Ünitenin tamamını tek sayfada görPremium
Su, canlı organizmaların en hayati ve temel bileşenlerinden biridir. Oksijensiz solunum yapabilen veya oksijensiz ortamda yaşayabilen bazı canlı türleri var olmasına rağmen, susuz bir yaşamın sürdürülmesi biyolojik olarak imkansızdır. Çünkü canlılığın devamını sağlayan ve metabolizmayı ayakta tutan tüm biyokimyasal reaksiyonlar ve metabolik olaylar sulu çözeltiler içinde gerçekleşmektedir.
Su molekülünün yapısında bulunan H+ ve OH- iyonları; proteinlerin, nükleik asitlerin, lipitlerin, hücresel membranların ve daha birçok hayati hücre bileşeninin üç boyutlu yapılarını ve buna bağlı biyolojik özelliklerini doğrudan belirler. Ayrıca su, yüksek erime ve kaynama noktasına sahip olmasının yanı sıra oldukça yüksek bir buharlaşma ısısına da sahiptir.
Buna karşın hidrokarbon bileşikleri yalnızca Karbon (C) ve Hidrojen (H) elementlerini içerir ve apolar özellik sergiler. Bu tür apolar bileşiklerde, iyonik bileşikler için karakteristik olan iyon-dipol ve dipol-dipol etkileşimleri bulunmaz; bu sebeple suda çözünmezler. Apolar bileşikler ile su molekülleri arasındaki etkileşimler, polar bileşiklerinkine kıyasla çok daha zayıftır.
Su molekülünün dipolar (kutuplu) yapısından ötürü, su molekülleri arasında güçlü çekim kuvvetleri mevcuttur. Bir su molekülünün oksijen (O) atomu üzerindeki kısmi negatif (-) yük ile komşu başka bir su molekülünün hidrojen (H) atomu üzerindeki kısmi pozitif (+) yük arasında kuvvetli bir elektrostatik çekim meydana gelir ve bu etkileşime hidrojen bağı adı verilir. Oksijen atomu çevresindeki elektronların tetrahedral bir konfigürasyonda dizilmesi, her bir su molekülünün 4 komşu su molekülü ile hidrojen bağı kurma eğiliminde olmasını sağlar.
Suyun sahip olduğu bu dipolar özellik, onu diğer sıradan sıvılara kıyasla çok daha üstün ve etkin bir çözücü yapar. Kristal yapılı tuzlar ve diğer iyonik bileşikler kloroform veya benzen gibi apolar çözücülerde çözünmezken, su içinde kolaylıkla çözünürler. Örneğin NaCl gibi tuzların kristal örgüsü, pozitif ve negatif yüklü iyonlar arasındaki çok güçlü elektrostatik çekim kuvvetleriyle bir arada tutulur.
Bu iyonları kristal örgüden ayırmak ve çözmek için ciddi bir enerji gereklidir. Ancak çevresi su molekülleriyle sarılmış (hidratlanmış) kararlı sodyum (Na+) ve klor (Cl-) iyonları oluşurken, su moleküllerinin kutupları ile bu iyonlar arasında kurulan kuvvetli elektrostatik çekim, iyonların birbirini çekme eğiliminden çok daha baskın gelir ve çözünme gerçekleşir.
Canlı organizmalardaki tüm kimyasal olaylar sulu ortamda cereyan eder. Hücre içi sıvısında proteinler, çeşitli organik bileşikler, anorganik anyon ve katyonlar çözünmüş halde bulunur. Benzer şekilde kan ve omurilik sıvısı gibi ekstraselüler (hücre dışı) sıvılarda da durum aynıdır. Her iki sıvı bölmesi arasındaki madde geçişleri ve kimyasal etkileşmeler, çözeltilerde geçerli olan fizikokimyasal prensiplere tabidir.
Sabit sıcaklıkta, belirli bir hacim çözücüde (örneğin 1000 ml suda) çözünebilecek maksimum madde miktarına o maddenin çözünürlüğü denir. Birçok katı ve sıvının çözünürlüğü sıcaklık artışıyla yükselirken, gazların çözünürlüğü bunun aksine sıcaklıkla azalır. Gazların çözünürlüğü sıcaklığın yanı sıra o gazın sıvının üzerindeki kısmi basıncına da doğrudan bağlıdır.
Çözünen moleküller çözücünün bazı fizikokimyasal özelliklerinde belirgin değişiklikler meydana getirir. Bu değişimlerin miktarı, çözünen maddelerin kimyasal cinsine değil, doğrudan doğruya çözünen taneciklerin toplam sayısına bağlıdır ve bu özelliklere koligatif özellikler denir. Yarı geçirgen (semi-permeable) bir zardan sadece su moleküllerinin geçiş yapması osmoz olayını oluşturur.
Çözünmüş taneciklerin çözelti içinde oluşturdukları kinetik basınçtan ibaret olan osmotik basınç; çözeltinin konsantrasyonu ve sıcaklığı ile doğru orantılıdır. Örneğin yarı geçirgen bir zardan oluşan bir balona %98 sakkaroz çözeltisi konulup saf su içine daldırıldığında, su konsantrasyonun az olduğu sakkaroz çözeltisine doğru geçer; sakkaroz dışarı çıkamayacağı için balon şişer ve bir süre sonra patlar.
Sulu çözeltilerin yanı sıra susuz çözeltilerde de uygulanabilen en geniş kapsamlı asit-baz tarifi Lewis tarafından yapılmıştır. Lewis tanımına göre bir elektron çifti kabul edebilen maddeler asit, verebilen maddeler ise bazdır. Bu tarif, organik ve biyokimyasal reaksiyon mekanizmalarının incelenmesinde oldukça faydalıdır. Bununla birlikte seyreltik sulu çözeltilerde Brönsted ve Lowry tarafından geliştirilen tarif çok daha yaygın olarak kullanılmaktadır.
Brönsted-Lowry tanımına göre proton (H+) veren maddeler asit, proton alan maddeler ise bazdır. Henderson-Hasselbalch eşitliği, tampon çözeltilerin pH hesaplamalarında ve zayıf asit-baz dengelerinin anlaşılmasında kritik bir rol oynamaktadır. Bir zayıf asidin eşlenik bazıyla veya bir zayıf bazın eşlenik asidiyle bir arada bulunduğu çözeltilere tampon çözelti denir.
Tampon çözeltiler, dışarıdan çok yüksek düzeyde olmayan asit ve baz ilavelerinde ortamın pH derecesini sabit tutan ve ani değişimleri önleyen sistemlerdir. Örneğin pH 7'de bulunan saf suya 1 ml 0.1 M HCl eklendiğinde pH ani bir düşüşle 3'e inerken, tampon çözeltiler bu tür değişimlere karşı direnç gösterir.
Canlı metabolizmasında sürekli olarak üretilen H+ iyonları ve çeşitli asitler, proteinler ve fosfat sistemleri (örneğin kanda bulunan hemoglobin) vasıtasıyla oluşturulan tamponlar sayesinde kompanse edilir. Ortamın pH değeri yükseldiğinde (yani H+ derişimi azaldığında), amino asitlerin karboksil grupları zayıf bir asit gibi davranarak ortama H+ iyonu salar ve pH dengesi korunur.
Buna karşın pH düştüğünde (H+ derişimi arttığında), amino grupları zayıf bir baz gibi etki ederek ortamdaki fazla H+ iyonlarını kendi bünyelerine çeker ve pH'ın ani değişimini engeller. Hemoglobin ise solunum esnasında PCO2 basıncı azaldığında veya düştüğünde kandaki pH dalgalanmalarını başarıyla engellemektedir.
Bikarbonat tamponu ise akciğerler ve çevre dokular arasındaki gaz değişim mekanizmasında son derece etkilidir. Karbondioksitin (CO2) kısmi basınç farklılıklarından kaynaklanan asit-baz dengesi bozuklukları tıpta solunum bozukluğu olarak adlandırılır. Bu düzensizlikler temel olarak asidozis ve alkalozis şeklinde sınıflandırılır; asidozisde plazmada hidrojen iyonları artarken, alkalozisde OH- iyonları derişimi artar ve pH düşer.