26/03/2012. Componentes Químicos da Célula. Ligações Químicas. Ligações Químicas. Ligações Químicas. Componentes Químicos da Célula

Transcrição

1 Componentes Químicos da Célula Componentes Químicos da Célula Células - estruturas incrivelmente complexas e diversas, capazes não somente de auto-replicação, mas também de realizarem uma ampla variedade de tarefas especializadas em organismos multicelulares (ex: obtenção de energia, transporte de nutrientes através da membrana, digestão, etc). Profª. Fernanda C. Esteves de Oliveira (Cooper 2007; Alberts et al., 2010). Componentes Químicos da Célula As células são compostas de água, íons inorgânicos (ex: Na+, Ca+, Cl-) e moléculas contendo carbono (orgânicas). Nos tecidos vivos apenas os elétrons sofrem rearranjos. Eles formam o exterior de um átomo e determinam as regras químicas segundo as quais os átomos se combinam, formando as moléculas. (Cooper 2007; Alberts et al., 2010). Elétrons que estão mais próximos ao núcleo são atraídos mais fortemente pelo mesmo, e ocupam a região mais interna, ligados mais firmemente a camada eletrônica. Elétrons preenchem os orbitais ordenadamente na maioria dos casos: Primeira camada Segunda Camada Terceira Camada e assim por diante. 1

2 Camadas eletrônicas completamente preenchidas e incompletas nos elementos mais comuns. Os átomos que cuja camada mais externa esteja preenchida completamente por elétrons são particularmente estáveis, e portanto, quimicamente inertes. Ex: Hélio, néon e argônio. Já o hidrogênio que possui apenas 1 elétron e consequentemente ½ camada preenchida, é extremamente reativo. Gases Nobres. Grupo 18 ou (0 e 8A) nas tabelas periódicas antigas. Metais alcalinos. Elementos da família 1A. Troca de elétrons pode ocorrer por transferência ou compartilhamento dos mesmos. TIPOS DE LIGAÇÕES QUÍMICAS: Ligações não-covalentes Pontes de hidrogênio Forças de van der Waals Interação Hidrofóbica Ligação iônica Ligações covalentes Como regra, as ligações não covalentes são muito mais fracas do que as covalentes. Mas, elas têm sua importância para as células em muitas situações nas quais, para cumprirem suas funções, as moléculas devem associar-se e dissociar-se. Geralmente formada por átomos que compartilham os elétrons de sua camada mais externa. Ex: H 2 O. Simples: envolve o compartilhamento de dois elétrons, cada um doado por um dos átomos participantes. 2

3 Dupla: envolve o compartilhamento de mais de um par de elétrons. Quatro elétrons podem ser compartilhados, sendo dois proveniente de cada átomo participante. Polar : elétrons compartilhados de maneira desigual. A formação e a quebra de ligações covalentes são eventos violentos e, nas células vivas, são controladas cuidadosamente por catalizadores altamente específicos, chamados enzimas. Apolar: elétrons compartilhados de maneira mais eqüitativa. A água é a molécula mais abundante na célula, contribuindo com 70% ou mais de sua massa total. A maioria das reações intracelulares ocorre em ambiente aquoso. A vida na terra começou nos oceanos e, portanto, as condições daquele ambiente primitivo determinaram características indeléveis na química dos seres vivos. Consequentemente, as interações entre a água e os outros constituintes celulares são de importância central na química biológica. Equilíbrio químico da água A existência de um equilíbrio químico dinâmico significa que a reação química nem sempre caminha para um final; ao invés disto, alguns reagentes e produtos coexistem no sistema. Este equilíbrio dinâmico é um estado em que parece que nada está ocorrendo, porém é um estado no qual reações químicas estão ocorrendo e frequentemente em velocidades rápidas. 3

4 Como exemplo, água pura consiste de compostos moleculares e íons dissociados que coexistem no equilíbrio: H 2 O (l) H + (aq) + OH - (aq) Água como solvente Moléculas que possuem cargas positivas ou negativas (íons) e moléculas covalentes polares dissolvem-se facilmente na água. Hidrofílicas. Moléculas não polares, as quais não podem interagir com a água, são fracamente solúveis em meio aquoso. Hidrofóbicas Fosfolipídeos são constituintes das membranas celulares que possuem uma extremidade ("cabeça") polar e outra ("cauda") apolar. Como consequência, são moléculas anfipáticas, ou seja, parcialmente polares e parcialmente apolares. Esta característica possibilita a formação de bicamadas lipídicas que limitam o transporte de moléculas para dentro e fora da célula, separando o meio aquoso interno do externo. (Cooper, 2007). Densidade da água Pode variar de acordo com a temperatura. Temperatura ( C) 100 0, , , , , , , , , , , , , , , Densidade (g/cm³) (Lide, 1990) Densidade da água em gramas por centímetro cúbico em várias temperaturas em graus Celsius. Os valores abaixo de 0 C se referem a água superfundida. 4

5 Calor específico da água Calor específico: quantidade de calor necessária para alterar em 1 C a temperatura de 1 g de determinada substância. Atua no equilíbrio da temperatura dentro da célula, impedindo mudanças bruscas de temperatura, que poderiam afetar o metabolismo celular. Água possui elevado calor específico, ou seja, é necessário fornecer ou retirar uma grande quantidade de calor para alterar a sua temperatura. (Gomes & Clavico, 2005) (Gomes & Clavico, 2005) Para ajudar a proteger sua privacidade, o PowerPoint impediu o download automático desta imagem externa. Para baixar e exibir esta imagem, clique em Opções na Barra de Mensagens e clique em Habilitar conteúdo externo. Substância Calor Específico (cal/g. C) Água 1,0 Álcool 0,58 Alumínio 0,22 Ar 0,24 Carbono 0,12 Chumbo 0,031 Cobre 0,094 Ferro 0,11 Gelo 0,5 Hélio 1,25 Hidrogênio 3,4 Latão 0,092 Madeira 0,42 Mercúrio 0,033 Nitrogênio 0,25 Ouro 0,032 Oxigênio 0,22 Prata 0,056 Rochas 0,21 Vidro 0,16 Zinco 0,093 Calor de vaporização da água Calor de vaporização: quantidade de energia necessária para que um mol de um elemento ou de uma substância que se encontra em equilíbrio com o seu próprio vapor, a pressão de uma atmosfera, passe completamente para o estado gasoso. Água: possui alto calor de vaporização. É um mecanismo muito importante para o seres vivos evitarem que suas células superaqueçam. Transpiração Substância Calor de vaporização (cal/g) água 540 álcool 204 cobre 1288 chumbo 209 enxofre 78 ferro

6 Para ajudar a proteger sua privacidade, o PowerPoint impediu o download automático desta imagem externa. Para baixar e exibir esta imagem, clique em Opções na Barra de Mensagens e clique em Habilitar conteúdo externo. 26/03/2012 Tensão Superficial da água A tensão superficial é uma propriedade dos líquidos e ocorre devido às forças de atração que as moléculas internas do líquido exercem junto às da superfície. Moléculas situadas no interior de um líquido são atraídas em todas as direções pelas moléculas vizinhas e, por isso, a resultante das forças que atuam sobre cada molécula é praticamente nula. Moléculas da superfície do líquido, entretanto, sofrem apenas atração lateral e inferior. Esta força para o lado e para baixo cria a tensão na superfície, que faz a mesma comportar-se como uma película elástica. (Gomes & Clavico, 2005) (Gomes & Clavico, 2005) A tensão superficial é um fator fundamental para a sobrevivência de muitos organismos marinhos. Esta película superficial da água, resultante de sua tensão superficial é reconhecida como habitat de muitos organismos vivos. Para ajudar a proteger sua privacidade, o PowerPoint impediu o download automático desta imagem externa. Para baixar e exibir esta imagem, clique em Opções na Barra de Mensagens e clique Habilitar conteúdo externo. Líquido Temperatura em C Tensão superficial em dyn/cm Ácido acético 20 27,6 Ácido acético (40,1%) + água 30 40,68 Ácido acético (10%) + água 30 54,56 Acetona 20 23,7 Éter etílico Etanol 20 22,27 Etanol (40%) + água 25 29,63 Etanol (11,1%) + água 25 46,03 Glicerina Hexano 20 18,4 Ácido clorídrico em solução aquosa 20 65,95 Isopropanol 20 21,7 Mercúrio Álcool metílico 20 22,6 Octano 20 21,8 Solução aquosa de cloreto de sódio 20 82,55 Sacarose + água 20 76,45 Água 0 75,64 Água 25 71,97 Água 50 67,91 Água ,85 6

7 Propriedades macroscópicas e microscópicas da água Propriedades visíveis a olho nu. Coloração - à temperatura ambiente é um líquido fracamente azul, praticamente incolor, insípido e inodoro. Viscosidade - propriedade física que caracteriza a resistência de um fluido ao escoamento, a uma dada temperatura. Para ajudar a proteger sua privacidade, o PowerPoint impediu o download automático desta imagem externa. Para baixar e exibir esta imagem, clique em Opções na Barra de Mensagens e clique em Habilitar conteúdo externo. viscosidade (Pas) álcool etílico 0, acetona 0, metanol 0, álcool propílico 2, benzeno 0, água 1, nitrobenzeno 2, mercúrio 17, ácido sulfúrico óleo de oliva glicerol 1,485 polímero derretido 10 3 piche 10 7 vidro Sangue Líquidos (à 20 C) Condutividade elétrica - Água pura apresenta baixa condutividade elétrica, mas essa propriedade aumenta significativamente com a adição de uma pequena quantidade de um eletrólito, ex: cloreto de hidrogênio. Assim, o risco de choque elétrico é muito maior em água com impurezas não encontradas na água pura. Volume e Forma Estados Físicos Sólido Líquido Gasoso Características macroscópicas Características microscópicas Volume Constante Forma constante Volume constante Forma variável Volume variável Forma variável Propriedades microscópicas da água Molécula polar, na qual os átomos de hidrogênio têm carga levemente positiva e o oxigênio, uma carga levemente negativa. Ordem molecular Desordem Agitação com grande espaçamento Microestrutura da água Tetraedro 7

8 Cada molécula de água pode formar ligações de hidrogênio, por meio de seus 2 átomos de H, com duas outras moléculas de água, formando assim, uma rede na qual as ligações de hidrogênio são rompidas e formadas continuamente. Devido a essas interligações, a água à temperatura ambiente, é um líquido com alto ponto de ebulição e alta tensão superficial, e não um gás. Conceito de ácido-base Primeira definição - químico sueco Svante Arrhenius (1884). Formulada com base na sua teoria de ionização das substâncias em soluções aquosas. Substâncias que se dissociavam totalmente ou em parte como íons em solução aquosa eram considerados eletrólitos. Aquelas que se dissociavam totalmente eram eletrólitos fortes, as que não se dissociavam totalmente eram eletrólitos fracos. Substâncias ácidas são aquelas que em solução aquosa dissociam-se em íons hidrogênio Substâncias básicas são aquelas que em solução aquosa dissociam-se em íons hidroxila No entanto, em certos casos, a teoria de Arrhenius não se aplicava bem onde a solução não era aquosa e até mesmo nestas condições onde certas substâncias com caráter ácido ou básico não forneciam íons H+ ou OH-, respectivamente. Ex: amônia (NH3) não contém íons hidroxila, porém em solução aquosa ela pode produzir íons hidroxilas reagindo com a água. Conceito de Arrhenius para ácidos e bases não tem sido mais considerado, nem mesmo em soluções aquosas. 8

9 Conceito mais aceito (Conceito de Brønsted-Lowry ): Esta definição tem uma importante implicação: Ácido é definido como um doador de próton e base como um receptor de próton Uma substância não pode atuar como ácido sem a presença de uma base para aceitar o próton, e vice-versa. Uma reação de um ácido com uma base é, portanto, uma reação de troca de prótons; se um ácido é simbolizado por HA e a base por B, então podemos escrever uma equação generalizada ácido-base: HA + B A - + BH + Conceito de Lewis (1916) aceito em Base é definida como um doador de par de elétrons e ácido como um receptor de par de elétrons Considere a seguinte reação geral: A + :B A:B Exemplo mais simples de um ácido de Lewis é um próton, H +, o qual aceita um par de elétrons quando ele se liga à molécula de amônia para formar um íon amônio: H H + A = Ácido de Lewis :B = Base de Lewis A:B = Complexo ácido-base H + + :N H H N H H H Ácido Base 9

10 Equilíbrio ácido-base Vantagem da definição de Lewis sobre a de Brönsted é que podemos identificar substâncias como ácidos ou bases mesmo quando não há transferência de prótons. Nos líquidos do organismo, os solutos em solução existem na forma ionizada e não ionizada, em um tipo especial de equilíbrio químico. Conceito de ph Potencial hidrogeniônico, ou seja, é a medida da concentração de íons hidrogênio (H + ) na água e nas soluções. Água - substância padrão usada como referência, para expressar o grau de acidez ou de alcalinidade das demais substâncias. ph normal da água corresponde a 7. Soluções com ph inferior a 7 são consideradas ácidas e as soluções com ph superior a 7 são consideradas alcalinas. Água pura Escala de ph Consiste em uma escala algorítmica para exprimir a acidez ou alcalinidade de uma solução. 10

11 TAMPÕES E AÇÃO TAMPONANTE Definição qualitativa de solução tampão: habilidade de resistir a mudanças de ph quando a ela são adicionados H + ou OH -. Definição quantitativa: quantidade de matéria de um ácido forte ou uma base forte necessária para que 1,00L de solução tampão apresente uma mudança de uma unidade no ph. (Fiorucci et al., 2001) Soluções tampão são constituídas geralmente de uma mistura de um ácido fraco e sua base conjugada (exemplo: ácido acético e acetato de sódio), ou da mistura de uma base fraca e seu ácido conjugado (exemplo: amônia e cloreto de amônio). TAMPÕES FISIOLÓGICOS Saliva função de neutralizar os ácidos presentes na boca, evitando o desenvolvimento de bactérias que formam a placa bacteriana. (Fiorucci et al., 2001) Sangue Controlado pela respiração, transpiração e excreção renal. Sistema iônico ácido carbônico/bicarbonato (principal). ph do sangue acima da faixa normal (neutro), a condição é chamada alcalose. ph do sangue abaixo da faixa normal (neutro), a condição é chamada acidose. 11