Wstęp
MATERIAŁY POMOCNICZE DO WYKŁADÓW Z PODSTAW BIOFIZYKI
IIIr. Biotechnologii prof. dr hab. inż. Jan Mazerski
WWssttęępp
BBiiooffiizzyykkaa zzaajjmmuujjee ssiięę zzaassttoossoowwaanniieemm pprraaww ffiizzyycczznnyycchh ii ffiizzyykkoocchheemmiicczznnyycchh ddoo uukkłłaaddóóww
oożżyywwiioonnyycchh.. ZZee wwzzggllęędduu nnaa rrooddzzaajj uukkłłaadduu oożżyywwiioonneeggoo mmoożżnnaa wwyyrróóżżnniićć kkiillkkaa ddzziiaałłóóww bbiiooffiizzyykkii::
-- bbiiooffiizzyykkaa śśrrooddoowwiisskkaa
-- bbiiooffiizzyykkaa oorrggaanniizzmmóóww:: mmeeddyyccyynnaa ++ zzoooollooggiiaa ++ bboottaanniikkaa
-- bbiiooffiizzyykkaa nnaarrzząąddóóww:: jjww..
-- bbiiooffiizzyykkaa kkoommóórreekk:: mmiikkrroobbiioollooggiiaa
-- bbiiooffiizzyykkaa mmoolleekkuullaarrnnaa:: bbiioocchheemmiiaa ++ bbiiootteecchhnnoollooggiiaa
NNaa nnaasszzyycchh wwyykkłłaaddaacchh zzaajjmmoowwaaćć ssiięę bbęęddzziieemmyy bb ii oo ff ii zz yy kk ąą mm oo ll ee kk uu ll aa rr nn ąą ,, cczzyyllii
ffiizzyycczznnyymm ii ffiizzyykkoocchheemmiicczznnyymm ooppiisseemm bbiiooppoolliimmeerróóww.. PPoodd kkoonniieecc sseemmeessttrruu oommóówwiimmyy rróówwnniieeżż
wwyybbrraannee eelleemmeennttyy bbiiooffiizzyykkii kkoommóórreekk:: pprroobblleemmyy zzwwiiąązzaannee zz pprrzzeewwooddzzeenniieemm ssyyggnnaałłóóww nneerrwwoowwyycchh
oorraazz zz rruucchheemm mmeecchhaanniicczznnyymm kkoommóórreekk ii nnaarrzząąddóóww.. WWiięękksszzoośśćć cczzaassuu ppoośśwwiięęcciimmyy jjeeddnnaakk bbiiooffiizzyyccee
mmoolleekkuullaarrnneejj..
DDllaacczzeeggoo ddoo ooppiissuu bbiiooppoolliimmeerróóww nniiee wwyyssttaarrcczzaa mmeettooddyykkaa wwyypprraaccoowwaannaa pprrzzeezz
ffiizzyykkoocchheemmiięę rroozzttwwoorróóww?? PPrrzzeeddee wwsszzyyssttkkiimm ddllaatteeggoo,, żżee cchheemmiiaa ffiizzyycczznnaa zzaajjmmuujjee ssiięę uukkłłaaddaammii
wwyyiiddeeaalliizzoowwaannyymmii::
-- rroozzttwwoorryy ddoosskkoonnaałłee
-- rroozzttwwoorryy ssuubbssttaannccjjii mmaałłoocczząąsstteecczzkkoowwyycchh
-- uukkłłaaddyy ww ssttaanniiee rróówwnnoowwaaggii tteerrmmooddyynnaammiicczznneejj
-- pprroossttee wwłłaaśścciiwwoośśccii rreeoollooggiicczznnee..
JJeeddnnaakkżżee uukkłłaaddyy oożżyywwiioonnee ddaalleekkoo ooddbbiieeggaajjąą oodd ttyycchh wwyyiiddeeaalliizzoowwaannyycchh zzaałłoożżeeńń.. DDllaatteeggoo tteeżż
bbiiooffiizzyykkaa mmuussii zzaajjąąćć ssiięę ""nniieecchhcciiaannyymmii"" uukkłłaaddaammii::
-- bbiiooppoolliimmeerryy oo rroozzwwiinniięętteejj ii bbaarrddzzoo rróóżżnnoorrooddnneejj ppoowwiieerrzzcchhnnii
-- ggrraanniiccaa ffaazz bbiiooppoolliimmeerr -- wwooddnnee rroozzttwwoorryy ssoollii ii//lluubb iicchh mmiieesszzaanniinn
-- ssttrruukkttuurraammii ssuupprraammoolleekkuullaarrnnyymmii ((bbłłoonnyy lliippiiddoowwee))
-- ttrraannssppoorrtteemm nnaa ggrraanniiccyy ffaazz -- ttrraannssppoorrtt pprrzzeezz bbłłoonnyy lliippiiddoowwee
i
Część I: Woda w układach biologicznych
WODA W UKŁADACH BIOLOGICZNYCH
NNaa ppoocczząąttkkuu bbyyłaa wwooddaał
WWsszzyyssttkkiiee zznnaannee nnaamm uukkłłaaddyy żżyywwee wwyykkoorrzzyyssttuujjąą wwooddęę jjaakkoo rroozzppuusszzcczzaallnniikk ii śśrrooddoowwiisskkoo
pprroocceessóóww bbiioocchheemmiicczznnyycchh.. TTaakk wwiięęcc zzaanniimm pprrzzeejjddzziieemmyy ddoo oommaawwiiaanniiaa ffiizzyycczznnyycchh ii
ffiizzyykkoocchheemmiicczznnyycchh ppooddssttaaww ttyycchh pprroocceessóóww wwaarrttoo ppoośśwwiięęcciićć uuwwaaggęę tteemmuu wwsszzeecchhoobbeeccnneemmuu
śśrrooddoowwiisskkuu..
CCóóżż jjeeddnnaakk mmoożżee bbyyćć cciieekkaawweeggoo ww wwooddzziiee?? KKaażżddyy,, kkttoo uucczzyyłł ssiięę cchheemmiiii ww sszzkkoollee
ppooddssttaawwoowweejj zznnaa jjeejj wwzzóórr cchheemmiicczznnyy:: HH22OO.. JJeesstt ttoo pprroossttaa cczząąsstteecczzkkaa cchheemmiicczznnaa zzbbuuddoowwaannaa
zzaalleeddwwiiee zz 33 aattoommóóww,, kkttóórreejj ssttrruukkttuurraa ppoozznnaannaa jjeesstt oobbeeccnniiee ww nnaajjddrroobbnniieejjsszzyycchh sszzcczzeeggóółłaacchh.. TToo
pprraawwddaa,, aa jjeeddnnaakk jjeeżżeellii zzaappyyttaammyy ffiizzyykkoocchheemmiikkóóww nniiee oo cc zz ąą ss tt ee cc zz kk ęę ww oo dd yy ,, lleecczz oo
ss tt rr uu kk tt uu rr ęę cc ii ee kk łł ee jj ww oo dd yy ttoo wwyywwoołłaammyy ppeewwnnąą kkoonnsstteerrnnaaccjjęę..
PPrrzzeeddee wwsszzyyssttkkiimm wwłłaaśścciiwwoośśccii ffiizzyycczznnee cciieekkłłeejj wwooddyy nniiee ddaajjąą ssiięę wwyypprroowwaaddzziićć zzee wwzzoorruu
cczząąsstteecczzkkii wwooddyy.. DDoottyycczzyy ttoo ttaakkiicchh wwłłaaśścciiwwoośśccii jjaakk::
-- tteemmppeerraattuurraa wwrrzzeenniiaa ii mmoolloowwee cciieeppłłoo ppaarroowwaanniiaa
-- tteemmppeerraattuurraa ii cciieeppłłoo ttooppnniieenniiaa
-- ppoojjeemmnnoośśćć cciieeppllnnaa
-- nnaappiięęcciiee ppoowwiieerrzzcchhnniioowwee
-- ssttaałłaa ddiieelleekkttrryycczznnaa
-- lleeppkkoośśćć
ii wwiieellee iinnnnyycchh..
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250
Masa cząsteczkowa
Tem
p. w
rzen
ia [C
]
RRyyss..II..11:: ZZaalleeżżnnoośśćć tteemmppeerraattuurryy wwrrzzeenniiaa nn--aallkkaannóóww oodd iicchh mmaassyy cczząąsstteecczzkkoowweejj
1
Część I: Woda w układach biologicznych
ZZaajjmmiijjmmyy ssiięę ddllaa pprrzzyykkłłaadduu tteemmppeerraattuurrąą wwrrzzeenniiaa.. WWiiaaddoommoo,, żżee ddllaa pprroossttyycchh zzwwiiąązzkkóóww
nniieeoorrggaanniicczznnyycchh ii oorrggaanniicczznnyycchh wwiieellkkoośśćć ttaa zzaalleeżżyy oodd mmaassyy cczząąsstteecczzkkoowweejj.. NNpp.. ddllaa nn--aallkkaannóóww
uuzzyysskkuujjeemmyy zzaalleeżżnnoośśćć pprrzzeeddssttaawwiioonnąą nnaa RRyyss..II..11..
WWiiddzziimmyy,, żżee tteemmppeerraattuurraa wwrrzzeenniiaa rroośśnniiee mmoonnoottoonniicczznniiee zzee wwzzrroosstteemm mmaassyy cczząąsstteecczzkkoowweejj.. JJeeżżeellii nnaa
ppooddssttaawwiiee tteeggoo wwyykkrreessuu cchhcciieelliibbyyśśmmyy oosszzaaccoowwaaćć mmaassęę cczząąsstteecczzkkoowwąą wwooddyy,, ttoo oottrrzzyymmaammyy
aabbssuurrddaallnniiee wwyyssookkaa wwaarrttoośśćć:: ookk.. 110000 ddaallttoonnóóww..
PPooppaattrrzzmmyy tteerraazz,, TTaabb..II--11,, nnaa nnaajjbblliiżżsszzyycchh kkrreewwnnyycchh wwooddyy,, cczzyyllii wwooddoorrkkii ppiieerrwwiiaassttkkóóww IIVV,,
VV,, VVII ii VVIIII ggrruuppyy ggłłóówwnneejj..
TTaabbeellaa II--11 TTeemmppeerraattuurryy wwrrzzeenniiaa wwooddoorrkkóóww ppiieerrwwiiaassttkkóóww IIVV -- VVIIII ggrruuppyy ggłłóówwnneejj oorraazz iicchh mmaassyy cczząąsstteecczzkkoowwee
mmeettaann --116622°°CC
mm..cczz.. 1166
aammoonniiaakk --3344°°CC
mm..cczz.. 1177
wwooddaa ++110000°°CC mm..cczz.. 1188
fflluuoorroowwooddóórr ++2200°°CC
mm..cczz.. 1166 ssiillaann
--111122°°CC mm..cczz.. 3322
ffoossffoorriiaakk --8888°°CC
mm..cczz.. 3344
ssiiaarrkkoowwooddóórr --6611°°CC
mm..cczz.. 3344
cchhlloorroowwooddóórr --8855°°CC
mm..cczz.. 3344 ggeerrmmaannoowwooddóórr
--8899°°CC mm..cczz.. 7777
aarrsseennoowwooddóórr --5555°°CC
mm..cczz.. 7788
sseelleennoowwooddóórr --4422°°CC
mm..cczz.. 8811
bbrroommoowwooddóórr --6677°°CC
mm..cczz.. 8811 wwooddoorreekk ccyynnyy
--5522°°CC mm..cczz.. 112233
aannttyymmoonnoowwooddóórr --1177°°CC
mm..cczz.. 112255
tteelllluurroowwooddóórr --22°°CC
mm..cczz.. 113300
jjooddoowwooddóórr --4400°°CC
mm..cczz.. 112288
MMoonnoottoonniicczznnyy wwzzrroosstt tteemmppeerraattuurryy wwrrzzeenniiaa wwooddoorrkkóóww oobbsseerrwwuujjeemmyy ttyyllkkoo ddllaa IIVV ggrruuppyy ggłłóówwnneejj,,
cczzyyllii wwęęgglloowwccóóww.. WW ppoozzoossttaałłyycchh ggrruuppaacchh ssyyttuuaaccjjaa jjeesstt dduużżoo bbaarrddzziieejj sskkoommpplliikkoowwaannaa:: wwooddaa ii jjeejj
nnaajjbblliiżżssii ssąąssiieeddzzii wwyyrraaźźnniiee ooddbbiieeggaajjąą oodd ooggóóllnnyycchh rreegguułł.. PPrrzzyy ttyymm wwooddaa ssttaannoowwii ww ppeewwnnyymm sseennssiiee
oośśrrooddeekk tteeggoo ""zzaammiieesszzaanniiaa"".. WWiiddaaćć ttoo sszzcczzeeggóóllnniiee wwyyrraaźźnniiee nnaa RRyyss..II..22..
WĘGLOWCE
AZOTOWCETLENOWCE
FLUOROWCE0
100
200
300
400
Tem
p. w
rzen
ia [K
]
2
Część I: Woda w układach biologicznych
RRyyss..II..22:: TTeemmppeerraattuurryy wwrrzzeenniiaa wwooddoorrkkóóww ppiieerrwwiiaassttkkóóww IIVV -- VVIIII ggrruuppyy ggłłóówwnneejj
OOkkaazzuujjee ssiięę,, żżee ssyyttuuaaccjjaa ttaakkaa wwyyssttęęppuujjee nniiee ttyyllkkoo ww pprrzzyyppaaddkkuu tteemmppeerraattuurryy wwrrzzeenniiaa.. PPooddoobbnniiee
wwyygglląąddaa ssyyttuuaaccjjaa ww pprrzzyyppaaddkkuu iinnnnyycchh wwłłaaśścciiwwoośśccii cc ii ee kk łł ee jj ww oo dd yy ..
SSttrruukkttuurraa cciieekkłłeejj wwooddyy
WWyyjjąąttkkoowwee wwłłaaśścciiwwoośśccii wwooddyy wwyynniikkaajjąą oocczzyywwiiśścciiee zz bbuuddoowwyy ii wwłłaaśścciiwwoośśccii jjeejj cczząąsstteecczzeekk..
AAttoommyy ttwwoorrzząąccee cczząąsstteecczzkkąą wwooddyy ppoołłąącczzoonnee ssąą wwiiąązzaanniiaammii kkoowwaalleennccyyjjnnyymmii ttwwoorrzząąccyymmii kkąątt ookk..
110044°°..
PPoo ppiieerrwwsszzee cczząąsstteecczzkkii wwooddyy ppoossiiaaddaajjąą ssiillnnyy mmoommeenntt ddiippoolloowwyy..
WWyynniikkaa oonn zz dduużżeejj rróóżżnniiccyy eelleekkttrroouujjeemmnnoośśccii ppoommiięęddzzyy
aattoommeemm ttlleennuu ii aattoommeemm wwooddoorruu.. WW eeffeekkcciiee aattoomm ttlleennuu ssttaajjee ssiięę
uujjeemmnnyymm bbiieegguunneemm ddiippoolluu,, aa śśrrooddeekk ooddlleeggłłoośśccii ppoommiięęddzzyy
aattoommaammii wwooddoorruu bbiieegguunneemm ddooddaattnniimm..
OH H
104oδ+δ+
δ−
Μ
KKaażżddyy ddiippooll cczząąsstteecczzkkii wwooddyy wwyyttwwaarrzzaa wwookkóółł ssiieebbiiee ppoollee eelleekkttrryycczznnee.. OOddddzziiaałłyywwaanniiee tteeggoo ppoollaa zz
ppoollaammii iinnnnyycchh ddiippoollii ((cczząąsstteecczzeekk wwooddyy)) lluubb łłaadduunnkkóóww ((jjoonnóóww)) pprroowwaaddzzii ddoo::
-- oorriieennttaaccjjii cczząąsstteecczzeekk
-- ooddddzziiaałłyywwaańń eelleekkttrroossttaattyycczznnyycchh pprroowwaaddzząąccyycchh ddoo ppoowwssttaawwaanniiaa aaggrreeggaattóóww cczząąsstteecczzeekk..
PPoo ddrruuggiiee cczząąsstteecczzkkaa wwooddyy zzddoollnnaa jjeesstt ddoo ttwwoorrzzeenniiaa ssiillnnyycchh wwiiąązzaańń wwooddoorroowwyycchh.. KKaażżddaa
cczząąsstteecczzkkaa wwooddyy mmoożżee uuttwwoorrzzyyćć 22 wwiiąązzaanniiaa wwooddoorroowwee ww kkttóórryycchh jjeejj aattoommyy wwooddoorruu bbęęddąą
ooddggrryywwaałłyy rroollęę ddoonnoorróóww oorraazz 22 wwiiąązzaanniiaa ww kkttóórryycchh wwoollnnee ppaarryy ooddggrryywwaaćć bbęęddąą rroollęę
aakkcceeppttoorróóww wwiiąązzaanniiaa..
RRyyss..II..33:: WWiiąązzaanniiaa wwooddoorroowwee jjaakkiiee mmoożżee uuttwwoorrzzyyćć ppoojjeeddyynncczzaa cczząąsstteecczzkkaa wwooddyy
WW eeffeekkcciiee kkaażżddaa cczząąsstteecczzkkaa wwooddyy ssttaaćć ssiięę mmoożżee cczztteerroowwiiąązzaallnnyymm wwęęzzłłeemm ssiieeccii wwiiąązzaańń
wwooddoorroowwyycchh oobbeejjmmuujjąącceejj ww sspprrzzyyjjaajjąąccyycchh wwaarruunnkkaacchh ddzziieessiiąąttkkii,, sseettkkii aa nnaawweett ttyyssiiąąccee
iinnddyywwiidduuaallnnyycchh cczząąsstteecczzeekk..
3
Część I: Woda w układach biologicznych
IIssttnniieenniiee ttaakkiicchh aaggrreeggaattóóww cczząąsstteecczzkkoowwyycchh ppoowwoodduujjee,, żżee ww pprrzzyyppaaddkkuu cciieekkłłeejj wwooddyy
ppoowwiinnnniiśśmmyy wwłłaaśścciiwwiiee ppoossłłuuggiiwwaaćć ssiięę wwzzoorreemm ((HH22OO))nn.. TTaakkiiee ppooddeejjśścciiee ppoozzwwaallaa dduużżoo lleeppiieejj
pprrzzeewwiiddzziieećć zzaacchhoowwaanniiee ssiięę uukkłłaaddóóww zzaawwiieerraajjąąccyycchh cciieekkłłąą wwooddęę..
CCzząąsstteecczzkkii wwooddyy zzddoollnnee ssąą ddoo ttwwoorrzzeenniiaa wwiiąązzaańń wwooddoorroowwyycchh nniiee ttyyllkkoo ppoommiięęddzzyy ssoobbąą,, aallee rróówwnniieeżż
zz wwiieelloommaa ppoollaarrnnyymmii ggrruuppaammii ffuunnkkccyyjjnnyymmii zzwwiiąązzkkóóww oorrggaanniicczznnyycchh.. ZZ ppuunnkkttuu wwiiddzzeenniiaa bbiiooffiizzyykkii
nnaajjwwiięękksszzee zznnaacczzeenniiee mmaajjąą pprrzzyy ttyymm ggrruuppyy:: hhyyddrrookkssyylloowwaa,, aammiinnoowwaa,, aammiiddoowwaa,, kkaarrbboonnyylloowwaa ii
kkaarrbbookkssyylloowwaa wwyyssttęęppuujjąąccee ww nnaattuurraallnnyycchh mmaakkrroocczząąsstteecczzkkaacchh..
PPoodd wwzzggllęęddeemm bbuuddoowwyy pprrzzeessttrrzzeennnneejj nnaajjlleeppiieejj ppoozznnaannaa jjeesstt ssttrruukkttuurraa wwooddyy ww ssttaanniiee ssttaałłyymm
cczzyyllii lloodduu.. WW kkrryysszzttaałłaacchh lloodduu oottrrzzyymmaanneeggoo ww nnoorrmmaallnnyycchh wwaarruunnkkaacchh cczząąsstteecczzkkii wwooddyy uułłoożżoonnee ssąą
ww wwęęzzłłaacchh ssiieeccii kkrryyssttaalliicczznneejj ww ooddlleeggłłoośśccii 00,,226677 nnmm.. FFrraaggmmeenntt ttaakkiieejj ssiieeccii pprrzzeeddssttaawwiiaa rryyssuunneekk::
RRyyss..II..44:: FFrraaggmmeenntt ssiieeccii kkrryyssttaalliicczznneejj lloodduu.. KKóółłkkaa ssyymmbboolliizzuujjąą cczząąsstteecczzkkii wwooddyy zzaaaannggaażżoowwaannee ww
tteettrraaeeddrryycczznnyymm uukkłłaaddzziiee wwiiąązzaańń wwooddoorroowwyycchh..
NNaa ooddlleeggłłoośśćć ppoommiięęddzzyy wwęęzzłłaammii ssiieeccii kkrryyssttaalliicczznneejj ((aattoommaammii ttlleennuu)) sskkłłaaddaa ssiięę ddłłuuggoośśćć
kkoowwaalleennccyyjjnneeggoo wwiiąązzaanniiaa OO--HH wwyynnoosszząąccaa 00,,009999 nnmm oorraazz ddłłuuggoośśćć wwiiąązzaanniiaa wwooddoorroowweeggoo
wwyynnoosszząąccaa 00,,117777 nnmm.. PPrrzzeeddssttaawwiioonnaa ppoowwyyżżeejj ssttrruukkttuurraa lloodduu nniiee jjeesstt ttwwoorreemm ssttaattyycczznnyymm.. LLiicczznnee
ddaannee ddoośśwwiiaaddcczzaallnnee jjaakk ii wwyynniikkii oobblliicczzeeńń kkoommppuutteerroowwyycchh ppookkaazzuujjąą,, żżee ddzziięękkii eenneerrggiiii rruucchhóóww
tteerrmmiicczznnyycchh cczząąsstteecczzkkii wwooddyy ww wwęęzzłłaacchh ssiieeccii kkrryyssttaalliicczznneejj wwyykkoonnyywwaaćć mmooggąą ddrrggaanniiaa ii oobbrroottyy..
ZZddaarrzzaa ssiięę żżee ddoocchhooddzzii wwtteeddyy ddoo wwyymmiiaannyy ppaarrttnneerróóww wwiiąązzaańń wwooddoorroowwyycchh.. PPoowwssttaajjąąccee
nniieerreegguullaarrnnoośśccii ssiieeccii kkrryyssttaalliicczznneejj nniiwweelloowwaannee ssąą ppoopprrzzeezz rruucchhyy rreellaakkssaaccyyjjnnee ssąąssiieeddnniicchh
4
Część I: Woda w układach biologicznych
cczząąsstteecczzeekk.. JJaakk wwyykkaazzaałłyy bbaaddaanniiaa zz zzaassttoossoowwaanniieemm zznnaacczznniikkóóww iizzoottooppoowwyycchh nniieerreegguullaarrnnoośśccii ttaakkiiee
ooddppoowwiieeddzziiaallnnee ssąą zzaa zzjjaawwiisskkaa ttaakkiiee jjaakk ddyyffuuzzjjaa mmaałłyycchh cczząąsstteecczzeekk ww kkrryysszzttaallee lloodduu oorraazz wwyymmiiaannaa
cczząąsstteecczzeekk ppoommiięęddzzyy kkrryysszzttaałłeemm ii oottaacczzaajjąąccąą ggoo cciieekkłłąą wwooddąą..
SSttrruukkttuurraa wwooddyy ww ssttaanniiee cciieekkłłyymm nniiee jjeesstt mmoożżlliiwwaa ddoo jjeeddnnoozznnaacczznneeggoo,, ssttaattyycczznneeggoo ooppiissaanniiaa..
WW wwooddzziiee jjaakkoo cciieecczzyy iissttnniieejjee nniieewwąąttpplliiwwiiee zznnaacczznnyy ssttooppiieeńń nniieeuuppoorrzząąddkkoowwaanniiaa.. ZZ ddrruuggiieejj jjeeddnnaakk
ssttrroonnyy iissttnniieejjee wwiieellee ppoośśrreeddnniicchh ddaannyycchh ddoośśwwiiaaddcczzaallnnyycchh wwsskkaazzuujjąąccyycchh,, żżee ww cciieekkłłeejj wwooddzziiee
wwyyssttęęppuujjąą rróówwnniieeżż ppeewwnnee uuggrruuppoowwaanniiaa,, aassooccjjaattyy cczząąsstteecczzeekk ((kkllaasstteerryy)).. IIcchh wwiieellkkoośśćć zzaalleeżżyy oodd
tteemmppeerraattuurryy ii sszzaaccuujjee ssiięę,, żżee ww tteemmppeerraattuurrzzee ppookkoojjoowweejj zzaawwiieerraaćć oonnee mmooggąą śśrreeddnniioo ookk.. 110000
cczząąsstteecczzeekk wwooddyy..
IIssttnniieejjąą ssiillnnee pprrzzeessłłaannkkii,, żżee ttee kkllaasstteerryy ssttaannoowwiićć mmooggąą ppoozzoossttaałłoośśccii,, ffrraaggmmeennttyy ssiieeccii kkrryyssttaalliicczznneejj
lloodduu.. ZZ rroozzwwaażżaańń eenneerrggeettyycczznnyycchh wwyynniikkaa,, żżee pprrzzyy ttooppnniieenniiuu lloodduu zzeerrwwaanniiuu uulleeggaa ttyyllkkoo ookk.. 1155%%
wwiiąązzaańń wwooddoorroowwyycchh.. OOzznnaacczzaa ttoo,, żżee ww cciieekkłłeejj wwooddzziiee ww tteemmppeerraattuurrzzee ookk.. 00°°CC zzaacchhoowwaannaa jjeesstt
zznnaacczznnaa cczzęęśśćć ssttrruukkttuurryy kkrryyssttaalliicczznneejj lloodduu.. WW mmiiaarręę wwzzrroossttuu tteemmppeerraattuurryy wwiieellkkoośśćć ttyycchh
ffrraaggmmeennttóóww sszzyybbkkoo mmaalleejjee,, aallee nnaawweett ww ppoobblliiżżuu tteemmppeerraattuurryy wwrrzzeenniiaa wwyyssttęęppoowwaaćć jjeesszzcczzee mmooggąą
kkiillkkuucczząąsstteecczzkkoowwee kkllaasstteerryy bbęęddąąccee ppoozzoossttaałłoośścciiaammii ssiieeccii kkrryyssttaalliicczznneejj lloodduu..
PPrroossttee rroozzwwaażżaanniiaa ggeeoommeettrryycczznnee ppookkaazzuujjąą,, żżee zzee wwzzggllęędduu nnaa ggeeoommeettrriięę cczząąsstteecczzkkii wwooddyy
nnaajjpprroossttsszzyymm mmoożżlliiwwyymm kkllaassttrreemm ppoozzbbaawwiioonnyymm nnaappiięęćć ppoowwiinniieenn bbyyćć ppiięęcciiookkąątt ffoorreemmnnyy zz
cczząąsstteecczzkkaammii wwooddyy ww nnaarroożżaacchh..
AA))
BB))
RRyyss..II..55:: SScchheemmaatt ddwwóócchh mmoożżlliiwwyycchh ssttrruukkttuurr kkllaattrraattóóww uuttwwoorrzzoonnyycchh zz cczząąsstteecczzeekk wwooddyy.. KKóółłkkaa nnaa
rryyssuunnkkuu ssyymmbboolliizzuujjąą ppoozzyyccjjee aattoommóóww ttlleennuu.. AA)) wwyyppuukkłłyy kkllaattrraatt uuttwwoorrzzoonnyy zz 2200 cczząąsstteecczzeekk
wwooddyy;; wwsszzyyssttkkiiee śścciiaannyy ssąą ppiięęcciiookkąąttaammii ffoorreemmnnyymmii,, BB)) kkllaasstteerr ggwwiiaaźźddzziissttyy oottwwoorrzzoonnyy zz 1155
cczząąsstteecczzeekk wwooddyy;; mmoożżnnaa ssiięę ww nniimm ddoosszzuukkaaćć ppoozzoossttaałłoośśccii ssiieeccii kkrryyssttaalliicczznneejj lloodduu..
OOpprróócczz ppoozzoossttaałłoośśccii ssiieeccii kkrryyssttaalliicczznneejj lloodduu ww cciieekkłłeejj wwooddzziiee wwyyssttęęppuujjąą rróówwnniieeżż kkllaasstteerryy oo
ooddmmiieennnneejj ssttrruukkttuurrzzee.. MMooggąą ttoo bbyyćć nnpp.. ttzzww.. kkllaattrraattyy kkttóórryycchh ssttrruukkttuurręę pprrzzeeddssttaawwiioonnoo nnaa RRyyss..II..55 AA..
5
Część I: Woda w układach biologicznych
MMaajjąą oonnee ffoorrmmęę rreegguullaarrnneeggoo ddwwuunnaassttoośścciiaannuu oo śścciiaannaacchh ww kksszzttaałłcciiee ffoorreemmnnyycchh ppiięęcciiookkąąttóóww..
PPoonniieewwaażż kkaażżddyy aattoomm ttlleennuu wwyyssttęęppuujjąąccyy ww nnaarroożżuu kkllaattrraattuu mmaa jjeesszzcczzee ppootteennccjjaallnniiee jjeeddeenn
nniieewwyyssyyccoonnyy kkiieerruunneekk ooddddzziiaałłyywwaanniiaa,, wwiięęcc kkllaattrraattyy ttwwoorrzzyyćć mmooggąą ttrróójjwwyymmiiaarroowwąą ssiieećć
wwyyppeełłnniiaajjąąccąą ccaałłąą pprrzzeessttrrzzeeńń.. OOddlleeggłłoośśccii ppoommiięęddzzyy nnaarroożżaammii kkllaattrraattuu ((wwęęzzłłaammii ssiieeccii)) ssąą wwiięękksszzee
nniiżż ww ssttrruukkttuurrzzee lloodduu.. JJeesstt ttoo sskkuuttkkiieemm wwzzrroossttuu ddłłuuggoośśccii wwiiąązzaańń wwooddoorroowwyycchh ii wwsskkaazzuujjee nnaa iicchh
oossłłaabbiieenniiee.. WW tteejj ssyyttuuaaccjjii wwnnęęttrrzzee kkllaattrraattuu ttwwoorrzzyy nnaa ttyyllee oobbsszzeerrnnąą kkllaattkkęę,, żżee mmoożżee ssiięę ww nniieejj
zzmmiieeśścciićć ddooddaattkkoowwaa cczząąsstteecczzkkaa wwooddyy lluubb iinnnnaa mmaałłaa cczząąsstteecczzkkaa.. WW cciieekkłłeejj wwooddzziiee ttwwoorrzzyyćć ssiięę
mmooggąą rróówwnniieeżż ssttrruukkttuurryy ppoośśrreeddnniiee ppoommiięęddzzyy ssttrruukkttuurrąą lloodduu ii kkllaattrraatteemm ((RRyyss..II..55 BB))..
TTaakk wwiięęcc ww cciieekkłłeejj wwooddzziiee wwssppóółłiissttnniieejjee oobbookk ssiieebbiiee wwiieellee rróóżżnnyycchh eelleemmeennttaarrnnyycchh jjeeddnnoosstteekk
ssttrruukkttuurraallnnyycchh.. WW sskkłłaadd kkiillkkuuddzziieessiięęcciioocczząąsstteecczzkkoowwyycchh kkllaasstteerróóww wwcchhooddzząą pprraawwddooppooddoobbnniiee
pprrzzeeddssttaawwiicciieellee ooppiissaannyycchh wwyyżżeejj oorraazz wwiieelluu iinnnnyycchh eelleemmeennttaarrnnyycchh jjeeddnnoosstteekk ssttrruukkttuurraallnnyycchh..
KKllaasstteerróóww ttaakkiicchh nniiee mmoożżnnaa ttrraakkttoowwaaćć jjaakkoo kkoonnffiigguurraaccjjii ttrrwwaałłyycchh.. RRuucchhyy tteerrmmiicczznnee ppoowwoodduujjąą,, żżee
zzaarróówwnnoo kkllaasstteerryy jjaakk ii mmnniieejjsszzee jjeeddnnoossttkkii ssttrruukkttuurraallnnee ttwwoorrzząą ssiięę ii rroozzppaaddaajjąą ddyynnaammiicczznniiee.. ŚŚrreeddnniiaa
eenneerrggiiaa kkiinneettyycczznnaa ((ttrraannssllaaccyyjjnnaa ii rroottaaccyyjjnnaa)) ppoojjeeddyynncczzeejj cczząąsstteecczzkkii wwooddyy ww tteemmppeerraattuurrzzee 330000 KK
wwyynnoossii ookk.. 77 kkJJ//mmooll,, aa eenneerrggiiaa ooddddzziiaałłyywwaanniiaa ddwwóócchh cczząąsstteecczzeekk wwooddyy jjeesstt nniiee wwiięękksszzaa nniiżż ookk..
2200 kkJJ//mmooll.. OObblliicczzoonnoo,, żżee śśrreeddnnii cczzaass żżyycciiaa kkllaasstteerróóww wwyynnoossii ww ttyycchh wwaarruunnkkaacchh ookk.. 1100 ppss ((1100--1111 ss))..
SSyyttuuaaccjjaa ssttaajjee ssiięę jjeesszzcczzee bbaarrddzziieejj sskkoommpplliikkoowwaannaa,, ggddyy aannaalliizzuujjeemmyy ssttrruukkttuurryy rroozzttwwoorróóww
wwooddnnyycchh.. WW zzaalleeżżnnoośśccii oodd bbuuddoowwyy cchheemmiicczznneejj ssuubbssttaannccjjii rroozzppuusszzcczzoonneejj mmoożżeemmyy mmiieećć ddoo
cczzyynniieenniiaa zz bbaarrddzzoo zzłłoożżoonnyymmii zzjjaawwiisskkaammii.. SSpprróóbbuujjmmyy pprrzzeeaannaalliizzoowwaaćć nniieekkttóórree zz nniicchh..
RRoozzttwwoorryy ssoollii
WW ttrraakkcciiee rroozzppuusszzcczzaanniiaa kkrryysszzttaałłóóww ssoollii ddoocchhooddzzii ddoo ddyyssooccjjaaccjjii nnaa jjoonnyy.. KKaażżddyy zz jjoonnóóww
wwyyttwwaarrzzaa wwookkóółł ssiieebbiiee ppoollee eelleekkttrryycczznnee,, kkttóórree ooddddzziiaałłuujjee zz cczząąsstteecczzkkaammii wwooddyy ppoossiiaaddaajjąąccyymmii
cchhaarraakktteerr ddiippoolloowwyy.. PPoollee eelleekkttrryycczznnee ddąążżyy ddoo zzoorriieennttoowwaanniiaa ddiippoollii wwooddyy rróówwnnoolleeggllee ddoo lliinniiii ssiiłł
ppoollaa.. WW pprrzzyyppaaddkkuu jjoonnóóww oo ssyymmeettrriiii kkuulliisstteejj,, nnpp.. kkaattiioonnóóww mmeettaallii,, lliinniiee ssiiłł ppoollaa mmaajjąą rróówwnniieeżż
ssyymmeettrriięę kkuulliissttąą.. CCzząąsstteecczzkkii wwooddyy ttwwoorrzząą wwtteeddyy ssffeerryycczznnąą wwaarrssttwwęę wwookkóółł jjoonnuu.. OOrriieennttaaccjjaa
cczząąsstteecczzeekk wwooddyy ww ttaakkiieejj wwaarrssttwwiiee zzaalleeżżyy oodd zznnaakkuu łłaadduunnkkuu jjoonnuu ((RRyyss..II..66)).. WW pprrzzyyppaaddkkuu kkaattiioonnóóww
aattoommyy ttlleennuu ssttaannoowwiiąąccee uujjeemmnnee bbiieegguunnyy ddiippoollii zznnaajjdduujjąą ssiięę bblliiżżeejj jjoonnuu nniiżż aattoommyy wwooddoorruu..
PPoowwssttaajjee wwaarrssttwwaa hhyyddrraattaaccyyjjnnaa sskkłłaaddaajjąąccaa ssiięę zzee zzoorriieennttoowwaannyycchh cczząąsstteecczzeekk wwooddyy.. WW jjeejj wwaarrssttwwiiee
zzeewwnnęęttrrzznneejj pprrzzeewwaażżaajjąą ((ww pprrzzyyppaaddkkuu kkaattiioonnóóww)) aattoommyy wwooddoorruu bbęęddąąccee ddooddaattnniimmii bbiieegguunnaammii
ddiippoollii.. JJeeddnnaakkżżee ppoollee eelleekkttrryycczznnee jjoonnuu ssiięęggaa ddaalleejj nniiżż ggrruubboośśćć ppoojjeeddyynncczzeejj wwaarrssttwwyy hhyyddrraattaaccyyjjnneejj..
PPoonnaaddttoo nnaaggrroommaaddzzeenniiee nnaa ppoowwiieerrzzcchhnnii zzeewwnnęęttrrzznneejj aattoommóóww wwooddoorruu zzddoollnnyycchh ddoo ttwwoorrzzeenniiaa
wwiiąązzaańń wwooddoorroowwyycchh sspprrzzyyjjaa oorriieennttaaccjjii cczząąsstteecczzeekk wwooddyy ssttyykkaajjąąccyycchh ssiięę zz ttaakkąą wwaarrssttwwąą.. TTwwoorrzzyy ssiięę
6
Część I: Woda w układach biologicznych
wwiięęcc kkoolleejjnnaa wwaarrssttwwaa hhyyddrraattaaccyyjjnnaa oo oorriieennttaaccjjii aannaallooggiicczznneejj jjaakk ppiieerrwwsszzaa.. RRóówwnniieeżż nnaa jjeejj
ppoowwiieerrzzcchhnnii mmaammyy ddoo cczzyynniieenniiaa zz nnaaggrroommaaddzzeenniieemm aattoommóóww wwooddoorruu.. IIssttnniieejjee wwiięęcc mmoożżlliiwwoośśćć
ppoowwssttaanniiaa kkoolleejjnneejj wwaarrssttwwyy hhyyddrraattaaccyyjjnneejj.. OO ttyymm iillee wwaarrssttww hhyyddrraattaaccyyjjnnyycchh ppoowwssttaajjee wwookkóółł jjoonnuu
ddeeccyydduujjee pprroommiieeńń jjoonnuu ii wwiieellkkoośśćć jjeeggoo łłaadduunnkkuu.. IImm jjoonn jjeesstt mmnniieejjsszzyy ii ppoossiiaaddaa wwiięękksszzyy łłaadduunneekk
ttyymm ssiillnniieejjsszzee jjeesstt jjeeggoo ppoollee eelleekkttrryycczznnee ii ttyymm wwiięękksszzaa lliicczzbbaa wwaarrssttww hhyyddrraattaaccyyjjnnyycchh.. WW ppeewwnneejj
ooddlleeggłłoośśccii oodd jjoonnuu jjeeggoo ppoollee ssttaajjee ssiięę jjuużż nnaa ttyyllee ssłłaabbee,, żżee nniiee jjeesstt ww ssttaanniiee pprrzzeecciiwwssttaawwiićć ssiięę
rruucchhoomm tteerrmmiicczznnyymm.. PPoojjaawwiiaa ssiięę ssttrreeffaa oo nniieeuuppoorrzząąddkkoowwaanneejj ssttrruukkttuurrzzee,, aa ww jjeesszzcczzee wwiięękksszzyycchh
ooddlleeggłłoośścciiaacchh pprrzzeewwaażżaa ssttrruukkttuurraa ttyyppoowwaa ddllaa cciieekkłłeejj wwooddyy..
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80r[nm]
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50RDF
K+
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80
r[nm]
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50RDF
Cl-
RRyyss..II..66:: PPrrzzyykkłłaaddyy rraaddiiaallnnyycchh ffuunnkkccjjii rroozzkkłłaadduu aattoommóóww wwooddyy wwookkóółł jjoonnóóww:: kkaattiioonnuu ppoottaassoowweeggoo
((ppoo lleewweejj)) ii aanniioonnuu cchhlloorrkkoowweeggoo ((ppoo pprraawweejj)) uuzzyysskkaannee ddzziięękkii mmooddeelloowwaanniiuu
kkoommppuutteerroowweemmuu.. LLiinniiąą cczzaarrnnąą zzaazznnaacczzoonnoo rroozzkkłłaadd ggęęssttoośśccii aattoommóóww wwooddoorruu,, aa lliinniiąą sszzaarrąą
aattoommóóww ttlleennuu cczząąsstteecczzkkii wwooddyy
PPrrzzeeddssttaawwiioonnyy ttuu ssttaattyycczznnyy oobbrraazz hhyyddrraattaaccjjii jjoonnóóww jjeesstt bbaarrddzzoo wwyyiiddeeaalliizzoowwaannyymm mmooddeelleemm.. WW
rrzzeecczzyywwiissttoośśccii cczząąsstteecczzkkii wwooddyy nniiee ttwwoorrzząą wwookkóółł jjoonnóóww ttrrwwaałłyycchh wwaarrssttww hhyyddrraattaaccyyjjnnyycchh.. CChhccąącc
ddookkoonnaaćć bbaarrddzziieejj wwiiaarryyggooddnneejj aannaalliizzyy ssyyttuuaaccjjii wwyyssttęęppuujjąącceejj ww rroozzttwwoorraacchh ssoollii mmuussiimmyy zzaassttoossoowwaaćć
ooppiiss ssttaattyyssttyycczznnyy uuśśrreeddnniiaajjąąccyy zzmmiieennnnyy ww cczzaassiiee rroozzkkłłaadd ii oorriieennttaaccjjęę cczząąsstteecczzeekk wwooddyy.. NNiieekkttóórree
tteecchhnniikkii mmooddeelloowwaanniiaa kkoommppuutteerroowweeggoo,, nnpp.. ddyynnaammiikkaa mmoolleekkuullaarrnnaa,, ppoozzwwaallaajjąą uuzzyysskkaaćć sszzeerreegg
ggeeoommeettrriiii mmooddeelloowwaanneeggoo uukkłłaadduu ww sseekkwweennccjjii cczzaassoowweejj.. DDaannee ttaakkiiee mmooggąą ssttaannoowwiićć ppooddssttaawwęę ddoo
wwyyzznnaacczzeenniiaa śśrreeddnniieeggoo rroozzkkłłaadduu cczząąsstteecczzeekk wwooddyy wwookkóółł wwyybbrraannyycchh aattoommóóww lluubb ggrruupp aattoommóóww..
NNaajjcczzęęśścciieejj ww ttyymm cceelluu wwyykkoorrzzyyssttyywwaannaa jjeesstt ttzzww.. rr aa dd ii aa ll nn aa ff uu nn kk cc jj aa dd yy ss tt rr yy bb uu cc jj ii
((RRDDFF)),, cczzyyllii lliicczzbbaa ddaanneeggoo ttyyppuu aattoommóóww rroozzppuusszzcczzaallnniikkaa ww jjeeddnnoossttccee oobbjjęęttoośśccii ww ooddlleeggłłoośśccii rr oodd
7
Część I: Woda w układach biologicznych
wwyybbrraanneeggoo aattoommuu ssuubbssttaannccjjii rroozzppuusszzcczzoonneejj.. DDllaa uułłaattwwiieenniiaa ppoorróówwnnaanniiaa rroozzkkłłaaddóóww rróóżżnnyycchh ttyyppóóww
aattoommóóww,, nnpp.. ttlleennuu ii wwooddoorruu ww pprrzzyyppaaddkkuu wwooddyy,, uuzzyysskkaannee wwaarrttoośśccii RRDDFF ddzziieellii ssiięę pprrzzeezz śśrreeddnniiąą
ggęęssttoośśćć ddaanneeggoo ttyyppuu aattoommuu ww rroozzttwwoorrzzee.. PPrrzzyykkłłaaddyy ttaakkiicchh rraaddiiaallnnyycchh ffuunnkkccjjii ddyyssttrryybbuuccjjii ddllaa
aattoommóóww ttlleennuu ii wwooddoorruu zz cczząąsstteecczzeekk wwooddyy wwookkóółł kkaattiioonnuu ppoottaassoowweeggoo ii aanniioonnuu cchhlloorrkkoowweeggoo
pprrzzeeddssttaawwiiaa RRyyss..II..66.. NNaa pprrzzeeddssttaawwiioonnyycchh wwyykkrreessaacchh RRDDFF wwiiddaaćć wwyyrraaźźnniiee,, żżee wwookkóółł oobbuu jjoonnóóww
ttwwoorrzząą ssiięę zzoorriieennttoowwaannee,, wwiieelloowwaarrssttwwoowwee ppoowwłłookkii hhyyddrraattaaccyyjjnnee.. NNaajjssiillnniieejj zzoorriieennttoowwaannaa jjeesstt
ppiieerrwwsszzaa ppoowwłłookkaa hhyyddrraattaaccyyjjnnaa.. WW mmiiaarręę wwzzrroossttuu ooddlleeggłłoośśccii ssttooppiieeńń oorriieennttaaccjjii ssttaajjee ssiięę ccoorraazz
mmnniieejjsszzyy ii wwrreesszzcciiee zzaanniikkaa..
WWyyssttęęppoowwaanniiee ppoowwłłookk hhyyddrraattaaccyyjjnnyycchh wwookkóółł jjoonnóóww ttłłuummaacczzyy iissttnniieenniiee zzjjaawwiisskkaa ddyyssooccjjaaccjjii
ssoollii ww rroozzttwwoorraacchh wwooddnnyycchh.. PPrrzzyycciiąąggaanniiee eelleekkttrroossttaattyycczznnee ppoommiięęddzzyy jjoonnaammii pprrzzeecciiwwnnyycchh zznnaakkóóww
oottoocczzoonnyymmii ppoowwłłookkaammii hhyyddrraattaaccyyjjnnyymmii jjeesstt nnaa ttyyllee ssłłaabbee,, żżee pprrzzyynnaajjmmnniieejj ww rroozzcciieeńńcczzoonnyycchh
rroozzttwwoorraacchh,, nniiee ppoowwiinnnnoo wwyyssttęęppoowwaaćć ttwwoorrzzeenniiee ssiięę ppaarr jjoonnoowwyycchh.. JJeeddnnaakkżżee zzee wwzzrroosstteemm ssttęężżeenniiaa
śśrreeddnniiee ooddlleeggłłoośśccii ppoommiięęddzzyy jjoonnaammii pprrzzeecciiwwnnyycchh zznnaakkóóww zzmmnniieejjsszzaajjąą ssiięę nnaa ttyyllee,, żżee ddoocchhooddzzii ddoo
ppoojjaawwiiaanniiaa ssiięę ppaarr jjoonnoowwyycchh.. MMooddeell ttaakkii ttłłuummaacczzyy,, ccoo nnaajjmmnniieejj jjaakkoośścciioowwoo,, zzaalleeżżnnoośśćć ssttooppnniiaa
ddyyssooccjjaaccjjii oodd ssttęężżeenniiaa rroozzttwwoorruu..
IIssttnniieenniiee ppoowwłłookk hhyyddrraattaaccyyjjnnyycchh wwookkóółł jjoonnóóww mmoożżnnaa wwyykkrryyćć rróówwnniieeżż ppoośśrreeddnniioo mmeettooddaammii
ddoośśwwiiaaddcczzaallnnyymmii.. WWyykkoorrzzyyssttuujjee ssiięę ww ttyymm cceelluu ppoommiiaarryy pprrzzeewwooddnniiccttwwaa rróówwnnoowwaaggoowweeggoo jjoonnóóww..
ZZnnaajjąącc wwaarrttoośśćć pprrzzeewwooddnniiccttwwaa rróówwnnoowwaaggoowweeggoo ddaanneeggoo rrooddzzaajjuu jjoonnuu ii pprrzzyyjjmmuujjąącc,, żżee wwrraazz zz
oottoocczzkkąą hhyyddrraattaaccyyjjnnąą jjoonnyy mmaajjąą kksszzttaałłtt kkuulliissttyy mmoożżnnaa,, kkoorrzzyyssttaajjąącc zz pprraaww hhyyddrrooddyynnaammiikkii,, nnpp..
rróówwnnaanniiaa SSttookkeessaa,, oosszzaaccoowwaaćć pprroommiieeńń ppoorruusszzaajjąącceeggoo ssiięę nnoośśnniikkaa łłaadduunnkkuu.. WWyynniikkii uuzzyysskkaannee ttąą
mmeettooddąą ddllaa kkaattiioonnóóww lliittoowwccóóww pprrzzeeddssttaawwiiaa TTaabb..II--22..
TTaabbeellaa II--22..
WWaarrttoośśccii eeffeekkttyywwnnyycchh pprroommiieennii hhyyddrraattaaccyyjjnnyycchh ww nniieesskkoońńcczzeenniiee rroozzcciieeńńcczzoonnyycchh rroozzttwwoorraacchh
wwooddnnyycchh ii pprroommiieennii jjoonnoowwyycchh ddllaa kkaattiioonnóóww lliittoowwccóóww
JJoonn PPrroommiieeńń
hhyyddrraattaaccyyjjnnyy [[nnmm]]
PPrroommiieeńń jjoonnoowwyy
[[nnmm]]
LLii++ 00,,224400 00,,006600
NNaa++ 00,,118855 00,,009955
KK++ 00,,112266 00,,113333
RRbb++ 00,,111199 00,,114488
CCss++ 00,,112200 00,,116699
8
Część I: Woda w układach biologicznych
JJeesstt pprrzzyy ttyymm cchhaarraakktteerryyssttyycczznnee,, żżee ttaakk oobblliicczzoonnyy ""eeffeekkttyywwnnyy"" pprroommiieeńń hhyyddrraattoowwaanneeggoo
jjoonnuu mmaalleejjee zzee wwzzrroosstteemm lliicczzbbyy aattoommoowweejj.. ZZaalleeżżnnoośśćć ttaa jjeesstt ooddwwrroottnnaa ddoo zzaalleeżżnnoośśccii oobbsseerrwwoowwaanneejj
ww pprrzzyyppaaddkkuu pprroommiieennii jjoonnóóww nniieeuuwwooddnniioonnyycchh,, nnpp.. ww kkrryysszzttaałłaacchh.. DDllaa ppoorróówwnnaanniiaa TTaabb..II--22.. zzaawwiieerraa
rróówwnniieeżż wwaarrttoośśccii pprroommiieennii jjoonnoowwyycchh wwyyzznnaacczzoonnyycchh ddllaa kkrryysszzttaałłóóww ssoollii.. WWyyssttęęppoowwaanniiee ooddwwrroottnneejj
pprrooppoorrccjjoonnaallnnoośśccii ppoommiięęddzzyy pprroommiieenniieemm hhyyddrraattoowwaanneeggoo jjoonnuu ii pprroommiieenniieemm jjoonnuu ww kkrryysszzttaallee
wwyynniikkaa wwłłaaśśnniiee zz oobbeeccnnoośśccii ppoowwłłookkii hhyyddrraattaaccyyjjnneejj.. JJoonnyy oo mmaałłyymm pprroommiieenniiuu jjoonnoowwyymm,, nnpp.. LLii++,,
ppoottrraaffiiąą ssiillnniiee zzwwiiąązzaaćć ggrruubbąą ppoowwłłookkęę hhyyddrraattaaccyyjjnnąą,, aa jjoonnyy oo dduużżyymm pprroommiieenniiuu jjoonnoowwyymm,, nnpp.. CCss++,,
nniiee ppoottrraaffiiąą ww cczzaassiiee rruucchhuu ww śśrrooddoowwiisskkuu wwooddnnyymm uuttrrzzyymmaaćć sswwooiicchh ssłłaabboo zzwwiiąązzaannyycchh ppoowwłłookk
hhyyddrraattaaccyyjjnnyycchh ii zzaacchhoowwuujjąą ssiięę jjaakk jjoonnyy nniieeuuwwooddnniioonnee..
NNaalleeżżyy pprrzzyy ttyymm zzwwrróócciićć uuwwaaggęę,, żżee ppooddaannee wwaarrttoośśccii pprroommiieennii jjoonnóóww hhyyddrraattoowwaannyycchh nniiee nnaalleeżżyy
ttrraakkttoowwaaćć zzbbyytt ddoossłłoowwnniiee jjaakkoo pprroommiieennii ssttrreeff hhyyddrraattaaccyyjjnnyycchh.. PPoo ppiieerrwwsszzee wwiieellkkoośśccii ttee zzoossttaałłyy
wwyyzznnaacczzoonnee zz ppoommiiaarróóww ddyynnaammiicczznnyycchh ((jjoonnyy ww rruucchhuu)) ii mmaammyy ppooddssttaawwyy pprrzzyyppuusszzcczzaaćć,, żżee ddllaa
jjoonnóóww nniiee wwyykkoonnuujjąąccyycchh rruucchhuu ppoodd wwppłłyywweemm ppoollaa eelleekkttrryycczznneeggoo zzaassiięęgg uuppoorrzząąddkkoowwaanniiaa
cczząąsstteecczzeekk wwooddyy bbęęddzziiee wwiięękksszzyy.. PPoo ddrruuggiiee,, rróówwnnaanniiee SSttookkeessaa uużżyyttee ddoo iicchh oobblliicczzeenniiaa ttrraakkttuujjee
wwooddęę jjaakkoo śśrrooddoowwiisskkoo cciiąąggłłee,, ppoozzbbaawwiioonnee ssttrruukkttuurryy cczząąsstteecczzkkoowweejj.. JJeeddnnaakkżżee uuzzyysskkaannee wwaarrttoośśccii
pprroommiieennii ssąą rrzzęędduu rroozzmmiiaarróóww cczząąsstteecczzeekk wwooddyy.. SSąą ttoo wwiięęcc wwaarrttoośśccii ""eeffeekkttyywwnnee"",, pprrzzyybblliiżżoonnee,, aa nniiee
rrzzeecczzyywwiissttee pprroommiieenniiee zzaassiięęgguu ooddddzziiaałłyywwaanniiaa jjoonnóóww zz oottaacczzaajjąąccyymmii jjee cczząąsstteecczzkkaammii wwooddyy..
PPoommiimmoo ttyycchh zzaassttrrzzeeżżeeńń pprroommiieenniiee hhyyddrraattaaccyyjjnnee jjoonnóóww ppoozzwwaallaajjąą wwyyjjaaśśnniićć nniieekkttóórree zzjjaawwiisskkaa
oobbsseerrwwoowwaannee pprrzzyy ttrraannssppoorrcciiee jjoonnóóww pprrzzeezz bbłłoonnyy bbiioollooggiicczznnee ii sszzttuucczznnee bbłłoonnyy lliippiiddoowwee.. WW
ddoośśwwiiaaddcczzeenniiaacchh ttaakkiicchh oobbsseerrwwuujjee ssiięę nnpp.. cczzęęssttoo,, żżee jjoonnyy ppoottaassuu ttrraannssppoorrttoowwaannee ssąą łłaattwwiieejj nniiżż jjoonnyy
ssoodduu.. JJeesstt ttoo sspprrzzeecczznnee zz pprroommiieenniiaammii jjoonnoowwyymmii ttyycchh jjoonnóóww,, aallee ccaałłkkoowwiicciiee zzggooddnnee zz iicchh
pprroommiieenniiaammii hhyyddrraattaaccyyjjnnyymmii..
RRoozzttwwoorryy mmaakkrroocczząąsstteecczzeekk
JJaakk wwiiddzziieelliiśśmmyy ppoowwyyżżeejj,, jjuużż zzbbuuddoowwaanniiee ppoopprraawwnneeggoo,, ffiizzyykkoocchheemmiicczznneeggoo mmooddeelluu
rroozzttwwoorruu ssoollii nnaappoottyykkaa nnaa ppoowwaażżnnee pprroobblleemmyy.. SSyyttuuaaccjjaa ssttaajjee ssiięę jjeesszzcczzee ttrruuddnniieejjsszzaa ww pprrzzyyppaaddkkuu
rroozzttwwoorróóww zzaawwiieerraajjąąccyycchh ppoollaarrnnee mmaakkrroocczząąsstteecczzkkii.. AAnnaalliizzęę ttaakkiicchh rroozzttwwoorróóww pprroowwaaddzzii ssiięę zzwwyykkllee
nnaa ddwwóócchh eettaappaacchh::
-- mmaakkrroocczząąsstteecczzkkii ww wwooddzziiee
-- mmaakkrroocczząąsstteecczzkkii ww rroozzttwwoorraacchh ssoollii..
WW ppiieerrwwsszzyymm eettaappiiee rroozzwwaażżaa ssiięę pprrzzeeddee wwsszzyyssttkkiimm hhyyddrraattaaccjjęę mmaakkrroocczząąsstteecczzeekk ii rroollęę cczząąsstteecczzeekk
wwooddyy ww ssttaabbiilliizzaaccjjii ssttrruukkttuurryy IIII-- ii IIIIII--rrzzęęddoowweejj.. WW eettaappiiee ddrruuggiimm aannaalliizzuujjee ssiięę wwppłłyyww
9
Część I: Woda w układach biologicznych
mmaakkrroocczząąsstteecczzkkii nnaa zzmmiiaannyy ssttęężżeeńń jjoonnóóww ww jjeejj oottoocczzeenniiuu ii wwyynniikkaajjąąccee zz tteeggoo zzmmiiaannyy wwłłaaśścciiwwoośśccii
ffiizzyykkoocchheemmiicczznnyycchh sszzcczzeeggóóllnniiee ww oobbeeccnnoośśccii zzeewwnnęęttrrzznneeggoo ppoollaa eelleekkttrryycczznneeggoo..
HHyyddrraattaaccjjaa mmaakkrroocczząąsstteecczzeekk..
PPrraakkttyycczznniiee wwsszzyyssttkkiiee mmaakkrroocczząąsstteecczzkkii oo zznnaacczzeenniiuu bbiioollooggiicczznnyymm ((bbiiaałłkkaa,, ppoolliissaacchhaarryyddyy ii
kkwwaassyy nnuukklleeiinnoowwee)) ppoossiiaaddaajjąą nnaa sswwoojjeejj ppoowwiieerrzzcchhnnii wwiieellee ggrruupp zzjjoonniizzoowwaannyycchh lluubb,, ccoo nnaajjmmnniieejj
uuggrruuppoowwaańń ssiillnniiee ppoollaarrnnyycchh,, nnpp.. ggrruuppyy hhyyddrrookkssyylloowwee ww ppoolliissaacchhaarryyddaacchh.. JJeesstt ttoo nniieezzbbęęddnnee ddllaa
zzaappeewwnniieenniiaa ttyymm mmaakkrroocczząąsstteecczzkkoomm rroozzppuusszzcczzaallnnoośśccii ww wwooddzziiee.. SSyyttuuaaccjjaa nniiee jjeesstt jjeeddnnaakk wwccaallee
ttaakkaa oocczzyywwiissttaa.. IIssttnniieejjee nnpp.. sszzeerreegg bbiiaałłeekk ssttrruukkttuurraallnnyycchh oo bbaarrddzzoo mmaałłeejj rroozzppuusszzcczzaallnnoośśccii ww wwooddzziiee
ppoommiimmoo oobbeeccnnoośśccii nnaa iicchh ppoowwiieerrzzcchhnnii lliicczznnyycchh ggrruupp ppoollaarrnnyycchh,, nnpp.. nniieekkttóórree ooddmmiiaannyy kkoollaaggeennuu lluubb
kkeerraattyynnaa wwłłoossóóww.. PPrrzzyykkłłaaddyy ssłłaabbeejj rroozzppuusszzcczzaallnnoośśccii zzwwiiąązzkkóóww oorrggaanniicczznnyycchh ppoommiimmoo oobbeeccnnoośśccii
ssiillnniiee ppoollaarrnnyycchh,, hhyyddrrooffiilloowwyycchh ggrruupp ffuunnkkccyyjjnnyycchh zznnaalleeźźćć mmoożżnnaa nnaawweett wwśśrróódd zzwwiiąązzkkóóww
mmaałłoocczząąsstteecczzkkoowwyycchh.. SSzzcczzeeggóóllnniiee ssppeekkttaakkuullaarrnnee pprrzzyykkłłaaddyy ssppoottyykkaa ssiięę ww ggrruuppiiee ccuukkrróóww pprroossttyycchh ii
ddiissaacchhaarryyddóóww,, ggddyyżż zz oobbsseerrwwaaccjjii ccooddzziieennnnyycchh wwiieemmyy,, żżee ccuukkiieerr ((ssaacchhaarroozzaa)) rroozzppuusszzcczzaa ssiięę ww
wwooddzziiee bbaarrddzzoo ddoobbrrzzee ((ookk.. 220000 gg ww 110000 gg wwooddyy ww tteemmpp.. ppookkoojjoowweejj ii ppoonnaadd 440000 gg ww tteemmpp.. 110000°°CC))..
JJeeddnnaakkżżee iinnnnee ddiissaacchhaarryyddyy mmaajjąą bbaarrddzzoo rróóżżnnąą rroozzppuusszzcczzaallnnoośśćć,, nnpp.. mmaallttoozzaa ttyyllkkoo ookk.. 110000 gg,, aa
llaakkttoozzaa nnaawweett ttyyllkkoo 1177 gg ww 110000 gg wwooddyy.. RRóówwnniieeżż wwśśrróódd ccuukkrróóww pprroossttyycchh oobbsseerrwwuujjeemmyy dduużżee
rróóżżnniiccee rroozzppuusszzcczzaallnnoośśccii ww wwooddzziiee.. II ttaakk ffrruukkttoozzaa mmaa rroozzppuusszzcczzaallnnoośśćć 335555 gg//110000 gg wwooddyy,, gglluukkoozzaa
115500,, ssoorrbboozzaa 8833 aa ggaallaakkttoozzaa ttyyllkkoo 2200 gg//110000 gg wwooddyy ww tteemmpp.. ppookkoojjoowweejj.. PPoowwyyżżsszzee pprrzzyykkłłaaddyy
wwsskkaazzuujjąą wwyyrraaźźnniiee,, żżee rroozzppuusszzcczzaallnnoośśćć zzaalleeżżyy nniiee ttyyllkkoo oodd iilloośśccii,, aallee rróówwnniieeżż rroozzmmiieesszzcczzeenniiaa ggrruupp
ppoollaarrnnyycchh.. RRoozzmmiieesszzcczzeenniiee ttoo mmaa bboowwiieemm iissttoottnnyy wwppłłyyww nnaa ttrrwwaałłoośśćć oottoocczzkkii hhyyddrraattaaccyyjjnneejj wwookkóółł
cczząąsstteecczzkkii..
WWyyppaaddaa ww ttyymm mmiieejjssccuu zzaazznnaacczzyyćć,, żżee ww pprrzzeecciiwwiieeńńssttwwiiee ddoo ppoowwłłookk hhyyddrraattaaccyyjjnnyycchh jjoonnóóww,, oottoocczzkkii
hhyyddrraattaaccyyjjnnee bbiiooppoolliimmeerróóww mmooggąą mmiieećć ii cczzęęssttoo mmaajjąą bbaarrddzzoo sskkoommpplliikkoowwaannąą bbuuddoowwęę.. DDuużżyy ssttooppiieeńń
kkoommpplliikkaaccjjii ttaakkiieejj oottoocczzkkii wwyynniikkaa zz bbaarrddzzoo sskkoommpplliikkoowwaanneejj ggeeoommeettrriiii ppoollaa eelleekkttrroossttaattyycczznneeggoo
wwyyssttęęppuujjąącceeggoo nnaa ppoowwiieerrzzcchhnnii mmaakkrroocczząąsstteecczzeekk::
ii)) oobbeeccnnoośśćć rróóżżnnoorrooddnnyycchh ggrruupp ffuunnkkccyyjjnnyycchh
iiii)) bblliisskkiiee ssąąssiieeddzzttwwoo łłaadduunnkkóóww ((łłaadduunnkkóóww cczząąssttkkoowwyycchh)) oo pprrzzeecciiwwnnyycchh zznnaakkaacchh
iiiiii)) rroozzwwiinniięęttaa ppoowwiieerrzzcchhnniiaa mmaakkrroocczząąsstteecczzeekk..
WW ppoobblliiżżuu rróóżżnnyycchh cczzęęśśccii tteejj ssaammeejj mmaakkrroocczząąsstteecczzkkii mmoożżeemmyy ssppooddzziieewwaaćć ssiięę wwyyssttęęppoowwaanniiaa
oottoocczzkkii hhyyddrraattaaccyyjjnneejj oo bbaarrddzzoo rróóżżnnyymm ssttooppnniiuu ii kkiieerruunnkkuu uuppoorrzząąddkkoowwaanniiaa.. WW ppoobblliiżżuu ggrruupp
zzjjoonniizzoowwaannyycchh bbęęddąą ttoo ffrraaggmmeennttyy ssiillnniiee uuppoorrzząąddkkoowwaannee.. WW ppoobblliiżżuu ggrruupp ssiillnniiee ppoollaarrnnyycchh,,
zzddoollnnyycchh ddoo ttwwoorrzzeenniiaa wwiiąązzaańń wwooddoorroowwyycchh,, lleecczz nniiee ppoossiiaaddaajjąąccyycchh ffoorrmmaallnniiee cchhaarraakktteerruu jjoonnóóww
10
Część I: Woda w układach biologicznych
((nnpp.. ggrruuppaa hhyyddrrookkssyylloowwaa lluubb aammiiddoowwaa)) ssppooddzziieewwaaćć ssiięę mmoożżeemmyy oottoocczzkkii ssiillnniiee ppoowwiiąązzaanneejj zz
bbiiooppoolliimmeerreemm,, lleecczz oo ssłłaabbsszzeejj oorriieennttaaccjjii.. WWrreesszzcciiee ww ssąąssiieeddzzttwwiiee ffrraaggmmeennttóóww nniieeppoollaarrnnyycchh
((łłaańńccuucchhyy aalliiffaattyycczznnee,, ppiieerrśścciieenniiee aarroommaattyycczznnee)) oottoocczzkkaa mmoożżee wwccaallee nniiee wwyyssttęęppoowwaaćć lluubb bbyyćć
bbaarrddzzoo ssłłaabboo zzaazznnaacczzoonnaa..
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80r[nm]
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50RDF
-COO-
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50RDF
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80r[nm]
-NH3+
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80r[nm]
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50RDF
-OH
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80
r[nm]
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50RDF
-CH3
atomy wodoru atomy tlenuRRyyss..II..77:: RRaaddiiaallnnee ffuunnkkccjjee ddyyssttrryybbuuccjjii wwookkóółł wwyybbrraannyycchh ggrruupp ffuunnkkccyyjjnnyycchh ww mmaakkrroocczząąsstteecczzkkaacchh
MMooddeelloowwaanniiee mmoolleekkuullaarrnnee uukkłłaaddóóww zzaawwiieerraajjąąccyycchh bbiiooppoolliimmeerryy lluubb iicchh ffrraaggmmeennttyy ww oottoocczzeenniiuu
cczząąsstteecczzeekk wwooddyy ppookkaazzaałłoo,, żżee pprrzzyy ooddppoowwiieeddnniimm rroozzmmiieesszzcczzeenniiuu ggrruupp ffuunnkkccyyjjnnyycchh,, mmoożżlliiwwee jjeesstt
ttwwoorrzzeenniiee ssiięę nnaa ppoowwiieerrzzcchhnnii mmaakkrroocczząąsstteecczzkkii kkllaasstteerróóww cczząąsstteecczzeekk wwooddyy oo cchhaarraakktteerryyssttyycczznneejj
ggeeoommeettrriiii.. CCoo cciieekkaawwee,, ssttrruukkttuurryy ttaakkiiee ((nnpp.. ppiieerrśścciieenniiee 55--cczzłłoonnoowwee zzbbuuddoowwaannee zz 55 cczząąsstteecczzeekk
wwooddyy)) ooddkkrryyttoo ww kkrryysszzttaałłaacchh nniieekkttóórryycchh ppoolliippeeppttyyddóóww,, bbiiaałłeekk ii kkwwaassóóww nnuukklleeiinnoowwyycchh..
CCzząąsstteecczzkkii wwooddyy wwcchhooddzząąccee ww sskkłłaadd oottoocczzkkii hhyyddrraattaaccyyjjnneejj mmooggąą pprrzzyy ttyymm ssppeełłnniiaaćć iissttoottnnąą
rroollęę ww ssttaabbiilliizzaaccjjii ssttrruukkttuurryy bbiiooppoolliimmeerruu ((RRyyss..II..88))..
MMaa ttoo mmiieejjssccee sszzcczzeeggóóllnniiee ww pprrzzyyppaaddkkuu ssiillnniiee rroozzbbuuddoowwaanneejj ppoowwiieerrzzcchhnnii cczząąsstteecczzkkii ttwwoorrzząącceejj
""nniisszzee"".. JJeeśśllii ww ttaakkiieejj nniisszzyy wwyyssttęęppuujjąą nnaałłaaddoowwaannee ggrruuppyy ffuunnkkccyyjjnnee zzddoollnnee ddoo uucczzeessttnniicczzeenniiaa ww
11
Część I: Woda w układach biologicznych
wwiiąązzaanniiaacchh wwooddoorroowwyycchh ttoo ddoojjśśćć mmoożżee ttoo ppoowwssttaanniiaa ttzzww.. mm oo ss tt kk aa ww oo dd nn ee gg oo ,, cczzyyllii cciiąągguu
cczząąsstteecczzeekk wwooddyy ppoołłąącczzoonnyycchh zzee ssoobbąą wwiiąązzaanniiaammii wwooddoorroowwyymmii.. WWyyddaajjee ssiięę,, żżee sszzcczzeeggóóllnniiee ttrrwwaałłee
ssąą mmoossttkkii wwooddoorroowwee zzaawwiieerraajjąąccee 11 lluubb 22 cczząąsstteecczzkkii wwooddyy..
NH H+
O-
O
H
H
OH
H
RRyyss..II..88:: RRoollaa mmoossttkkóóww wwooddnnyycchh ww ssttaabbiilliizzaaccjjii ssttrruukkttuurryy bbiiooppoolliimmeerruu
OOttoocczzkkaa hhyyddrraattaaccyyjjnnaa ooddggrryywwaa rróówwnniieeżż iissttoottnnąą rroollęę ww ooddddzziiaałłyywwaanniiaacchh ppoommiięęddzzyy
mmaakkrroocczząąsstteecczzkkaammii.. GGddyy ddwwiiee mmaakkrroocczząąsstteecczzkkii łłąącczząą ssiięę ttwwoorrzząącc ssttrruukkttuurręę IIVV--rrzzęędduu,, wwooddaa
ttwwoorrzząąccaa ppoocczząąttkkoowwoo oottoocczzkkęę hhyyddrraattaaccyyjjnnąą ww mmiieejjssccuu ssttyykkuu mmaakkrroocczząąsstteecczzeekk mmuussii zzoossttaaćć uussuunniięęttaa
lluubb,, ccoo nnaajjmmnniieejj jjeejj oorrggaanniizzaaccjjaa mmuussii uulleecc iissttoottnnyymm zzmmiiaannoomm.. TTyymm ssaammyymm wwooddaa ttaa ooddggrryywwaa rroollęę
sskkłłaaddnniikkaa cchheemmiicczznneeggoo ((ssuubbssttrraattuu??)) ww rreeaakkccjjii aassooccjjaaccjjii wwppłłyywwaajjąącc nnaa ttwwoorrzzeenniiee ssiięę ssttrruukkttuurr ppoonnaadd--
cczząąsstteecczzkkoowwyycchh ((ssuupprraammoolleekkuullaarrnnyycchh)).. OOttoocczzkkaa hhyyddrraattaaccyyjjnnaa ddeeccyyddoowwaaćć mmoożżee zzaarróówwnnoo oo
sszzyybbkkoośśccii pprroocceessuu aassooccjjaaccjjii jjaakk ii oo ssttrruukkttuurrzzee ppoowwssttaajjąącceeggoo aassooccjjaattuu..
WWyyddaajjee ssiięę,, żżee oobbsszzaarryy ppoowwiieerrzzcchhnnii cczząąsstteecczzkkii ppoossiiaaddaajjąąccee jjeeddyynniiee cciieennkkąą,, ssłłaabboo zzoorriieennttoowwaannąą
oottoocczzkkęę hhyyddrraattaaccyyjjnnąą ssąą nnaattuurraallnnyymmii kkaannddyyddaattaammii nnaa ttaakkiiee ppoowwiieerrzzcchhnniiee ssttyykkuu.. II ttaakk ssiięę ww
rrzzeecczzyywwiissttoośśccii ddzziieejjee.. OOttoocczzkkaa oo ppooddaanneejj ppoowwyyżżeejj cchhaarraakktteerryyssttyyccee jjeesstt ttyyppoowwaa ddllaa nniieeppoollaarrnnyycchh
ffrraaggmmeennttóóww bbiiooppoolliimmeerruu.. FFrraaggmmeennttyy ttaakkiiee mmaajjąą dduużżąą sskkłłoonnnnoośśćć ddoo uunniikkaanniiaa kkoonnttaakkttuu zz
cczząąsstteecczzkkaammii wwooddyy,, mmóówwiimmyy,, żżee ssąą hhyyddrrooffoobboowwee.. JJeeddnnyymm zzee ssppoossoobbóóww zzaabbeezzppiieecczzeenniiaa ssiięę pprrzzeedd
kkoonnttaakktteemm zz wwooddąą jjeesstt kkoonnttaakktt zz iinnnnyymm,, rróówwnniieeżż hhyyddrrooffoobboowwyymm ffrraaggmmeenntteemm ppoowwiieerrzzcchhnnii.. EEffeekktteemm
wwyyssttęęppoowwaanniiaa ooddddzziiaałłyywwaańń hhyyddrrooffoobboowwyycchh ww oobbrręębbiiee ppoojjeeddyynncczzeejj cczząąsstteecczzkkii bbiiooppoolliimmeerruu jjeesstt
nnaaggrroommaaddzzeenniiee ssiięę ttaakkiicchh ffrraaggmmeennttóóww zz ddaallaa oodd ppoowwiieerrzzcchhnnii cczząąsstteecczzkkii -- ww jjeejj wwnnęęttrrzzuu.. WW
pprrzzyyppaaddkkuu mmiięęddzzyycczząąsstteecczzkkoowweeggoo ooddddzziiaałłyywwaanniiaa hhyyddrrooffoobboowweeggoo mmaammyy ddoo cczzyynniieenniiaa zz aassooccjjaaccjjąą
mmaakkrroommoolleekkuułł,, nnpp.. zz ppoowwssttaawwaanniieemm ww ppeełłnnii ffuunnkkccjjoonnaallnneeggoo eennzzyymmuu zz cczząąsstteecczzeekk bbiiaałłeekk
ttwwoorrzząąccyycchh jjeeggoo ppooddjjeeddnnoossttkkii..
NNiiee zzaawwsszzee jjeeddnnaakk ffrraaggmmeennttyy hhyyddrrooffoobboowwee wwyyssttęęppuujjąą wweewwnnąąttrrzz mmaakkrroommoolleekkuułłyy.. ZZnnaannee ssąą lliicczznnee
bbiiaałłkkaa,, nnaalleeżżąąccee ddoo kkllaassyy bbiiaałłeekk bbłłoonnoowwyycchh,, ww kkttóórryycchh wwiięękksszzoośśćć ffrraaggmmeennttóóww hhyyddrrooffoobboowwyycchh
zznnaajjdduujjee ssiięę nnaa ccyylliinnddrryycczznneejj ppoowwiieerrzzcchhnnii bboocczznneejj ttyycchh bbiiaałłeekk.. TTee hhyyddrrooffoobboowwee ppoowwiieerrzzcchhnniiee
12
Część I: Woda w układach biologicznych
pprrzzeezznnaacczzoonnee ssąą ddoo kkoonnttaakkttuu zz rróówwnniieeżż hhyyddrrooffoobboowwyymmii łłaańńccuucchhaammii kkwwaassóóww ttłłuusszzcczzoowwyycchh ww
wweewwnnęęttrrzznnyycchh oobbsszzaarraacchh bbiiwwaarrssttwwyy lliippiiddoowweejj..
MMaakkrroocczząąsstteecczzkkii ww rroozzttwwoorraacchh ssoollii
WW wwaarruunnkkaacchh ffiizzjjoollooggiicczznnyycchh ppoowwiieerrzzcchhnniiee bbiiooppoolliimmeerróóww ssąą ww kkoonnttaakkcciiee nniiee zz cczzyyssttąą
wwooddąą,, lleecczz zz rroozzttwwoorraammii wwooddnnyymmii zzaawwiieerraajjąąccyymmii zznnaacczząąccee iilloośśccii rroozzppuusszzcczzoonnyycchh ssoollii.. SSiiłłaa jjoonnoowwaa
ppłłyynnóóww uussttrroojjoowwyycchh ww oorrggaanniizzmmiiee cczzłłoowwiieekkaa ooddppoowwiiaaddaa 115500 mmMM rroozzttwwoorroowwii NNaaCCll.. JJoonnyy oobbeeccnnee
ww rroozzttwwoorrzzee mmaajjąą pprrzzyy ttyymm tteennddeennccjjęę ddoo ggrruuppoowwaanniiaa ssiięę wwookkóółł nnaałłaaddoowwaannyycchh ggrruupp zzwwiiąązzaannyycchh zz
ppoowwiieerrzzcchhnniiąą bbiiooppoolliimmeerruu.. OOttoocczzkkaa jjoonnóóww ttwwoorrzzyy ttzzww.. wwaarrssttwwęę ppooddwwóójjnnąą.. JJeejj sskkłłaadd zzaalleeżżyy oodd
zznnaakkuu łłaadduunnkkuu ggrruupp nnaałłaaddoowwaannyycchh bbiiooppoolliimmeerruu.. WWookkóółł ddooddaattnniioo nnaałłaaddoowwaannyycchh ggrruupp wwyyssttęęppuujjee
wwaarrssttwwaa aanniioonnóóww,, aa ww pprrzzyyppaaddkkuu ggrruupp oo łłaadduunnkkuu uujjeemmnnyymm wwaarrssttwwaa kkaattiioonnóóww.. TTaakkaa wwaarrssttwwaa
ppooddwwóójjnnaa wwyywwiieerraa ssiillnnee ddzziiaałłaanniiee eekkrraannuujjąąccee oobbnniiżżaajjąącc ssiiłłęę ooddddzziiaałłyywwaańń eelleekkttrroossttaattyycczznnyycchh
ppoommiięęddzzyy łłaadduunnkkaammii zzwwiiąązzaannyymmii zz ppoowwiieerrzzcchhnniiąą jjeeddnneejj mmaakkrroocczząąsstteecczzkkii jjaakk ii ppoommiięęddzzyy rróóżżnnyymmii
mmaakkrroocczząąsstteecczzkkaammii..
JJaakkoo ppiieerrwwsszzyy iissttnniieenniiee ttaakkiicchh wwaarrssttww pprrzzeewwiiddzziiaałł HHeellmmhhoollttzz.. OOnn tteeżż jjaakkoo ppiieerrwwsszzyy zzaajjmmoowwaałł ssiięę
iicchh bbuuddoowwąą.. WW mmooddeelluu HHeellmmhhoollttzzaa wwaarrssttwwaa ppooddwwóójjnnaa sskkłłaaddaa ssiięę zz łłaadduunnkkóóww ppoowwiieerrzzcchhnniioowwyycchh
bbiiooppoolliimmeerruu ii uuppoorrzząąddkkoowwaanneejj wwaarrssttwwyy jjoonnóóww ppoocchhooddzząąccyycchh zz rroozzttwwoorruu.. OOddlleeggłłoośśćć ttyycchh
pprrzzeecciiwwjjoonnóóww oodd ppoowwiieerrzzcchhnnii bbiiooppoolliimmeerruu jjeesstt ww mmooddeelluu HHeellmmhhoollttzzaa ssttaałłaa.. TTaakkiieejj wwaarrssttwwiiee
ppooddwwóójjnneejj,, ttzzww.. ww aa rr ss tt ww ii ee HH ee ll mm hh oo ll tt zz aa ,, ooddppoowwiiaaddaa lliinniioowwaa zzmmiiaannaa ppootteennccjjaałłuu zz
ooddlleeggłłoośścciiąą ((RRyyss..II..99 AA))..
OOkkaazzaałłoo ssiięę,, żżee ww nniieekkttóórryycchh pprrzzyyppaaddkkaacchh mmooddeell HHeellmmhhoollttzzaa ooddbbiieeggaa oodd oobbsseerrwwoowwaannyycchh
zzaalleeżżnnoośśccii.. GGoouuyy ii CChhaappmmaann zzaapprrooppoonnoowwaallii wwiięęcc iinnnnyy mmooddeell wwaarrssttwwyy ppooddwwóójjnneejj,, ttzzww..
pp oo dd ww óó jj nn ąą ww aa rr ss tt ww ęę dd yy ff uu zz yy jj nn ąą .. MMyyśślląą pprrzzeewwooddnniiąą tteeggoo mmooddeelluu jjeesstt zzaałłoożżeenniiee,, żżee
pprrzzeecciiwwjjoonnyy ddąążżąą ww zzaassaaddzziiee ddoo uuttwwoorrzzeenniiaa ppooddwwóójjnneejj wwaarrssttwwyy HHeellmmhhoollttzzaa,, lleecczz pprrzzeesszzkkaaddzzaajjąą iimm
rruucchhyy tteerrmmiicczznnee.. WW eeffeekkcciiee ssttrruukkttuurraa wwaarrssttwwyy ddyyffuuzzyyjjnneejj jjeesstt wwyyppaaddkkoowwąą oobbuu ttyycchh pprroocceessóóww ii
pprrzzyyppoommiinnaa mmooddeell aattmmoossffeerryy ZZiieemmii:: ww ppoobblliiżżuu ppoowwiieerrzzcchhnnii bbiiooppoolliimmeerruu ggęęssttoośśćć pprrzzeecciiwwjjoonnóóww jjeesstt
nnaajjwwiięękksszzaa ii wwrraazz zz ooddlleeggłłoośścciiąą mmaalleejjee ww pprrzzyybblliiżżeenniiuu wwyykkłłaaddnniicczzoo.. WW eeffeekkcciiee ppootteennccjjaałł nniiee jjeesstt
lliinniioowwąą ffuunnkkccjjąą rr ii ssiięęggaa ggłłęębbiieejj ww rroozzttwwóórr nniiżż pprrzzyy ppooddwwóójjnneejj wwaarrssttwwiiee HHeellmmhhoollttzzaa,, RRyyss..II..99 BB..
PPooddssttaawwąą mmaatteemmaattyycczznnąą mmooddeelluu jjeesstt ssttaattyyssttyycczznnyy rroozzkkłłaadd pprrzzeecciiwwjjoonnóóww zzggooddnniiee zz rroozzkkłłaaddeemm
BBoollttzzmmaannnnaa.. MMooddeell ddyyffuuzzyyjjnneejj wwaarrssttwwyy ppooddwwóójjnneejj jjeesstt zzggooddnnyy zz ddoośśwwiiaaddcczzeenniieemm ddllaa rroozzttwwoorróóww oo
nniieewwiieellkkiimm ssttęężżeenniiuu..
13
Część I: Woda w układach biologicznych
AA))
BB))
CC))
r
ψ
r
ψ
r
ψ
RRyyss..II..99:: SScchheemmaatt rróóżżnnyycchh mmooddeellii wwaarrssttww ppooddwwóójjnnyycchh nnaa ppoowwiieerrzzcchhnnii bbiiooppoolliimmeerruu.. PPoowwiieerrzzcchhnniiaa
bbiiooppoolliimmeerruu ppoossiiaaddaa łłaadduunnkkii ddooddaattnniiee.. KKóółłeecczzkkaa oozznnaacczzaajjąą aanniioonnyy ttwwoorrzząąccee wwaarrssttwwęę pprrzzeecciiwwjjoonnóóww.. AA)) -- wwaarrssttwwaa HHeellmmhhoollttzzaa;; BB)) -- ddyyffuuzzyyjjnnaa wwaarrssttwwaa ppooddwwóójjnnaa;; CC -- wwaarrssttwwaa ppooddwwóójjnnaa SStteerrnnaa.. WWyykkrreessyy ppoonniiżżeejj sscchheemmaattóóww pprrzzeeddssttaawwiiaajjąą zzmmiiaannyy ppootteennccjjaałłuu ψψ jjaakkoo ffuunnkkccjjęę ooddlleeggłłoośśccii rr..
PPrrzzyy wwiięękksszzyycchh ssttęężżeenniiaacchh ppoojjaawwiiaajjąą ssiięę jjeeddnnaakk zznnaacczznnee rroozzbbiieeżżnnoośśccii ppoommiięęddzzyy
pprrzzeewwiiddyywwaanniiaammii mmooddeelluu ii ddaannyymmii ddoośśwwiiaaddcczzaallnnyymmii.. DDllaatteeggoo ppoosszzuukkiiwwaannoo jjeesszzcczzee lleeppsszzeeggoo
mmooddeelluu.. CCiieekkaawwyy mmooddeell zzaapprrooppoonnoowwaałł SStteerrnn.. PPoołłąącczzyyłł oonn mmooddeellee HHeellmmhhoollttzzaa ii CChhaappmmaannaa
pprrzzyyjjmmuujjąącc,, żżee cczzęęśśćć pprrzzeecciiwwjjoonnóóww ttwwoorrzzyy rrzzeecczzyywwiiśścciiee wwaarrssttwwęę ppooddwwóójjnnąą zzggooddnnąą zz mmooddeelleemm
HHeellmmhhoollttzzaa.. JJeeddnnaakkżżee zzggooddnniiee zz zzaałłoożżeenniieemm SStteerrnnaa,, łłaadduunneekk ttyycchh jjoonnóóww nniiee jjeesstt wwyyssttaarrcczzaajjąąccyy ddllaa
zzrróówwnnoowwaażżeenniiaa łłaadduunnkkuu ppoowwiieerrzzcchhnniioowweeggoo bbiiooppoolliimmeerruu.. PPoozzoossttaałłee pprrzzeecciiwwjjoonnyy ttwwoorrzząą ddyyffuuzzyyjjnnąą
wwaarrssttwwęę ppooddwwóójjnnąą.. PPooddzziiaałł łłaadduunnkkuu ((lliicczzbbyy pprrzzeecciiwwjjoonnóóww)) ppoommiięęddzzyy oobbiiee ppooddssttrruukkttuurryy zzaalleeżżyy oodd
ssttęężżeenniiaa rroozzttwwoorruu.. PPrrzzyy nniisskkiicchh ssttęężżeenniiaacchh wwsszzyyssttkkiiee lluubb pprraawwiiee wwsszzyyssttkkiiee pprrzzeecciiwwjjoonnyy zznnaajjdduujjąą ssiięę
ww wwaarrssttwwiiee ddyyffuuzzyyjjnneejj.. WWrraazz zzee wwzzrroosstteemm ssttęężżeenniiaa jjoonnóóww ccoorraazz ssiillnniieejj oobbssaaddzzaannaa jjeesstt jjeeddnnaakk
wwaarrssttwwaa HHeellmmhhoollttzzaa.. ZZggooddnniiee zz mmooddeelleemm SStteerrnnaa zzaalleeżżnnoośśćć ppootteennccjjaałłuu oodd rr mmaa ppoocczząąttkkoowwoo
cchhaarraakktteerr lliinniioowwyy,, aa ppoo pprrzzeekkrroocczzeenniiuu ooddlleeggłłoośśccii HHeellmmhhoollttzzaa pprrzzeekksszzttaałłccaa ssiięę ww zzaalleeżżnnoośśćć
wwyykkłłaaddnniicczząą ((RRyyss..II..99 CC)).. WW eeffeekkcciiee ssppaaddeekk ppootteennccjjaałłuu jjeesstt dduużżoo wwoollnniieejjsszzyy nniiżż ww mmooddeelluu wwaarrssttwwyy
ddyyffuuzzyyjjnneejj.. MMooddeell SStteerrnnaa uuwwzzggllęęddnniiaa ppoonnaaddttoo iinnnnee,, nniiee ttyyllkkoo eelleekkttrroossttaattyycczznnee,, ooddddzziiaałłyywwaanniiaa
14
Część I: Woda w układach biologicznych
ppoommiięęddzzyy ppoowwiieerrzzcchhnniiąą bbiiooppoolliimmeerruu ii pprrzzeecciiwwjjoonnaammii.. UUmmoożżlliiwwiiaa ttoo ttwwoorrzzeenniiee ppoopprraawwnnyycchh mmooddeellii
wwaarrssttwwyy ppooddwwóójjnneejj nniiee ttyyllkkoo ddllaa rroozzttwwoorróóww pprroossttyycchh ssoollii,, nnpp.. NNaaCCll,, aallee rróówwnniieeżż ddllaa rroozzttwwoorróóww
zzaawwiieerraajjąąccyycchh zzjjoonniizzoowwaannee zzwwiiąązzkkii oorrggaanniicczznnee.. WW ttaakkiicchh rroozzttwwoorraacchh nnaa sskkuutteekk ooddddzziiaałłyywwaańń
aabbssoorrppccyyjjnnyycchh ww wwaarrssttwwiiee ppooddwwóójjnneejj mmoożżee wwyyssttęęppoowwaaćć nnaaddwwyyżżkkaa pprrzzeecciiwwjjoonnóóww kkttóórraa ww
sskkrraajjnnyycchh pprrzzyyppaaddkkaacchh mmoożżee ssppoowwooddoowwaaćć nnaawweett ooddwwrróócceenniiee ppootteennccjjaałłuu ppoollaa..
15