V O D A (teze přednášky) Biofyzikální vlastnosti znamenají možnost života na Zemi. Ztráta 10 % vody u savců představuje vážné poruchy, ztráta 25 % smrt.

Voda je nejvíce zastoupenou sloučeninou v organizmu Krev 93 % Ledviny 83 % Srdce, plíce 79 % Svalovina 76 % Mozek 70 % Skelet 22 % Zubní sklovina 0,2 % S věkem obsah vody klesá z 80 % při narození na 50 % ve stáří

Silně polární struktura σ + Parciální náboje Vodíkové vazby (můstky) E ~ 8 – 40 kJ mol-1 asociace (shlukování) molekul Polární rozpouštědlo H H 104,5o O σ -

KAPALNÁ VODA USPOŘÁDÁNÍ DO „CLUSTERS“ Molekuly vzájemně asociují, střídají se oblasti organizované s neorganizovanými a se samostatnými molekulami Molekuly se mohou zasouvat do sebe Různé energie H můstků v závislosti na prostorovém uspořádání jednotlivých clusters Paměť molekul (transport informace, homeopatika)

L E D Každá molekula vody přitahuje 4 další molekuly. „VURTZITOVÁ“ struktura Každá molekula vody přitahuje 4 další molekuly. Molekuly vytvářejí pravidelný tetraedr krystalů ledu. Vodíkové můstky mají stejnou energii v závislosti na teplotě. Pravidelné vzdálenosti vedou k zvětšení objemu Vmax 4 oC - anomálie vody.

FUNKCE VODY Univerzální rozpouštědlo Prostředí pro fyzikální (osmóza) a chemické (hydrolýza) procesy Strukturální (uspořádání membrán) Transportní (plynů, živin, tepla) Termoregulační Velké specifické teplo 4,2 kJ mol-1 → akumulace tepla Výborná tepelná vodivost Vysoké skupenské teplo výparné 2,4 kJ mol-1 (37oC) Evaporace Anomálie vody

ROZPOUŠTĚNÍ Kapaliny mají schopnost rozrušovat vzájemné interakce částic pevných látek nebo jiných kapalin a uvolněné částice rovnoměrně rozptylovat (snaha o dosažení rovnovážného stavu). ROZPUSTNOST je stavová veličina představující kvantitativní míru rozpouštění NASYCENÝ ROZTOK je rovnovážná soustava, kdy za dané teploty se přidávaná látka přestává rozpouštět a vytváří samostatnou fázi.

DISOCIACE – rozpad na menší části – ionty (disociační konstanta) ASOCIACE – spojování částic (H můstky) SOLVATACE (HYDRATACE) obalování částic molekulami rozpouštědla (vody)

ROZDĚLENÍ VODY Dříve volná x vázaná Nyní dle aktivity vody aw piw piwo piw parciální tenze vodních par nad potravinou piwo parciální tenze vodních par nad čistou vodou

Aktivita vody Protože tenze par odpovídá vzdušné relativní vlhkosti RV udávané v % přibližně platí: RV aw = ----------- 100

ROZDĚLENÍ VODY aw 0,0 - 0,2 voda vicinální monomolekulární vrstva, nemá schopnost rozpouštědla, bez možnosti chemických reakcí 2. aw 0,2 - 0,7 voda vícevrstvá fyzikální sorpce na potravinu, převládají vodíkové vazby mezi vrstvami vody 3. aw 0,7 - 1,0 voda kondenzovaná voda volná získá se odpařením voda zachycená získá se lisováním

Všechny interakce vody v potravinách vedou k poklesu entropie, tedy k nárustu organizovanosti představované terciární a kvartérní strukturou koloidů. aw roste s teplotou 10 oC o 0,03-0,2 1,0-0,9 potraviny velmi vlhké 0,9-0,6 potraviny středně vlhké 0,2 – 0,6 potraviny suché Čerstvé maso 0,97 uzenina 0,82 – 0,85

Aktivita vody Představuje dostupnost mikroorganismů k vodě z potraviny, tedy vztah ke údržnosti 0,95 Salmonella 0,90 Listeria monocytogenes 0,86 Staphylococcus aureus 0,78 Aspergillus flavus

KOLIGATIVNÍ VLASTNOSTI SOUVISÍ S POČTEM ČÁSTIC V ROZTOKU, JEJICHŽ VLASTNOSTI SE LIŠÍ OD VLASTNOSTÍ ČISTÝCH SLOŽEK Raultův zákon: Tenze par rozpouštědla nad roztokem je za stejných podmínek vždy nižší než nad čistým rozpoštědlem (po). Δ p = po . X2 X2 molární zlomek rozpuštěné látky podíl počtu částic rozpuštěné látky vůči součtu počtu částic rozpuštěné látky a počtu částic rozpouštědla

EBULIOSKOPIE Bod varu roztoku je vždy vyšší než bod varu čistého rozpouštědla ΔTe = Ee . m Ee ebulioskopická konstanta m molární koncentrace [mol . m-3]

KRYOSKOPIE Bod tuhnutí roztoku je vždy nižší než čistého rozpouštědla ΔTk = Ek . m Ek kryoskopická konstanta m molární koncentrace [mol . m-3]

OSMOTICKÝ TLAK π Je výsledkem snahy koncentrovaného roztoku po zředění (vyrovnání koncentračního gradientu) Hydrostatický tlak: p = h . ρ . g [Pa] Vańt Hoffův vztah: π = R . T . c . i [Pa] c molární koncentrace [mol . m-3] i Vańt Hoffův opravný koeficient Pro neelektrolyty = 1 Pro elektrolyty počtu vzniklých iontů Osmolarita [mosmol . l-1] Osmolalita [mosmol . kg-1 rozpouštědla]

OSMÓZA – TOK ROZPOUŠTĚDLA Představuje transport hmoty látkový tok J = k . S (π1 – π2) k – koeficient propustnosti S – celková plocha rozhraní π1 , π2 – osmotické tlaky roztoků oddělených membránou

TYPY ROZTOKŮ izotonický – stejný osmotický tlak hypotonický x hypertonický nižší osmotický tlak vyšší osmotický tlak směr pohybu molekul rozpouštědla

OSMOTICKÝ TLAK Roztoky hepertonické voda ven z buňky → svrašťování plazmorhyza (u rostlin plazmolýza) Roztoky hypotonické voda do buňky, zvětšení objemu plazmoptýza, haemolýza Roztoky isotonické pro krev π = 0,74 MPa 0,9 % NaCl (0,155 mol.l-1) nebo 5 % glukóza (0,31 mol.l-1)

ONKOTICKÝ TLAK Týká se koloidů má v plazmě menší význam než osmotický tlak solí, působí proti hydrostatickému tlaku krve v končetinách, a proto má význam v tkáňové cirkulaci – zamezuje hromadění vody ve tkáních Hypoproteinemie plazmy vede k otokům

ONKOTICKÝ TLAK Schopnost potravin vázat přidanou vodu 1 g albuminu či globulinu váže 1,3 g vody 1 g škrobu váže 0,8 g vody (solení, prátování atd.)

TERMIKA Teplo je nejméně uspořádaná forma energie Teplo je suma všech forem kinetických energií 1 J = 0,2388 cal 1 cal = 4,1868 J Teplota – míra střední kinetické energie všech částic Teplota – stavová veličina, kterou vnímáme

MĚŘENÍ TEPLOTY objemová roztažnost tekutin vodíkový teploměr kapalinové teploměry délková roztažnost pevných látek l = lo . (1 + α t) bimetalové teploměry keramické teploměry závislost elektrického odporu na teplotě vodičů R = Ro . (1 + α t ..ß t2 + …) platinové teploměry polovodičů termistory R = A . eB/T optické metody dotykové – kapalné krystaly bezdotykové – IF záření

TERMOREGULACE ORGANIZMU z hlediska výměny tepla s okolím je rozhodující velikost povrchu, nikoliv objemu nebo hmotnosti teplota má hlavní význam pro udržení činnosti enzymů zrcadlový efekt jater (při syntéze je minimální degradace a naopak)

Transport tepla v organizmu kondukcí (vedením) mezi orgány dt Q = λ . S . --------- . τ dx λ koeficient přestupu tepla τ (tau) čas dt/dx gradient teploty podle vzdálenosti S plocha

Transport tepla v organizmu konvekcí (prouděním) krev – transport energie i hmoty Q = α . S . Δt . τ α koef. přestupu tepla přes rozhraní τ čas Δt gradient teploty S plocha

Produkce tepla, energie stanovení přímé – kalorimetricky stanovení nepřímé – ze spotřeby O2 spalná tepla fyzikální x fyziologická sacharidy a bílkoviny 17 MJ.kg-1 tuky 38 MJ.kg-1 fyziologická využitelnost energie bílkovin je snížena o energii nutnou k detoxikaci dusíkatých látek (močovina, kyselina močová, aminy atd.)

Produkce tepla a omezení transportu tepla do okolí zvýšení bazálního metabolizmu svalový třes izolační vlastnosti pokryvu těla zmenšení povrchu vazokonstrikce

Výdej tepla radiací (u člověka až 60 %) závislá na teplotě okolí a pokryvu těla Q ~ T4 vedením - nejteplejší jsou játra vazodilatací prouděním evaporace závislá na vlhkosti vzduchu