Introdução a Bioquímica e Importância da Água

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Introdução a Bioquímica e Importância da Água 
Bioquímica: 
↪ Estuda a química dos seres vivos 
↪ Procura entender como a vida funciona do ponto de 
vista molecular 
⇢ Aplicações: 
↪ Novos tratamentos e curas para doenças 
↪ Estudo de doenças metabólicas 
↪ Tratamento de anomalias genéticas na espécie 
humana 
↪ Desenvolvimento de medicamentos, produtos e 
suplementos alimentares, clonagem... 
 
Água 
Importância no organismo: 
↪ É o meio no qual as reações bioquímicas ocorrem 
(solvente natural) 
↪ Transporta substancias (sistema de controle de 
entrada e saída) 
↪ Termorregulação (a água tem o maior calor 
específico) 
↪ Lubrificante (↓H2O ↑ atrito nas articulações) 
↪ Equilíbrio ácido-base 
 
Introdução: 
↪ A água é a mais importante e a mais abundante do 
organismo 
↪ Órgãos com mais água: fígado e pulmão (85%), 
músculos e coração (70-75%) 
 
 
Água intracelular: 
↪ 70% da célula é água 
↪ Redução de 20% da água diminui os mecanismos de 
transporte celular 
↪ Redução de 30% da água para completamente o 
metabolismo celular 
↪ Apenas alguns organismos, como bactérias, resistem 
a diminuição de mais de 50% do nível de água 
 
Estrutura da água: 
↪ A estrutura da água determina suas características 
 
↪ É uma molécula dipolar, que estabelece interações 
eletrostáticas com outras moléculas de água 
 
 
Ligações de hidrogênio: 
↪ As forças de atração entre as moléculas da água têm 
crucial importância para a estrutura e função da célula 
 
 
 
⇢ A água forma ligações de H com solutos polares: 
 
 
↪ O aceptor de hidrogênio é, geralmente, um oxigênio 
ou nitrogênio, é o átomo mais eletronegativo 
↪ O hidrogênio doador está sempre ligado a um átomo 
eletronegativo (O, N, S) 
 
⇢ Ligações de H comuns em sistemas biológicos: 
 
 
Bioquimica I @b_zanardi 
⇢ A ligação de H tem caráter direcional: 
 
 
↪ A força de atração entre as cargas elétricas parciais 
é maior quando os orbitais que a formam estão 
alinhados 
↪ Quanto menos alinhados os orbitais estiverem mais 
fraca será a interação 
 
⇢ Ligações de H comuns em sistemas biológicos: 
↪ Redes estendidas de moléculas de água unidas por 
ligações de hidrogênio também formam pontes entre 
solutos (proteínas e ácidos nucleicos) que permitem que 
as moléculas maiores interajam umas com as outras por 
distâncias de vários 
nanômetros sem se 
tocarem fisicamente 
↪ Para muitas 
proteínas, a presença 
de moléculas de água 
fortemente ligadas 
são essenciais para 
sua estrutura e 
função 
 
⇢ Ligações de H da água no estado sólido e líquido: 
 
↪ No gelo, cada 
molécula faz quatro 
ligações de H 
(quantidade máx. 
de ligações que 
cada molécula de 
água consegue 
fazer: 2 polos + e 2 
polos -) 
 
 
↪ No estado líquido cada molécula 
está ligada, em média, a 3 a 4 
outras moléculas de água 
 
↪ O tempo de vida de cada ligação 
de hidrogênio é somente de 1 a 20 
picossegundos (1ps=10-12 s) 
 
 
Densidade da água em função da temperatura: 
 
 
Propriedades da água importantes nos sistemas biológicos: 
↪ Elevado calor especifico 
↪ Alta tensão superficial 
↪ Solvente universal 
 
Elevado calor específico: 
↪ Calor específico é definido como a quantidade de 
calor que um gramo de substancia precisa absorver para 
aumentar sua temperatura em 1oC sem que haja 
mudança de estado físico 
↪ Devido ao alto calor específico da água, seres vivos 
não sofrem variações bruscas de temperatura 
↪ Alto calor especifico: mais difícil de aumentar e 
diminuir a temperatura 
↪ Quando se faz o aquecimento, além da energia para 
aumentar a energia cinética das moléculas 
desagregadas (com o aquecimento de qualquer líquido), 
é também necessária energia extra para romper ligações 
de hidrogênio, que mantém os agregados 
 
 
 
 
Alta tensão superficial da água: 
↪ A água líquida tem uma tensão superficial 
extremamente elevado, explicada pelas ligações de 
hidrogênio que mantém as moléculas fortemente unidas 
 
 
 
↪ Ex: Alvéolos pulmonares e surfactantes 
 
Tensão superficial nos alvéolos: 
↪ Os surfactantes diminuem a tensão superficial dos 
alvéolos, melhorando a absorção de O2, facilitando a 
hematose 
 
↪ Surfactante: sintetizada pelos corpos lamelares 
encontrados nos pneumócitos tipo II (células 
arredondadas ou cubóides que revestem os alvéolos) 
↪ Tensão superficial sem surfactante: 0,05 N/m 
↪ Tensão superficial com surfactante: 0,005 a 0,03 
N/m 
↪ Componente mais importante: fosfolipídeo dipalmitol- 
lecitina 
 
 
 
↪ Existe uma doença denominada síndrome do 
desconforto respiratório do recém-nascido, também 
denominada de síndrome das membranas hialinas. A 
síndrome é mais frequente em prematuros e em filhos 
de mães diabéticas 
 
Solvente universal: 
↪ As substâncias podem ser classificadas de acordo 
com a afinidade pela molécula da água: 
⇢ Substância Hidrofílicas: são moléculas polares, têm 
afinidade pela água e são solúveis em água. Ex: 
Carboidratos 
POLAR DISSOLVE POLAR → SUBSTÂNCIAS HIDROFÍLICAS 
⇢ Substância Hidrofóbicas: são moléculas apolares, com 
baixa afinidade e solubilidade em água Ex: Lipídios 
⇢ Polar não dissolve apolar → substâncias hidrofóbicas 
⇢ Substância Anfipáticas ou Anfifílicas: são moléculas 
que apresentam a característica de possuírem uma 
região hidrofílica (solúvel em meio aquoso), e uma região 
hidrofóbica (insolúvel em água). Ex: Fosfolipídeos, 
proteínas, ácidos nucléicos 
 
A força dos vetores se anula 
A tensão abaixo da água é nula 
Fica em contato 
com a água 
Fica em contato 
com o ar 
surfactantes 
↪ A água interage eletrostaticamente com solutos 
carregados: em geral, compostos iônicos aumentam a 
tensão superficial 
 Tudo que é cristalino é organizado através de ligações 
coesas 
 Solvatar: envolver íons com moléculas de H2O 
 
 
 
Sistema tampão: 
↪ Determinação da ionização da água - pH 
↪ Importância do pH 
↪ Valor de pKa 
↪ Titulação ácido/base fortes e fracas 
↪ Faixa de tamponamento 
↪ Tampões biológicos 
 
Ionização e dissociação: 
↪ Ionização: formação de íons através de uma reação 
química 
 
HCl + H2O → H3O+ + Cl- 
 
 
↪ Dissociação: separação de íons pré-existentes 
NaCl + H2O → Na+ + Cl- 
 
Ionização da água: 
↪ A água pura é levemente ionizada: 
 
↪ Diversas reações químicas dependem da 
transferência de H+ (hidrôneo) entre moléculas 
↪ O íon hidrogênio é o mais abundante nos sistemas 
biológicos 
↪ Vários processos bioquímicos (incluindo o transporte 
de O2 no sangue, a catálise de reações por enzimas e a 
geração de energia metabólica durante a respiração) são 
fortemente afetados pela concentração de prótons 
↪ A concentração de H+ nas células e líquidos biológicos 
influencia a velocidade das reações químicas, a forma e 
função das enzimas assim como de outras proteínas 
celulares 
↪ O “próton hoping” explica a rápida mobilidade de íons 
hidrôneo em um campo elétrico 
 
 
 
↪ Protonação: incorporar um ou mais prótons 
Desprotonação: perder prótons 
↪ Em muitos casos, o estado de protonação de uma 
molécula afeta a sua atividade biológica. Ex: protonação 
da cadeia lateral do aminoácido histidina 
 
 
↪ Basta um aminoácido não possuir um próton para uma 
enzima inteira não funcionar 
 
↪ À 25oC, apenas 2 em cada 109 moléculas de água sofre 
ionização 
Constante de Equilíbrio: 
 
↪ As medidas de pH do sangue e da urina são 
comumente usadas em diagnóstico médico 
↪ A escala do pH é prática e costuma ser usada entre 
0 e 14 
↪ Na água pura o pH=7,0 
↪ A escala de pH é logarítmica e não aritmética, ou seja, 
uma solução de pH 6 possui 10 vezes mais prótons do 
que que uma solução de pH 7,0 
 
 
 
Alimentação: 
↪ Alimentos altamente ácidos: bebidas alcoólicas, café, 
refrigerantes, sucos de frutas, cacau, chocolate, vinagre 
↪ Alimentos moderadamente ácidos: ketchup, maionese, 
manteiga, margarina, iogurte 
↪ Alimentos ligeiramente ácidos: feijão preto, óleo de 
girassol, leite de vaca 
↪ Alimentos altamente alcalinos: sal mineral, adoçante 
natural, coentro 
↪ Alimentos moderadamente alcalinos: abacate, 
beterraba,brócolis, tomate 
↪ Alimentos ligeiramente alcalinos: lentilha, farinha de 
soja, ervas aromáticas, azeite 
 
Escala de pH: 
 
 
Definições gerais: 
 
 
Equação do equilíbrio: 
HA ⇆ H+ + A- 
 pKa = -log[Ka] 
 
HA ⇆ H+ + A- 
Ácido base conjugada 
 
Equação de Henderson-Hasselbach: 
 
pH = pKa → situação na qual [A] = [HA] 
 
Utilidade: 
↪ Permite calcular o pH de uma solução a partir das 
concentrações do ácido e da base conjugada 
↪ Permite calcular as quantidades relativas do ácido e 
da base conjugada a partir do pH 
 
Tampão acético/acetato: 
CH3COOH ⇆ H+ + CH3COO- 
 
↪ A base adicionada reage com o CH3COOH formando 
CH3COO- 
↪ O ácido adicionado reage formando CH3COOH 
 
 
Faixa de tamponamento (pKa-1, pKa, pKa+1): 
↪ É a quantidade de ácido ou base que um tampão pode 
neutralizar antes que o pH comece a variar a um grau 
apreciável 
 
Curva de Titulação: Ácido Forte x Base Forte 
 
↪ Diferentes ácidos fracos têm diferentes regiões de 
pH no qual funciona como tampão 
 
Solução tampão: 
↪ Sistema Tampão: solução de ácido fraco e sua base 
conjugada que conseguem manter o pH da solução 
estável frente à adição de ácido ou base 
↪ Um tampão resiste as variações no pH porque ele 
contém tanto espécies ácidas para neutralizar os íons 
OH- quanto espécies básicas para neutralizar os íons H+ 
 
 
 
 
↪ Os fluidos intracelulares ou extracelulares de 
organismos multicelulares têm como característica um 
pH quase constante. A primeira linha de defesa dos 
organismos contra mudanças internas de pH é 
proporcionada por sistemas tampão 
 
Tampão bicarbonato: 
↪ É o principal sistema tampão do organismo 
responsável pelo tamponamento do meio extracelular 
↪ O plasma sanguíneo é tamponado pelo sistema 
tampão bicarbonato 
 
 
↪ O pH deve ser finamente regulado no nosso 
organismo pois é nesta faixa onde há o funcionamento 
ótimo das proteínas e outras macromoléculas do 
organismo 
↪ Sistema Tampão: ácido carbônico /Bicarbonato H2CO3/ 
HCO3 
 
↪ Depende muito da função integrada dos rins e 
pulmões 
H+(aq) + HCO3-(aq) ⇄ H2CO3(aq) ⇄ H2O(l) + CO2(g) 
 Rim pulmão 
 
Tampão fosfato: 
↪ É o principal tampão dos líquidos intracelulares e das 
células tubulares renais 
A concentração de tampão fosfato é muito maior no 
meio intracelular do que no meio extracelular 
H2PO4- ⇄ H+ + HPO42- 
pKa= 6,86 (resiste às variações entre pH 5,86-7,86) 
 
Sangue como solução tampão: 
↪ Tampão ácido carbônico-bicarbonato: O tampão tem 
alta capacidade para neutralizar ácido adicional, mas 
apenas uma baixa capacidade para neutralizar base 
adicional 
↪ Se um tampão apresentar mais espécies básicas 
(tampão básico) – ele irá suportar maior adição de 
ácidos 
 
↪ pH em condições normais é de 7,4 
↪ pH abaixo de 7,35 indica acidose, devido à alta de H+ 
↪ pH acima de 7,45 indica alcalose, como resultado da 
diminuição de H 
↪ pH abaixo de 6,8 ou acima de 7,8 é, praticamente, 
fatal 
 
 
 
Homeostasia e distúrbios ácido-base: 
↪ Alguns dos receptores no cérebro são sensíveis às 
concentrações de H+ e CO2 nos fluídos corpóreos 
↪ Quando a concentração de CO2 aumenta, os equilíbrios 
deslocam-se para a esquerda, o que leva à formação de 
mais H+ 
↪ Os receptores disparam um reflexo para respirar mais 
rápido e mais profundamente, aumentando a velocidade 
de eliminação de CO2 dos pulmões e deslocando o 
equilíbrio de volta para a direita 
Controle neural → fisiologia respiratória