MEDICINA VETERINÁRIA DISCIPLINA: BIOFÍSICA 3 período Prof.a: Msd. Érica Muniz ESTRUTURAS MOLECULARES ÁGUA E SUA IMPORTANCIA BIOLÓGICA DIFUSÃO,OSMOSE E TÔNUS PH, EFEITO TAMPÃO
ÁTOMOS E MOLÉCULAS Átomo: menor estrutura neutra da matéria, capaz de tomar parte em reações químicas. Moléculas: é a união dos átomos. Essa união se faz pela atração dos elétrons de um átomo pelo núcleo do outro átomo. O conjunto tem propriedades diferentes dos átomos componentes. Íons: (viajante) mobilidade no campo elétrico. É um átomo que ganhou ou perdeu elétrons. + : cátion migram para pólo - (catódico) - : ânion migram para o pólo + (ânodo) Microíons: restos de átomos Macroíons: proteínas
LIGAÇÕES INTERATÔMICAS E INTERMOLECULARES Iônica: um átomo cede e outro recebe. Cada elétron trocado corresponde a uma valência. Cede + Recebe Tem energia forte na ordem de 100Kcal.mol -1. São falsas moléculas porque são facilmente desfeitas em soluções pela interação com outros íons. Covalente: compartilhamento, cada átomo recebe o mesmo número de elétrons. Átomos ( ligação covalente) Moléculas A energia é alta da ordem de 60 a 120 Kcal. mol -1.
Mista: tem caráter intermediário entre as iônicas e as covalentes. No intercambio de elétrons um dos átomos é mais eletrofílico e cede menos o seu elétron, atrai mais o outro elétrons. Assim um átomo fica mais eletronegativo e o outro mais eletropositivo. Nesse caso a molécula é polarizada e se orienta no campo elétrico.
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS Pontes de Hidrogênio: quando um hidrogênio é ligado de forma covalente a um átomo que atrai fortemente os elétrons, o próton fica mais exposto e, pode ser atraído por outro átomo, também eletronegativo Há uma formação de uma ponte entre os átomos. É uma ligação relativamente estável porém fraca. Pode ocorrer entre átomos de moléculas diferentes (intermolecular) ou entre átomos da mesma molécula (intramolecular).
Ligações Hidrofóbicas: ligações de forças externas com grupos ligados. Quando as moléculas de um solvente se atraem mutuamente com mais força do que outra molécula que está nesse meio, estas moléculas se juntam por exclusão. A energia das ligações hidrofóbicas depende da repulsão do solvente aos grupos participantes. Força de 15 a 25 Kcal.mol -1 são típicas. As ligações se enfraquecem e chegam a anular, quando o solvente em vez de repelir dissolve os grupos hidrofóbicos.
Ligações de Van der Waals: resultam da atração de elétrons de uma molécula pelos núcleos da outra. A distâncias entre os grupos é grande, nisto as forças dessas ligações são pequenas. Tem papel importante como: Sustentar as interações dos monômeros para formar polímeros; Participam da formação antígeno anticorpo; Ligação enzima-substrato.
Dipolos Permanentes e Induzidos: moléculas que tem pólos positivos e negativos e tem uma distribuição assimétrica de cargas elétricas de uma molécula. Os dipolos que as cargas estão na sua estrutura são permanentes. Os dipolos que aparecem quando moléculas carregadas se aproximam de outras induzindo a distribuição assimétrica das cargas dessa molécula, são os dipolos induzidos ou transientes.
FORÇAS COULÔMBIANAS DE ATRAÇÃO E REPULSÃO São as mais fortes pois derivam do campo elétrico intenso. Um grupamento COO - pode atrair um grupo NH 3+ (vice-versa) e assim manter ligados um segmento de uma proteína ou mesmo de duas moléculas diferentes. São ligações importantes para manutenção das proteínas, para formação do centro ativo de enzimas e abertura e fechamento de membranas.
FORÇAS DE LONDON- HEITLEIR Movimentação de elétrons dentro de moléculas. As cargas variam de posição e, o encontro com outras moléculas existem duas oportunidades de repulsão para uma de atração. As moléculas se afastam uma das outras. São fracas existente em várias moléculas biológicas.
ENERGIA x FORÇA DE LIGAÇÃO MOLECULAR Força de uma ligação: é a força que se deve fazer para quebrar uma ligação. Energia de uma ligação: é a energia necessária para fornecida do sistema para quebrar a ligação. Foi a energia que o sistema perdeu quando se juntou. O calor aplicado ao sistema é uma exemplo comum de quebra das ligações ( biomoléculas) O campo elétrico também é um agente típico. Ligação química não é deposito de energia.
ÁGUA E SUA IMPORTÂNCIA BIOLÓGICA Os mamíferos tem cerca de 75% de água em sua composição. A molécula de água: É um híbrido sp 3 de caráter misto. As valências H-O formam entre si um ângulo de 105. É uma molécula assimétrica muito pequena de caráter polar. A água forma duas pontes de H A energia é de 5Kcal.mol -1, mas como existem duas pontes o total é de 10 Kcal.mol -1.
Propriedades Macroscópicas Densidade: água = 1g/cm 3 e o gelo = 0,92 g/cm 3. Calor específico: é a quantidade de energia térmica necessária para elevar a massa de 1g e 1 C. Na água o calor específico é alto é alto. Age como moderador térmico no organismo protegendo contra mudanças bruscas de temperatura. Calor de Vaporização: é alto. Para passar a vapor um líquido a 37 C a água exige uma energia de 10,3 Kcal.mol -1. Vantagens: Para desidratar gasta muito mais energia. A água controla a temperatura corporal. A evaporação em pequenas quantidades serve para dissipar o excesso de calor temporal.
PROPRIEDADES MICROSCÓPICAS DA ÁGUA A água é um excelente solvente. Substâncias Iônicas: a água tem alta constante dielétrica, є = 80. Significa que a força de atração de ânion por um cátion é diminuta em 80 vezes em água. Em água os cátions são mais hidratados que os ânions. Íons menores com seu campo elétrico mais forte atraem mais moléculas de água que os maiores, e se tornam mais volumosos. As macromoléculas, pelo fato de serem poliíons atraem as moléculas de água. Toda proteína fixa cerca quantidade de água (água de hidratação). A albumina humana fixa 18 moléculas de água em cada molécula de albumina.
Substâncias Covalentes: dissolvem na água através da formação de pontes de H. Quando as pontes H não perturbam a estrutura da água, a substancia é solúvel. Se a estrutura é perturbada a substância é insolúvel.
Sustâncias Anfipáticas: as moléculas dessas substâncias em meio aquoso se orientam com parte covalente para dentro e a parte polar para fora.
Formação de clatratos: Moléculas de água através das pontes H pode formar estruturas com cavidades interna que pode aprisionar (gaiola) pequenas moléculas, íons. Paredes e túneis: o que isola outras moléculas da água. Esse sistema pode permanecer estável ou durante muito tempo apresentar em forma de soluções para veiculação de medicamentos. Mobilidade do íon H 3 O: tem alta mobilidade devidos as pontes de hidrogênio.
Soluções e Suspensões Solução= sistema monofásico com mais de um componente. Uma mistura homogênea de várias espécies químicas. É divida em solvente(água) e soluto. As suspensões são misturas bifásicas de sólidos imersos em meio líquido. Podem se juntar em flocos (Flocular) ou precipitarem em agregados densos (agregação). Podem ser: Dispersão: sólido em líquido; Emulsão: líquido em líquido; Aerossol: sólido ou líquido em gás; Espuma: gás em líquido.
DIFUSÃO, OSMOSE E TÔNUS A difusão de uma mistura qualquer segue com a 2ª lei da Termodinâmica. Depende: número(concentração = quanto maior o gradiente de concentração, mais rápida é a difusão), tamanho : partículas menores se difundem mais rapidamente forma das partículas: cilindros se difundem mais rápido que as esferas. Temperatura: o aumento da temperatura há um aumento da energia cinética das moléculas. Tempo: a distância atingida pelas moléculas é proporcional ao inverso do quadrado do tempo.
Osmose: despreza a forma e o volume das partículas. Só interessa o número. Está ligada a pressão que as partículas exercem. A pressão de solventes é máxima em solventes puros. A pressão de solventes diminui na presença de soluto. Maior concentração do soluto menor a pressão do solvente.
Pressão Atmosférica
Em Fortaleza, ao nível do mar, a pressão é 1 atmosfera, isto é, 1 kgf/cm 2 ou 76 cmhg. Em São Paulo, a 820 metros de altitude, ela cai um pouco. Em La Paz, capital da Bolívia, a 3600 metros de altitude, ela já cai para 2/3 de uma atmosfera. Aí o ar fica rarefeito, a quantidade de oxigênio é menor que aqui por baixo. No Everest, ponto mais alto do planeta, a mais de 8000 metros, a pressão é menor que 1/3 de uma atmosfera. Nessa altitude, só com máscara de oxigênio. Os animais que vivem nas altas montanhas têm coração e pulmão maiores que o normal dos outros bichos. A vicunha, por exemplo, que vive nos Andes, tem 3 vezes mais glóbulos vermelhos por milímetro cúbico de sangue que um homem da planície.
Pressão Oncótica: as proteínas incham em presença de água Pressão Coloidosmótica: as proteínas formam soluções colóides. As proteínas tem o papel de abaixar a pressão do solvente do lado em que está. Medida da Pressão Osmótica Equilíbrio da P osm = P hid
Exemplo Qual a pressão exercida pelo plasma sanguíneo, cuja a concentração é aproximadamente 0,30 osm? Temperatura de 37 C.
Tônus: células biológicas quando colocadas em diferentes soluções podem permanecer do mesmo tamanho, inchar até arrebentar ( plasmólise).
Difusão e Osmose em Biologia A difusão tem um papel importante na geração de potencial na membrana, realizando o transporte passivo de sódio para o interior da célula, e potássio para o exterior. A distância da difusão é inversamente proporcional ao quadrado do tempo. A difusão de medicamentos como anestésicos injetados localmente em pequena área, se difundem atingindo nervos circunvizinhos e possibilita a anestesia em regiões consideráveis. A circulação sanguínea acelera a remoção do anestésico porque aumenta o gradiente da difusão. Por isso usa-se vasoconstritores.
Transporte Ativo Processo que para acontecer necessita de gasto de energia. Exemplo: hemácia, pois encontramos nela íons de Na + e K + O conteúdo de Na + no interior da hemácia é menor que no plasma. O conteúdo de K + no interior na hemácia é maior que no plasma
Apesar dos íons terem o mesmo tamanho a membrana plasmática comporta de maneira diferente em cada um deles. Podemos falar então de permeabilidade seletiva. Exemplo de situações de transporte ativo são as células da tireoide que retiram iodo do sangue por transporte ativo.
PRODUTO IÔNICO DA ÁGUA (KW) A água pura apresenta uma condutividade elétrica definida, ainda que muito baixa como consequência da sua habilidade de sofrer uma autodissociação, que pode ser escrita como: H 2 O (l) + H 2 O (l) H 3 O + (aq) + OH - (aq) A condição do equilíbrio é dada por [H 3 O + ][OH - ] / [H 2 O] 2. No entanto, como a concentração de moléculas de água é essencialmente constante, podemos simplificar a expressão, escrevendo apenas [H + ][OH - ], que é conhecida como Kw (constante de dissociação da água ou produto iônico da água). O valor dessa expressão é constante, e pode ser calculado experimentalmente. À temperatura de 25 C, independentemente de a água ser destilada ou suja e lamacenta, o produto das concentrações de do íon H + e do íon OH - é sempre constante e vale 1,0 x 10-14. Kw = [H + ][OH - ] = 1,0 x 10-14
PH e POH Usualmente, para se medir a força ácido-básica de uma solução, utiliza-se uma escala de ph, que varia de 0 a 14. O ph é definido como o logaritmo negativo da concentração hidrogeniônica [H+]. Assim, os valores 0 e 14 significam, respectivamente, concentrações 1,0 mol/l e 1,0 x 10-14 mol/l, já que -log (1,0) = 0 e -log (1,0 x 10-14 ) = 14. Com o conceito de ph podemos introduzir outro: o poh que, por analogia, é definido como o logaritmo negativo da concentração hidroxiliônica [OH - ]. A soma de ph + poh sempre resultará 14. Por isso, se o ph de uma solução é 3,2 seu poh é 10,8 e vice-versa. Podemos então classificar as soluções em três tipos, em relação à sua força ácido-básica:
Soluções ácidas A concentração de íons H 3 O + é superior a de íons OH - (ph < 7) Soluções básicas A concentração de íons H 3 O + é inferior a de íons OH - (ph > 7) Soluções neutras A concentração de íons H 3 O + é igual a de íons OH - (ph =7)
Efeito Tampão Soluções tampão são soluções que atenuam a variação dos valores de ph (ácido ou básico), mantendo-o aproximadamente constante, mesmo com adição de pequenas quantidades de ácidos ou bases. As soluções tampão são geralmente formadas por um ácido fraco e um sal desse ácido, ou, então, por uma base fraca e um sal dessa base. As soluções tampão são usadas sempre que se necessita de um meio com ph aproximadamente constante. Elas são preparadas dissolvendo-se os solutos em água.
Em estudos ligados à medicina e à biologia é muito importante o conceito de solução tampão, pois os fluidos biológicos (animais ou vegetais) são, em geral, meios aquosos tamponados. Um dos sistemas tampões mais importantes é o do sangue, que permite a manutenção das trocas gasosas e das proteínas. O ph do sangue é de 7,4 e o principal sistema tampão é um equilíbrio entre o ácido carbônico e o íon a ele associado, o bicarbonato. Este sistema evita variações de 0,3 unidades de ph as quais poderiam trazer graves consequências.