Água, pH e Tampões em Bioquímica

Água, pH e Tampões

• Sébastien Charneau é o autor do material sobre água, pH e tampões.

Bioquímica

• Bioquímica é o estudo dos processos químicos dentro dos organismos vivos.

Importância da Água

• Os oceanos cobrem 71% da superfície da Terra, sendo 98% da água do planeta.
• A água é o constituinte celular mais abundante.
• A água está presente em todas as partes das células.
• As propriedades da água afetam a estrutura e a função de todos os constituintes celulares.
• A água é o meio em que ocorrem reações catalisadas por enzimas e o transporte de substâncias.

Componentes Moleculares de Escherichia coli

• A água é o composto simples mais abundante em todas as células e organismos.
• Quase toda a matéria sólida em células é substância orgânica, incluindo proteínas, ácidos nucleicos, polissacarídeos e lipídeos.
• A água está presente em todas as partes das células e é o meio onde ocorrem diversas reações e processos.
• As estruturas das biomoléculas, como proteínas e DNA, são resultado direto de suas interações com o ambiente aquoso.

A Importância da Água para os Seres Vivos

• Constituinte químico vital para a vida.
• Envolvida em reações químicas essenciais.
• Excelente solvente para muitas substâncias.
• Reguladora da temperatura.
• Atua como meio de difusão para muitas substâncias.

Temperaturas de Fusão, Ebulição e Calor de Vaporização

• A água apresenta valores mais altos de temperatura de fusão e ebulição, além de calor de vaporização, em comparação com outros solventes.
• A forte atração intermolecular (coesão interna) se deve à forte atração entre moléculas de água adjacentes.

A Molécula da Água

• A estrutura da água envolve ligações covalentes e eletronegatividade.

Ligação Covalente

• Os átomos tendem a combinar-se para completar sua camada de valência com oito elétrons, seguindo a regra do octeto.
• A ligação covalente envolve o compartilhamento de um par de elétrons para aumentar a estabilidade molecular.

Eletronegatividade

• É uma propriedade periódica que quantifica a tendência de um átomo em atrair elétrons em uma ligação química.
• Um átomo eletronegativo possui facilidade em "roubar" elétrons de outro átomo.
• O número atômico está diretamente relacionado ao número de prótons e à eletronegatividade.
• Um átomo "fortão" possui um núcleo pequeno e cheio de prótons.

Natureza Dipolar da Água

• O oxigênio é mais eletronegativo que o hidrogênio, resultando em cargas parciais e formação de ligações de hidrogênio entre moléculas de água.

Ligação de Hidrogênio

• A ligação de hidrogênio é relativamente fraca, com baixa energia de dissociação.
• Ligações de hidrogênio formam-se e quebram-se rapidamente, a cada 0,1 ps .
• Um átomo de hidrogênio é compartilhado por outros dois átomos.
• Quando o hidrogênio está ligado a um átomo eletronegativo (oxigênio ou nitrogênio), há cargas parciais e interação com átomos de carga parcial negativa.

Estados Físicos da Água

• As ligações de hidrogênio são prevalentes em todos os estados físicos da água.
• No estado líquido, a água possui uma organização de curta duração e forma aglomerados oscilantes com densidade de 1 g.cm-3.
• Já no estado sólido (gelo), a água forma uma rede hexagonal estável com ligações de hidrogênio, resultando numa densidade de 0,92 g.cm-3
• No estado sólido, a mesma massa ocupa um volume maior.

Ligações de Hidrogênio no Gelo

• As ligações de hidrogênio criam uma rede hexagonal no gelo.
• A rede cristalina ocupa mais espaço do que o mesmo número de moléculas na água líquida, tornando o gelo menos denso.

Características da Água Conferidas Pela Força de Coesão

• Ponto de ebulição elevado.
• Calor de vaporização elevado.
• Ponto de fusão elevado.

Ligações de Hidrogênio Não Exclusivas à Água

• As ligações de hidrogênio também se formam entre átomos eletronegativos, como nitrogênio e oxigênio, em outras moléculas.

Ligações de Hidrogênio de Importância Biológica

• Entre o grupo carbonil de uma cetona e água.
• Entre o grupo hidroxil de um álcool e água.
• Entre grupos peptídeos em polipeptídeos.
• Entre bases complementares do DNA.

DNA

• As cadeias do DNA são unidas por ligações de hidrogênio entre pares de bases.
• A adenina emparelha com a timina através de duas ligações de hidrogênio, enquanto citosina e guanina interagem com três ligações de hidrogênio.

Estrutura Secundária de Proteínas

• O arranjo das ligações de hidrogênio no esqueleto proteico influencia a estrutura secundária das proteínas.

Importância das Ligações de Hidrogênio

• A ligação de hídrogênio orientada é capaz de manter duas moléculas unidas.
• A estrutura tridimensional precisa e estável é alcançada pelo arranjo específico das ligações.

Interação da Água com Biomoléculas

• A água é um solvente polar que dissolve compostos carregados ou polares.
• A água compete com forças eletrostáticas e ligações de hidrogênio entre moléculas polares, enfraquecendo sua atração.
• As biomoléculas são, em geral, compostos carregados ou polares.
• Compostos que se dissolvem em água são chamados hidrofílicos.

Hidratação de Íons

• A polaridade da água contribui para sua capacidade de dissolver compostos orgânicos e inorgânicos.
• No processo de dissolução, ocorre a dissociação em um cátion e um ânion que se tornam eletrólitos hidratados, com uma blindagem das interações eletrostáticas.

Efeito de Blindagem em Outros Compostos

• A água enfraquece as forças eletrostáticas e as ligações de hidrogênio entre moléculas polares.
• A água possui uma alta constante dielétrica em comparação com outros solventes.
• A força das interações iônicas é inversamente proporcional à constante dielétrica e ao quadrado da distância entre os grupos carregados.

Biomoléculas Não Polares

• Biomoléculas não polares, como ceras, são incapazes de interagir com a água, resultando em mudanças energeticamente desfavoráveis.

Gases apolares

• Gases apolares são fracamente solúveis em água.
• Moléculas polares se dissolvem melhor em baixas temperaturas do que moléculas não polares em temperaturas elevadas.
• Alguns organismos usam proteínas para transportar oxigênio e gás carbônico.
• O gás carbônico forma ácido carbônico em solução aquosa, sendo transportado dessa forma.

Biomoléculas Anfipáticas

• Moléculas anfipáticas, como fosfolipídios, contêm regiões polares e não polares com cadeias de hidrocarbonetos.
• Em solução aquosa, formam estruturas onde as partes hidrofóbicas se agrupam, enquanto as hidrofílicas interagem com a água.

Comportamento de Compostos Anfipáticos em Solução Aquosa

• Cadeias altamente organizadas de moléculas de água formam "gaiolas" ao redor das cadeias alquílicas hidrofóbicas.
• Essas moléculas sofrem tendências conflitantes devido às suas regiões hidrofílicas e hidrofóbicas.

Agregação dos Ácidos Graxos em Micelas

• Formam-se micelas, em que as interações hidrofóbicas mantêm as regiões apolares juntas, enquanto a parte polar interage com a água.

Membrana Plasmática e Água

• A membrana plasmática é composta por lipídeos anfipáticos, proteínas, carboidratos e colesterol.

Estrutura das Células

• As células procarióticas e eucarióticas apresentam diferentes estruturas e componentes.
• O compartilhamento celular ou comunicação é fundamental para os processos celulares.

Organização Molecular da Água

• Existe uma organização da água com solutos polares.
• A liberação de água ordenada favorece a formação do complexo enzima-substrato, estabilizado pelas ligações de hidrogênio, interações iônicas e hidrofóbicas.

Interações Não Covalentes em Solvente Aquoso

• As interações fracas, como ligações de hidrogênio, interações iônicas e interações de van der Waals, são cruciais para a estrutura e função das macromoléculas.
• A estabilização da estrutura nativa é resultado da formação de um grande número de ligações fracas.

Propriedades Coligativas das Soluções

• Solutos alteram as propriedades coligativas das soluções alterando o ponto de fusão, o ponto de ebulição, a pressão de vapor ou a pressão osmótica
• A adição de um soluto não-permeante diminui a concentração da água, reduzindo a pressão do vapor e a formação de cristais.

Efeito da Osmolaridade Extracelular

• A osmolaridade extracelular influencia o movimento da água através da membrana plasmática.
• As membranas são mais permeáveis à água.
• Em uma solução isotônica, não há movimento significativo de água.
• Em soluções hipertônicas ou hipotônicas, a água se move para fora ou para dentro da célula, respectivamente.

Ionização da Água Pura

• A água pura é levemente ionizada, conduzindo eletricidade.
• Moléculas de água sofrem autoionização reversível mediante a formação de íons hidrônio e hidróxido.

Movimento dos Íons Hidrônio e Hidróxido

• O movimento dos íons hidrônio e hidróxido no campo elétrico é anormalmente rápido.
• Ocorre o salto de prótons.
• As reações ácido-base em soluções aquosas geralmente são rápidas.

Mobilidade Iônica e Condutividade Elétrica

• A mobilidade iônica dos prótons influencia a ionização da água e a condutividade elétrica.
• Esses íons apresentam mobilidades distintas na água.

Ionização da Água

• A ionização da água é expressa pela constante de equilíbrio.
• Usando a constante de equilíbrio, é possível calcular a concentração dos íons hidrônio e hidróxido presentes na água.
• Em água neutra, as concentrações de H+ e OH- são iguais.
• É possível calcular a concentração de H+ [H+] sabendo [OH-].

Escala de pH

• O pH é uma forma abreviada de expressar a concentração real de H+.
• O pOH designa a concentração de OH-.
• A escala de pH é logarítmica e usada para designar a concentração de H+.
• As soluções ácidas têm um pH menor que 7, enquanto as soluções básicas têm um pH maior que 7.

pH de Fluidos

• A escala de pH permite definir os fluidos do organismo como ácidos (pH < 7) ou básicos (pH > 7).

Influência do pH

• O pH afeta a estrutura e a atividade das macromoléculas biológicas, incluindo enzimas.
• O pH do plasma sanguíneo é mantido em torno de 7,4; caso de diabetes não tratado, o pH diminui até 6,8, elevando o risco de morte.

Tamponamento

• Os processos biológicos são dependentes do pH.
• A constância do pH é atingida por sistemas aquosos que tendem a resistir a mudanças no pH quando quantidades pequenas de ácido ou base são adicionadas, denominados tampões.
• Ácidos e bases fracas não se ionizam completamente.

Ácidos e Bases

• Ácidos e bases possuem constantes de dissociação que lhes são características.
• Ácidos são doadores de prótons, enquanto bases são aceptores.
• A tendência de um ácido em perder um próton é definida pela constante de dissociação ácida (Ka).