A IMPORTÂNCIA DA ÁGUA

Transcrição

1 A ÁGUA

2 A IMPORTÂNCIA DA ÁGUA A água é a substância mais abundante nos sistemas vivos, prefazendo 70% ou mais do peso da maioria dos organismos. Os primeiros organismos vivos iniciaram a sua vida num ambiente aquoso, e o curso da evolução tem sido modelado pelas propriedades do meio aquoso onde a vida começou.

3 INTERAÇÕES FRACAS EM SISTEMAS AQUOSOS As ligações de hidrogénio entre as moléculas de água são forças coesivas que tornam a água líquida à temperatura ambiente. As biomoléculas polares dissolvem-se em água porque estas trocam as interações água-água com interações água-soluto energeticamente favoráveis. As biomoléculas apolares interferem nas interações água-água mas não conseguem formar interações água-soluto, as moléculas apolares são pouco solúveis na água. Nas soluções aquosas, as moléculas apolares tendem a formar clusters entre elas. As ligações de hidrogénio são interações fracas individuais, quando existem um grande número deste tipo de ligações, estas, têm uma grande influência nas estruturas tridimensionais das proteínas, ácidos nucleicos, polissacarídeos e lípidos membranares.

4 PROPRIEDADES FÍSICAS DE SOLVENTES

5 ESTRUTURA DA ÁGUA A polaridade das moléculas de água é devida aos ângulos que os átomos de hidrogénio formam quando se ligam ao átomo de oxigénio (104,5º), tornando o átomo de oxigénio eletronegativo. A distribuição espacial dos eletrões resultante da ligação covalente entre os átomos de hidrogénio e o átomo de oxigénio determina que a molécula da água seja um dipolo elétrico.

6 ESTRUTURA DA ÁGUA NO GELO No gelo, cada molécula de água forma no máximo quatro ligações de hidrogénio, criando uma estrutura regular de cristal. À temperatura ambiente e à pressão atmosférica normal, cada molécula de água forma em média 3,4 ligações de hidrogénio. A estrutura de cristal no gelo é menos densa do que a água fazendo com que este flutue na água líquida.

7 ÁGUA FORMA LIGAÇÕES DE HIDROGÉNIO COM SOLUTOS POLARES As ligações de hidrogénio também se dão entre átomos eletronegativos (Azoto, oxigénio com pares de eletrões livres)

8 ÁGUA INTERAGE ELETROSTATICAMENTE COM SOLUTOS IONIZADOS A água é um solvente polar. Dissolve a maioria das biomoléculas, que estão ionizadas ou que são compostos polares. Os compostos que se dissolvem facilmente na água são hidrofílicos (gostam de água). Os solventes não polares (clorofórmio e benzeno) são maus solventes para as biomoléculas polares mas dissolvem facilmente aquelas que são hidrofóbicas (medo da água), como por exemplo os lípidos. A água dissolve o NaCl por hidratação formando os iões Na + e Cl - enfraquecendo as interações eletrostáticas entre os iões. O mesmo acontece às biomoléculas ionizadas, compostos com grupos funcionais tais como ácidos carboxílicos (-COO - ), aminas portonadas (-NH3 + ), e estéres fosfatados.

9 ÁGUA COMO SOLVENTE

10 Os ácidos gordos de longa cadeia possuem cadeias muito hidrofóbicas onde são circundados por uma camada muito bem ordenada de moléculas de água.

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12 BIOMOLÉCULAS POLARES E APOLARES

13 GASES APOLARES SÃO INSOLÚVEIS NA ÁGUA As moléculas de gases biologicamente importantes CO 2, O 2, e N 2 são apolares. O transporte de O 2 é realizado por proteínas solúveis em água: Hemoglobina - proteína que transporta o O 2 para os tecidos e remove o CO 2 e protões para os pulmões. Mioglobina - proteína monomérica dos músculos, armazena oxigénio como reserva contra a falta do mesmo.

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16 AÇÃO DA ÁGUA NA CATÁLISE ENZIMÁTICA Quando separados, o enzima e o substrato forçam as moléculas de água a fazerem uma espécie de cobertura à volta dos dois. Quando os dois se aproximam, a água afasta-se para se ligarem, resultando num aumento de entropia fazendo com que o substrato se agarre para a formação do complexo enzima-substrato.

17 IONIZAÇÃO DA ÁGUA, ÁCIDOS E BASES FRACOS Tal como todas as reações reversíveis, a ionização da água pode ser descrita por uma constante e equilíbrio (Kw). Quando ácidos fracos são dissolvidos na água, estes contribuem na reação libertando um grupo H +. As bases fracas consumem H + tornando-se bases protonadas. Estes processos também possuem constantes de equilíbrio (Ka e Kb). A concentração total de H + numa solução dá o ph da solução.

18 Ionização da água

19 CONSTANTE DE EQUILÍBRIO DA ÁGUA E ph

20 Equação de Anderson-Hasselbalch HA + H 2 O A - + H 3 O + A equação Henderson-Hasselbalch permite: 1) O cálculo do pka, quando dado o ph e a razão molar do aceitador e do doador de protões. 2) Calcular o ph e a fração molar quando todos os outros dados são indicados.

21 TITULAÇÃO DO ÁCIDO ACÉTICO COM NaOH

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23 ÁGUA COMO REAGENTE A formação do ATP a partir do ADP e do fosfato inorgânico (P) é uma reação de condensação (os elementos da água são eliminados). Na reação inversa existe uma adição dos elementos da água Reação de Hidrólise. As reações de hidrólise são responsáveis pela despolimerização enzimática de proteínas, carbohidratos e ácidos nucleicos (exergónicas). A formação de polímeros celulares por reações de condensação deverão ser endergónicas por isso não ocorrem.

24 INALTERAÇÕES DE ph NOS SISTEMAS BIOLÓGICOS Quase todos os processos biológicos são dependentes do ph, uma pequena alteração do ph produz uma grande mudança no procedimento dum processo. Isto é verdade para reações onde há troca de iões H + como participante direto, mas também para outro tipo de reações. Os enzimas que catalisam as reações celulares e muitas das moléculas onde os enzimas atuam, contêm grupos ionizáveis com valores de pka caraterísticos.

25 Cont. Os grupos amino e carboxílicos protonados dos aminoácidos e os grupos fosfato dos nucleótidos, funcionam como ácidos fracos; o seu estado iónico depende do ph do meio circundante. As células e organismos mantêm um valor específico e constante de ph no citosol, mantendo as biomoléculas no seu estado iónico otímo, perto de ph = 7. Nos organismos multicelulares, o ph dos fluidos extracelulares também é extremamente controlado. Este estado constante é alcançado com misturas de ácidos fracos e suas bases conjugadas.

26 O plasma do sangue humano normalmente tem o ph perto de 7,4. Se os mecanismos de regulação do ph falharem, como acontece nos diabetes não controlados, havendo um produção excessiva de ácidos metalólicos causando acidose, o ph do sangue poderá cair para o valor de 6,8 ou menos, poderá levar à destruição irreparável das células causando a morte. Noutras doenças o ph poderá aumentar o seu valor para níveis letais. Os enzimas normalmente apresentam uma atividade catalítica máxima a um ph caraterístico, chamado ph óptimo. Uma pequena mudança no ph óptimo pode causar uma grande diferença na velocidade de importantes reações catalisadas por enzimas. O controlo biológico do ph nas células e nos fluidos corporais é de central importância em todos os aspetos do metalolismo e atividades celulares.

27 FLUIDOS CORPORAIS

28 FLUIDOS CORPORAIS Há em média cerca de 42 litros de fluidos (adulto) Intracelular Fluido existente dentro das células Extracelular Intersticial Plasma Fluido localizado no exterior das células Fluido que rodeia os tecidos individuais Parte líquida do sangue Intracelular Citoplasma Meio para as reações de manutenção da vida Extracelular Plasma Linfa Fluido cerebrospinal Urina Transporte de nutrientes, de produtos de excreção e de informação Sucos digestivos Degradação dos alimentos

29 TRANSPORTE DE O 2 E CO 2 98% do oxigénio é transportado pela hemoglobina dos glóbulos vermelhos. Oxi-hemoglobina Forma oxigenada. Desoxi-hemoglobina Forma desoxigenada. Uma pessoa tem em média 15 g de hemoglobina por 100 ml de sangue.

30 HEMOGLOBINA E O TRANSPORTE DE O 2 e CO 2 Nos pulmões há abundância de O 2 o oxigénio passa para a hemoglobina Hb 4 O Hb( O ) Quando o sangue chega às células, ocorre a reação inversa (cedência do oxigénio às células) A hemoglobina desempenha um papel pequeno no transporte de CO 2 para os pulmões 25% é transportado como um complexo de hemoglobina - Carbaminohemoglobina HB CO HBCO 2 2 5% é transportado dissolvido no plasma. Os outros 70% são conduzidos aos pulmões sob a forma de bicarbonato (HCO 3- )

31 TRANSPORTE QUÍMICO PARAS AS CÉLULAS As substâncias químicas transportadas pelo corpo movem via corrente sanguínea. Dissolvidos na água plasma (iões, aminoácidos, açúcares) Ligados aos componentes celulares (oxigénio, dióxido de carbono) Deslocando-se em suspensão lípidos. Quando transportados pelo sangue, as substâncias devem: Passar através da parede dos capilares; Entrar no fluido intersticial; Passar através da membrana celular.

32 Cont. Os produtos de excreção deslocam-se na direção oposta. A parede capilar atua como uma membrana semipermeável, controlando o fluxo de materiais. Os níveis de proteína são mais elevados no sangue. A pressão diminui à medida que o sangue passa através do capilar. Na extremidade venosa do capilar há um fluxo de lixo (substâncias de excreção) para o capilar.

33 URINA A urina serve para remover o excesso de água, azoto e iões. É constituída por 96% de água, 4% de lixo orgânico e inorgânico. Componentes g (excretada 24h) Aminoácidos 0,80 Ureia 25,0 Creatina 1,5 Na + 3,0 K + 1,7 NH + 4 0,8 Ca 2+ 0,2 Componentes g (excretada 24h) Mg 2+ 0,15 Cl - 6,3 SO H 2 PO 2-4 1,2 HCO Outros 2-3 ph 4,5-8,0

34 A urina é um bom meio (não invasivo) para testar algumas condições do organismo. Constituinte Condição Causa Glucose (alta) Glucosúria Diabetes mellitus, diabetes renal, glicosúria Proteína Pigmentos biliares Proteinúria ou albuminúria Icterícia Danos dos rins, infeção na bexiga, nefrite Bloqueio do ducto biliar, hepatite, cirrose Corpos cetónicos Cetonúria Diabetes mellitus, dietas com alto teor de gordura, fome

35 FLUIDO E EQUILÍBRIO ELETROLÍTICO O equilíbrio fluido e eletrolítico São ambos interdependentes Devem ser controlados para uma saúde perfeita Os seus níveis são geralmente medidos Entram no corpo com a comida e bebida Saem do corpo principalmente pela urina, pulmões, pele e intestinos Os rins desempenham um papel fundamental na manutenção dos níveis apropriados de fluido e eletrólito. Entrada (ml) Saída (ml) Fluidos ingeridos 1500 Rins (Urina) 1400 Água em alimentos 700 Pulmões (ar) 350 Água formada pelo catabolismo 200 Difusão (pele) 350 Transpiração 100 Intestinos (fezes) 200 Os níveis de entrada e saída devem ser os mesmos

36 VASOPRESSINA Manutenção do nível de fluido constante Hormona anti-diurética utilizada pelo corpo para controlar a função renal. Afeta a permeabilidade dos túbulos renais à água. À medida que os níveis sobem, mais água é reabsorvida para a corrente sanguínea. Se os níveis de água caem tornando-se perigosamente baixos devido a: Transpiração excessiva; Falta ou deficiência de água (bebida). As glândulas supra-renais segregam algoesterona. Hormona que provoca a reabsorção do sódio dos túbulos renais para o sangue. Evita a perda excessiva de eletrólitos e ajuda a reter fluidos.

37 CONTROLO RESPIRATÓRIO e URINÁRIO DO ph DO SANGUE O ph do sangue pode ser mantido controlando o nível de CO 2 expirado. CO H O H CO HCO H Hiper-ventilação Aumenta o rácio e a profundidade da respiração. Reduz o CO 2 no sangue, aumentando o ph. Hipo-ventilação Reduz o rácio e a profundidade da respiração. Aumenta o CO 2 no sangue, diminuindo o ph. Os rins podem excretar várias quantidades de ácidos e de bases para a urina. Condições ácidas O excesso de iões de hidrogénio pode ser excretado. Resultando uma maior produção de bicarbonato aumentando o ph do sangue. Condições básicas O bicarbonato pode ser eliminado, baixando o ph do sangue.

38 ACIDOSE E ALCALOSE Quando os padrões respiratórios são inadequados pode ocorrer: Alcalose respiratória Provocada por hiper-ventilação. Tratamento inspirar ar ou administrar CO 2 Acidose respiratória Provocada por respiração inadequada. Tratamento administrar HCO 3 - Várias condições metabólicas podem criar níveis de ph inadequados no sangue. Acidose metabólica causada por descontrole a diabetes, diarreia, overdose de aspirina e depois de exercício violento. Alcalose metabólica causada por vómitos prolongados, uso excessivo de bicarbonato para tratar problemas estomacais.