's_cat

8. http://bio.unibuc.ro/general/splai/foto/splai11.jpg

9. Ecuatia lui Schrodinger • Fundamentarea teoretica pe baza careia se obtin functiile de unda ale electronilor Probabilitatea de existenta a electronilor intr-o anumita regiune din spatiu.

10. HY=EY • Functia de unda care descrie starea stationara a unui electron este denumita ORBITAL NOR ELECTRONIC: descriere mai adecvata a naturii statistice a distributiei electronului.

11. http://www.orbitals.com/orb/

12. Orbitali sferici • Asa cum sunt cei ai hidrogenului au l=0 si m=0. Mai sunt denumiti si orbitali de tip s

13. n=2 • Numarul cuantic l ia valoarea 0 dar ocazional poate fi si 1. Forma orbitalilor corespunzatori este de sfera dubla. • Pozitionarea axelor este determinata de numerele m (-1,0,+1). Orbitalii corespunzatori sunt orbitali de tip p

14. Legaturi covalente. Orbitali moleculari • Datorita interactiunilor electromagnetice dintre electroni • nivelele energetice ale moleculei pot fi mai scazute decat suma nivelelor energetice ale atomilor neperturbati Se formeaza o legatura chimica

15. Energia de legatura intramoleculara de legatura are cateva componente: • Energia cinetica a electronilor • Energia electrostatica dintre electroni si nuclee • Energia electrostatica dintre electroni • Energia electrostatica dintre nuclee

16. Energiile au semne diferite • Energia negativa semnifica forta de atractie, (“stablizatoare”) . • In principal, depinde de distantele de separare. - La o anumita distanta energia are minim = distanta de legatura dintre doi atomi din molecula.

17. Problema poate fi rezolvata cu precizie (analitic) doar pentru molecula de hidrogen (H2 ) !!! • Pentru molecule mai complicate (chiar si numai diatomice) se procedeaza la diverse APROXIMARI si mai ales la rezolvari numerice ale ecuatiilor functiilor de unda • Rezolvari bazate pe tehnica de calcul

18. Exemplificare: Atomul de carbon • 2s22px2py • s este ocupat (“complet”) de doi electoni • pe orbitalii px si py se afla doar cate un electron neimperechiat In consecinta doar 2 din cei patru electroni de valenta pot forma legaturi.

19. O caracteristica a atomului de carbon • Saltul pe un un nivel intermediar de energie joasa (~ 250 kJ/mol) inainte de reactie 2s22px2py 2s 2px 2py 2pz

20. Atomul de azot • Ramane in starea trivalenta pe toata durata reactiei 2s2 2px 2py 2pz

21. IN PRINCIPIU • Geometria moleculei poate fi reprezentata de suprapunerea simpla a orbitalilor implicati in formarea atomilor

22. Carbonul Tema pentru acasa!

23. Legatura ionica • Daca efectul de polarizare este impins la extrem, nu se mai formeaza un orbital molecular sau electroni de legatura. - Se produce: un transfer total al unui electron de valenta de la un atom la celalalt. o separare totala de sarcina. Se formeaza ioni care se atrag prin forte electrostatice.

24. “Discutie” • Fara legatura covalenta nu mai exista identitate moleculara • Exemplu: nu se mai poate vorbi de molecula de NaCl deoarece: • in solutie, disociaza si este doar o expresie a stoichiometriei dintre cei doi ioni • cristalul de NaCl este o supermolecula produsa de aranjarea ordonata a ionilor (structura cristalina)

25. Legea lui Coulomb

26. Energia de legatura • Lucrul mecanic necesar pentru a misca ionul de la distanta de legatura la distanta infinita de contraion Lucrul diferential (dW) care poate fi foarte mic dar FINIT ca valoare Poate fi calculat ca produsul dintre forta (F) si distanta corespunzatoare (dr)

27. Lucrul mecanic necesar pentru a misca o sarcina de la infinit la distanta x1 este Energia de legatura (E): energia necesara pentru a rupe legatura, deci pentru a deplasa sarcina de la distanta x=x1 la distanta x=infinit E=-W

28. Exemplu: legatura Na Cl |q|=1.602 10-19 C distanta dintre ioni = ?

29. Daca ar exista doar forte electrostatice? • Ionii se vor apropia pina la colaps Exista (trebuie) si o FORTA REPULSIVA care impiedica colapsul si care sa conduca la formarea unui minim energetic corespunzator distantei de legatura • Componenta repulsiva a energiei de interactiune Van der Waals • Se poate estimata pe baza razelor Van der Waals: se considera atomii ca doua sfere rigide de anumite dimensiuni, sfere ca nu pot intrepatrunde.

30. Aproximari • Ionul de sodium: raza ~0.098 nm • Clor: ~ 0.181 nm. • In consecinta, distanta dintre cei doi atomi de Na+Cl- intr-o RETEA CRISTALINA (deoarece razele Van der Waals au fost estimate intr-o retea cristalina) este de r= 2.79 10-10 m E= -W=– (-1.602 10-19) (-1.602 10-19)/(4π (8.85 10-12).(2.79 10-10)=8.27 10-19 J

31. Exprimat in eV • E= (8.27 10-19) (6.242 1018) = 5.31 eV E = (8.27 10-19) (6.02 1023) = 4.98 105 J mol-1

32. Orbitalii moleculari pot duce la deplasari semnificative de sarcini in molecule • Ilustrare: distributie asimetrica a celor doi electroni din legatura covalenta. • Orbitalul molecular este deplasat spre unul dintre cei doi atomi din legatura covalenta Un element/atom este mai electronegativ decat celalalt

33. Sclara a electronegativitatii In general este o relatie directa intre numarul de ordine din tabelul periodic, numarul grupei si electronegativitate H<C<N<O<F I<Br<Cl<F

34. Dipol electric • Aproximativ 22% din energia legaturii C-O si 39% din cea H-O este atribuita acestui efect.

35. Molecula de apa

36. http://www.lsbu.ac.uk/water/h2oorb.html http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/intro3.htm dipol OH; In consecinta, cei doi atomi de hidrogen se resping unul pe celalalt (efect de polarizare).