A molécula de água A ÁGUA 2

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1 A água A maior parte da superfície do planeta terra está coberto com água. A água é também a substância mais abundante dos sistemas vivos, perfazendo cerca de 70% ou mais do peso dos mesmos. A água influência profundamente a estrutura e as propriedades de todos os componentes celulares, incluindo as proteínas, ácidos núcleicos e lípidos, bem como as interacções não-covalentes responsáveis pela intensidade e especificidade de reconhecimento entre as biomoléculas A ÁGUA 1

2 A molécula de água A ÁGUA 2

3 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. A ÁGUA 3

4 2. As pontes de hidrogénio A água possui pontos de fusão, ebulição e calor de vaporização mais elevados do que a maioria dos solventes mais comuns, que é explicado pela atracção entre moléculas de água adjacentes (pontes de hidrogénio) que conferem à água liquida uma elevada coesão interna. A ÁGUA 4

5 Cada molécula de água pode formar no máximo 4 ligações por pontes de hidrogénio com outras moléculas. Questão: Porque razão a água no estado Líquido é mais densa do que o gelo? As pontes de hidrogénio não são exclusivas da molécula de água. Estas podem ocorrer sempre que exista numa molécula, um átomo electronegativo (O, N) ligado covalentemente a um átomo de hidrogénio. A ÁGUA 5

6 Devido à formação de pontes de H, podemos explicar o facto de biomoléculas como os açucares ou compostos como os álcoois, aldeidos, cetonas e outros contendo ligações N-H, tendem a ser solúveis em água. Intensidade das pontes de hidrogénio A ÁGUA 6

7 3. Interacções electrostáticas com outros solutos Além das pontes de hidrogénio e dado a molécula de água ser polar, existem outro tipo de interacções possíveis. Assim, verificase que a água facilmente dissolve grande parte das biomoléculas que são normalmente carregadas ou compostos polares. Temos assim duas classes de compostos: -Hidrofílicos: Compostos que se dissolvem facilmente em água (gostam de água). -Hidrofóbicos: São moléculas não polares tais como os lípidos e as ceras e são insolúveis em água. A ÁGUA 7

8 Moléculas polares interagem com moléculas polares e moléculas apolares interagem com moléculas apolares A ÁGUA 8

9 Conceito de solubilidade Este conceito é aplicado a todas as biomoléculas carregadas, compostos com grupos funcionais tais como ácidos carboxilicos ionizados (-COO - ), aminas protonadas (-NH3 + ), e estéres fosfatados ou anidrídos. O aumento em entropia ( S) é o factor responsável pela facilidade de dissolução de sais como em água como é o caso do NaCl. G = H T S G <0, reacção com tendência a dar-se A ÁGUA 9

10 Interacção da água com solutos apolares Neste caso, a entropia S decresce, pelo que vamos ter G = H T S, com H>0, S<0 e portanto G>0, ou seja o processo não tem tendência a acontecer. A ÁGUA 10

11 Interacção da água com solutos anfipáticos Muitas biomoléculas são anfipáticas; proteínas, pigmentos, algumas vitaminas, esteróis e os fosfolípidos das membranas. Estruturas compostas por estas moléculas são estabilizadas por interacções hidrofóbicas entre as suas regiões apolares. As interacções hidrofóbicas entre lípidos e entre lípidos e proteínas encontram-se entre as mais importantes estruturas em membranas biológicas. As interacções hidrofóbicas entre aminoácidos não polares também estabiliza o padrão de enrolamento tridimensional nas proteínas. 17 A ÁGUA 11

12 As interacções fracas são cruciais para a estrutura e função das Macromoléculas Embora os quatro tipos de forças presentes na tabela anterior sejam individualmente muito mais fracas do que as ligações covalentes, o efeito somatório de um elevado número destas interacções com uma proteína ou um ácido núcleico poderá ser bastante significativo. A ÁGUA 12

13 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 polinucleótida 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. A ÁGUA 13

14 Osmose Movimento da água (solvente) através de uma membrana semipermiável, causado pela diferença de pressão osmótica. 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 A ÁGUA 14

15 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. A ÁGUA 15

16 4. Ionização da água, ácidos fracos e bases fracas Para a reacção: A + B C + D, Teremos, K eq = [ C][ D] [ A][ B] K eq Constante de equilíbrio a uma dada temperatura No caso da água, iremos ter: H 2 O H + + OH - Com, K eq = + [ H ][ OH [ H ] 2 O ] Em água pura a 25ºC, a concentração da água é 55.5M. Assim, + [ H ][ OH K eq = 55. 5M ] A ÁGUA 16

17 Rearranjando a equação, (55.5M )( K ) = [ H ][ OH ] = + eq K W Em que K w designa o produto iónico da água a 25ºC. O valor de K eq, determinado por condutividade eléctrica, É de 1.8x10-16 a 25ºC. Substituindo este valor na equação, ficará: K w = [ H ][ OH ] = (55.5M )(1.8 x10 ) = 1.0x10 M Significa que o produto [H + ][OH - ] em soluções aquosas a 25ºC é sempre igual a 1.0x10-14 M 2, pelo que podemos sempre saber a concentração de um dos iões caso saibamos a do outro. No caso de uma solução com iguais concentrações dos dois iões (ph neutro): K W + = [ H ][ OH ] = [ H + ] 2 então [ H + ] = K W = 1x10 14 M 2 O que resulta [ H + ] = [ OH ] = 10 7 M A ÁGUA 17

18 A escala de ph A ÁGUA 18

19 O termo ph é definido pela expressão: ph 1 = log = log[ H + [ H ] + ] O ph afecta a estrutura e a actividade das macromoléculas biológicas, pelo que a sua determinação é um dos procedimentos mais importantes e frequentemente utilizados em bioquímica A ÁGUA 19

20 Constantes de dissociação de bases e ácidos fracos Ácidos fortes como o clorídrico, sulfúrico ou nítrico, bem como bases fortes tais como, hidróxido de sódio ou potássio estão completamente ionizados em soluções aquosas. No entanto, os ácidos e bases fracas, comuns em sistemas biológicos, com um papel importante no metabolismo e sua regulação, não se encontram completamente ionizados. Para um ácido fraco qualquer, temos a equação: HA H + + A - + [ H ][ A ] K = = [ HA] eq K a HA - ácido A - - Base conjugada K a - constante de acidez Podemos ainda definir pk a = 1 log K a = logk a > força do ácido > K a < pk a A ÁGUA 20

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22 Curvas de titulação de ácidos fracos A titulação é utilizada para determinar a quantidade de ácido presente numa dada solução. Curva de titulação do ácido acético A ÁGUA 22

23 Na titulação apresentada anteriormente, dois equilíbrios reversíveis estão envolvidos no processo: H 2 O H + + OH - (1) e HAc H + + Ac - (2) K K w a = [ H + ][ OH + [ H ][ Ac = [ HAc] ] = 1x10 14 ] = 1.74x10 M 5 2 M À medida que o NaOH é gradualmente introduzido, o OH - adicionado reage com o H + livre em solução para formar H 2 O, com uma extensão a relação de equilíbrio da equação 1. À medida que o H + livre é consumido, HAc vai-se dissociando de modo a satisfazer a sua própria constante de equilíbrio; equação 2. O ponto mais importante de uma curva de titulação de um ácido fraco é o facto de graficamente ser visível que um ácido fraco e o seu anião (a sua base conjugada), podem actuar como um tampão. A ÁGUA 23

24 Questão: Qual o ácido mais forte dos três? 5. Tamponamento em sistemas biológicos Tampões São sistemas aquosos que tendem a resistir a mudanças no ph quando pequenas quantidades de ácido (H + ) ou base (OH - ) são adicionadas. Um sistema tampão consiste num ácido fraco (doador do protão) e a sua base conjugada (aceitante de protão). A ÁGUA 24

25 5. Tamponamento em sistemas biológicos Soluções Tampão São sistemas aquosos que tendem a resistir a mudanças no ph quando pequenas quantidades de ácido (H + ) ou base (OH - ) são adicionadas. Um sistema tampão consiste num ácido fraco (doador do protão) e a sua base conjugada (aceitante de protão). O tamponamento resulta da ocorrência de dois equilíbrios reaccionais reversíveis, numa solução de concentrações do doador de protões e o seu aceitador conjugado, praticamente iguais. O sistema de tamponamento ácido acético-acetato A ÁGUA 25

26 Sempre que H + ou OH - é adicionado a um tampão, o resultado é uma pequena diferença na razão das concentrações relativas do ácido fraco e o seu anião e consequentemente no valor de ph. A diminuição da concentração de um componente do sistema é exactamente compensado por um aumento no outro. A soma dos componentes do tampão não muda, somente a razão. Tampões biológicos: Quase todos os processos biológicos são dependentes do ph. Valores de ph constantes são primariamente mantidos através de tampões biológicos; misturas de ácidos fracos e as suas bases conjugadas. As células e organismos mantêm um valor constante de ph citosólico, mantendo as biomoléculas no seu estado iónico óptimo, normalmente cerca de ph 7. A ÁGUA 26

27 A equação de Henderson-Hasselbalch Esta equação descreve a forma da curva de titulação de qualquer ácido fraco. Para a dissociação de um ácido fraco HA, temos: K a + [ H ][ A = [ HA] Resolvendo em função de concentração de H + : [ ] [ + ] = HA H Ka [ A ] + [ HA] log[ H ] = logka log [ A ] [ Ha] ph = pka log [ A ] ] ph = pk a [ A ] + log [ HA ] equação de Henderson-Hasselbalch De uma forma mais geral: ph = pk a + [ aceitadorh ] + log + [ doadorh ] A ÁGUA 27

28 Esta equação explica, por exemplo, o porquê do pka de um ácido fraco é igual ao ph da solução no meio-ponto da sua titulação: Neste ponto [HA]=[A - ], logo: ph = pk + log1.0 = pk + 0 = a a pk a Controle Biológico do ph O controle biológico do ph das células e fluidos corporais tem um papel primordial em todos os aspectos do metabolismo e actividades celulares. A primeira linha de defesa dos organismos contra as mudanças no ph interno é feito através dos sistemas de tamponamento, onde aparecem por exemplo as proteínas que possuem aminoácidos com grupos funcionais que são ácidos fracos ou bases fracas, ou então nucleótidos como o ATP, bem como alguns metabolitos de baixo peso molecular, que contêm grupos ionizáveis que conferem poder de tamponamento ao citosol. A ÁGUA 28

29 a. O sistema de tamponamento do fosfato Actua no citoplasma de todas as células e é um tampão que activo nos fluidos biológicos, por exemplo nos mamíferos os fluidos extracelulares e a maior parte dos compartimentos citoplásmicos têm um ph na ordem de H + 2 2PO4 H + HPO4 Ver gráfico pág.31 ( ph de tamponamento? ) b. O sistema de tamponamento do bicarbonato O plasma do sangue é tamponizado em parte pelo sistema do bicarbonato que consiste em: H CO K H [ H ][ HCO = [ H CO ] + HCO 3 3 ] 3 (1) A ÁGUA 29

30 CO ( d) + H O H CO K [ H2CO3 ] = [ CO ( d)][ H O] (2) CO K 3 2 ( g) [ CO = [ CO CO 2 2 ( d)] ( g)] 2 ( d) (3) O ph do sistema do bicarbonato depende da concentração de H 2 CO 3 e HCO 3-, o doador e aceitante do protão, respectivamente. A concentração de H 2 CO 3 depende por sua vez da concentração de CO 2 dissolvido, que por sua vez depende da concentração de CO 2 na fase gasosa, denominada pressão parcial de CO 2. Assim o ph do tampão bicarbonato exposto a uma fase gasosa é determinado pela concentração de HCO 3 - na fase aquosa e a pressão parcial de CO 2 na fase gasosa. A ÁGUA 30

31 A água como reagente A ÁGUA 31 37

32 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). A ÁGUA 32