- Molécula polar, devido à elevada electronegatividade do átomo de oxigénio e à própria estrutura da molécula.

Transcrição

1 Água A água é a substância mais abundante dos organismos vivos, correspondendo a 70% ou mais da sua composição. Os primeiros organismos vivos surgiram certamente no meio aquoso, e o curso da evolução foi moldado pelas propriedades do meio aquoso em que a vida teve origem. As forças atractivas entre moléculas, e a sua ligeira tendência para sofrer ionização são essenciais para a estrutura e função das biomoléculas. A molécula de H 2 O e os seus produtos de ionização, H + e OH -, influenciam profundamente a estrutura, autoorganização e propriedades de todos os componentes celulares, incluindo proteínas, ácidos nucleícos e lípidos. As forças não-covalentes responsáveis pela intensidade e especificidade das interacções entre biomoléculas são condicionadas pela capacidade de formação de ligações de hidrogénio entre a água e os seus solutos.

2 1. A geometria da molécula de água Segundo o modelo de repulsão electrónica da camada de valência (VSEPR) a água apresenta uma geometria tetraédrica não perfeita, ou seja, uma estrutura angular: O = 1s 2 2s 2 2px 2 2py 1 2pz 1 H= 1s 1 H 2 O - 2 pares de electrões ligantes + 2 pares de electrões não ligantes. Como a repulsão entre pares não ligantes é maior do que a repulsão entre pares ligantes, iremos ter uma estrutura tetraédrica distorcida, com uma ângulo de 104.5º entre os átomos de H, em vez de 109.5º. - Constituída por 2 ligações covalentes entre os átomos de oxigénio e hidrogénio - Molécula polar, devido à elevada electronegatividade do átomo de oxigénio e à própria estrutura da molécula. -Forma pontes de hidrogénio entre o átomo de oxigénio de uma molécula e um átomo de hidrogénio de outra molécula.

3 As ligações de hidrogénio tornam a água um solvente invulgar A água apresenta propriedades físicas bastante diferentes da maioria dos líquidos, que podem ser explicadas pela existência de forças atractivas entre as suas moléculas. Estas forças resultam da diferente electronegatividade do oxigénio e hidrogénio, que provocam uma distribuição assimétrica de carga na molécula de água. ~23 kj/mol 1-20 ps

4 Estrutura do gelo Estrutura do gelo. Cada molécula de água estabelece ligações de hidrogénio com 4 moléculas circundantes. O colapso deste retículo tetraédrico explica a diminuição de volume associado à fusão do gelo.

5 A água forma ligações de hidrogénio com uma variedade de grupos químicos A formação de ligações de hidrogénio está dependente da existência de um átomo electronegativo que funciona como aceitador do hidrogénio, e de um átomo dador a que o hidrogénio se encontra covalentemente ligado. Muitos grupos químicos satisfazem estas condições C X X C geralmente não se observam

6 Solução aquosa de substâncias carregadas A água forma ligações de hidrogénio que competem com as interacções entre as partículas da substância carregada e possibilitam a sua dissolução. A dissolução de sais em água é acompanhada de um aumento de entropia ( S<0) e de uma variação de entalpia muito pequena ( H 0), pelo que sendo o processo favorável. G = H - T S < 0,

7 Blindagem das interacções electrostáticas A força de atracção effectiva entre 2 iões na água é dada por : F= q 1 q 2 / ε r 2 em que r é a distância entre os iões, q 1 e q 2 as suas cargas e ε a constante dieléctrica do meio, que para a água é 78.5.

8 A dissolução de substâncias apolares em água é um processo desfavorável Os compostos não-polares forçam as moléculas de água a assumir conformações energeticamente desfavoráveis na interface soluto-solvente. A rotura das ligações de hidrogénio da água não é compensada por formação de ligações soluto-água ( H>0), e a criação de estruturas de água ordenada na interface provoca uma diminuição de entropia ( S<0), pelo que temos G = H - T S > 0 Estrutura ordenada da água em torno de um solute não polar. As moléculas de água organizam-se de modo a maximizar o número de ligações de hidrogénio. Estrutura de um clatrato. Os clatratos são complexos cristalinos de água e um solvente não-polar. Os clatratos são considerados bons modelos para a estrutura da água líquida em torno de um solvent não-polar. (n-c 4 H 9 ) 3 S + F - 23 H 2 O

9 Moléculas anfipáticas Substâncias cujas moléculas contêm simultâneamente regiões hidrofílicas e hidrofóbicas são denominadas anfipáticas. Como consequência do efeito hidrofóbico, as moléculas anfipáticas tendem a export as superfícies polares à agua, e a tentar esconder as superfícies polares, o que produz a formação de estruturas ordenadas denominadas micelas. micela

10 Classificação dos compostos de acordo com a sua capacidade de interagir com a água: - Hidrofílicos: Compostos que se dissolvem facilmente em água (gostam de água), tais como sais e moléculas polares. - Hidrofóbicos: Compostos não polares tais como os lípidos e as ceras, são insolúveis em água. - Anfipáticos: Compostos que contêm simultaneamente regiões hidrofílicas e hidrofóbicas (Ex: Detergentes).

11 Formação de micelas em solução aquosa

12 Existe uma grande variedade de moléculas biológicas anfipáticas: proteínas, lípidos de membrane, pigmentos, vitaminas, etc possuem regiões polares e regiões apolares na sua superfície.

13 Importância bioquímica e estrutural do efeito hidrofóbico A organização estrutura das membranas biológicas é consequência do efeito hidrofóbico a que estão sujeitos os fosfolípidos anfipáticos da membrana. O efeito hidrofóbico é essencial para a estabilização da estrutura nativa das proteínas Em muitos processos de reconhecimento molecular (interacções proteína-ligando), o efeito hidrofóbico é uma componente essencial para a estabilização do complexo formado.

14 Forças de van der Waals Quando dois átomos neutros estão próximos, as flutuações de carga e o efeito de polarização são suficientes para criar uma força atractiva fraca entre eles. Apesar das interacções de van der Waals serem muito fracas (~ 3-4 kj/mol), um elevado número de contactos intra- e interatómicos pode tornar o seu papel extremamente significativo, como acontece nas biomacromoléculas.

15 Interacções interatómicas fracas são cruciais para a estrutura das biomoléculas Embora os quatro tipos de forças presentes na tabela anterior sejam individualmente muito mais fracos do que as ligações covalentes, o efeito somado de um elevado número destas interacções com uma proteína ou um ácido nucleico poderá ser bastante significativo.

16 Macromoléculas como as proteínas, o ADN e o ARN contêm tantos sítios para potenciais ligações por pontes de hidrogénio, iónicas, Van der Waals ou interacções hidrofóbicas, que o efeito cumulativo das muitas forças de ligação fracas é enorme. Para as macromoléculas, a estrutura mais estável (nativa) é normalmente aquela em que a possibilidade de estabelecimento ligações fracas é maximizada. O enrolamento de um polipéptido ou de uma cadeia polinucleotídica e a sua estrutura tridimensional são determinados por este princípio. Influência do soluto nas propriedades coligativas das soluções aquosas Os solutos alteram as propriedades coligativas dos solventes em que estão dissolvidos (Pressão de vapor, ponto de ebulição, ponto de fusão e pressão osmótica), dado a concentração do solvente em soluções ser mais baixa do que no solvente puro. Este efeito depende somente do número de partículas de soluto numa dada quantidade de solvente.

17 Osmose Movimento da água (solvente) através de uma membrana semipermiável, causado pela diferença de pressão osmótica (diferença de osmolaridade). Este factor é de extrema importância na vida da maior parte das células. Soluções isotónicas Soluções de igual osmolaridade. Solução hipertónica Solução que têm uma maior osmolaridade do que aquela com que é comparada. Solução hipotónica - Solução que têm uma menor osmolaridade do que aquela com que é comparada. Na célula

18 Lise osmótica na célula três mecanismos de prevenção: 1. Bactérias e plantas: A membrana plasmática está rodeada por uma parede celular não-expansível com rigidez e força suficientes para resistir à pressão osmótica. 2. Alguns protozoários de água doce: Vivem num meio altamente hipotónico, pelo que possuem um organelo que bombeia a água para fora da célula. 3. Animais multicelulares: O plasma sanguíneo e fluído extracelular dos tecidos são mantidos a uma osmolaridade próxima da do citosol. A elevada concentração de albumina e outras proteínas no plasma sanguíneo contribui para a sua osmolaridade. As células bombeiam também activamente iões como o Na + para o fluido extracelular dos tecidos de forma a balançar a osmolaridade.

19 As moléculas de H 2 O podem ter um papel estrutural Estrutura da hemoglobina Estrutura da hemoglobina com as moléculas de água ligadas Moléculas de água que se encontram fortemente ligadas na superfície ou no interior de uma macromolécula ocupam posições definidades e perdem as propriedades próprios da água líquida. Moléculas de água sequestradas no interior de uma proteína (citocromo f) podem servir como canal para conduzir protões de um local para outro.

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21 A ionização da água Embora muitas propriedades da água possam ser explicados em termos de uma molécula neutra (mas polar), existe uma pequena fracção de moléculas de água que se encontram ionizada: H 2 O H + + OH K eq = [H + ] [OH ] / [H 2 O] Como a concentração da água pura é constante e igual a mol/l, podemos escrever K eq = [H + ] [OH ] / M K eq = K w = [H + ] [OH ] em que K w é o produto iónico da água, que numa solução aquosa depende apenas da temperatura: K w = 1.0x10-14 M, T = 25 o C Quando [H + ] = [OH ] tem-se: K w = [H + ] [OH ] = [H + ] 2 [H + ] = [OH ] = 10-7 M Nesta situação diz-se que a solução está neutra.

22 A escala de ph ph = log [H + ] A escala de ph foi inventada por Sorensen em 1906, devido à necessidade de controlar rigorosamente a concentração hidrogeniónica nos ensaios bioquímicos.

23 Constantes de dissociação de ácidos fracos Muitos ácidos orgânicos não se dissociam completamente quando dissolvidos no meio aquoso. Considerando a ionização de um ácido fraco: HA ❷ H + + A a sua constante de dissociação, K A, é dada por: K A = [H + ] [A ] / [HA] a ácidos mais fortes correspondem valore de K A mais elevados, mas define-se a grandeza pk, pk A = log K A De tal forma que ácidos mais fortes terão pk a mais baixos.

24 Curvas de titulação de ácidos fracos A concentração de ácido numa determinada solução pode ser determinada adicionando uma base forte (NaOH, por exemplo) em quantidade suficiente para neutralizar completamente o ácido da solução. A variação do ph da solução em função da concentração de base é conhecida como curva de titulação. Curva de titulação do ácido acético

25 Os ácidos fracos podem funcionar como tampões

26 Regulação do ph no organismo Quase todos os processo biológicos são dependentes da concentração de H +, observando-se grandes variações de velocidade de reacção para pequeníssimas alterações do ph do meio. Mesmo quando o H + não está directamente envolvido na reacção, a variação da sua concentração pode ter um efeito profundo na estrutura e função das biomoléculas. Os enzimas que catalisam reacções biológicas contêm muitos grupos ionizáveis com pka s característicos, cujo carga varia com o ph. Os grupos fosfato dos nucleotídos funcionam como ácidos fracos, sendo a sua ionização sensível ao ph do meio. A constância do ph é assegurada pela existência de tampões biológicos, que são misturas de ácidos fracos e das suas bases conjugadas. Influência do ph na actividade enzimática

27 Constantes de dissociação de alguns tampões

28 A equação de Henderson-Hasselbalch A forma das curvas de titulação dos ácidos fracos é descrita pela equação de Henderson-Hasselbalch, que estabelece uma relação simples entre pk a, ph do meio e concentração dos membros do par ácidobase conjugado: dissociação do ácido: resolvendo em ordem a [H + ] Tomando o log negativo de ambos os membros: Substituindo com a definição de ph e pk a : Quando [HA]=[A-], temos:

29 Tampões biológicos No nosso organismo existem alguns tampões especialmente importantes. O tampão fosfato: H 2 PO4 H + + HPO 4 Este tampão tem a sua máxima eficiência a ph=6.86, sendo eficiente dentro do intervalo de ph da maioria dos fluídos biológicos e compartimentos citoplasmáticos (ph ) O ph do plasma sanguíneo é parcialmente controlado pelo tampão bicarbonato: H 2 CO3 H + + HCO 3 K 1 = [H + ] [HCO 3 ] / [H 2 CO 3 ] Para além deste equilíbrio é preciso considerar que o ácido carbónico se forma a partir de CO2 dissolvido na água, num processo reversível: CO 2 (d) + H 2 O H 2 CO 3 (s) K 2 = [H 2 CO 3 ] / [CO 2 (d)] [H 2 O] A concentração de CO 2 dissolvido resulta do equilíbrio com CO 2 na fase gasosa: [CO 2 (g)] = presssão parcial CO 2 (g) CO 2 (d) K 3 = [CO 2 (d)] / [CO 2 (g)] Assim, o ph do tampão bicarbonato depende, em última análise, das concentrações de bicarbonato na fase aquosa e pressão parcial de dióxido de carbono na fase gasosa.

30 Tampões biológicos A histidina, um dos aminoácidos das proteínas, tem um pk a ~6.0, logo pode funcionar como tampão a ph fisiológico Mecanismo do tampão bicarbonato

31 Ex: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O A água metabólica formada a partir de alimento sólido e combustíveis armazenados é o necessário para que alguns animais sobrevivam em habitats muito secos (canguru, ratos e camelos).