Propriedades da Água em Bioquímica

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Professora Jamile Fabbrin Gonçalves
Disciplina Bioquímica Geral
1. A natureza polar da água;
2. Pontes de hidrogênio;
3. Propriedades características da água;
4. Solubilidade em água (moléculas hidrofílicas, hidrofóbicas e anfipáticas);
5. Osmose e movimentação de água através da célula;
6. pH e tampões biológicos;
7. Água como reagente;
8. Água metabólica.
• A água é a substância mais abundante nos sistemas vivos,
perfazendo 70% ou mais da massa da maioria dos organismos.
• Quando os elétrons são compartilhados entre átomos em uma ligação química,
eles não precisam ser compartilhados da mesma maneira. As ligações que
compartilham elétrons de forma desigual são chamadas POLARES;
• A tendência de um átomo em atrair elétrons para si em uma ligação química é
chamada ELETRONEGATIVIDADE.
A natureza polar da água 
• A diferença na eletronegatividade
entre o O e o H origina uma carga
parcial positiva e outra negativa ->
dipolo.
H2O
• PONTE DE HIDROGÊNIO: atração 
eletrostática entre o átomo de O de 
uma molécula de água e o H de outra. 
• Existe um arranjo tetraédrico
grosseiro -> o ângulo da ligação
H-O-H é de 104,5° (tetraedro
perfeito -> 109,5°).
O arranjo geométrico das 
moléculas de água
• GELO: O arranjo quase tetraédrico dos
orbitais ao redor do átomo de oxigênio
permite a cada molécula de água formar
pontes de hidrogênio com até 4 outras
moléculas de água vizinhas;
REDE REGULAR!!!
• ÁGUA LÍQUIDA: as moléculas estão
desorganizadas e em contínuo movimento
--- Cada molécula de água forma pontes de
hidrogênio com outras 3,4 moléculas de
água;
• As pontes de hidrogênio são muito mais fracas que as ligações
covalentes normais.
•Mesmo essa quantia
comparativamente pequena de
energia é suficiente para afetar
drasticamente as propriedades
da água;
• Os pontos de fusão e ebulição
da água são consideravelmente
MAIORES que o esperado para
uma molécula deste tamanho.uma molécula deste tamanho.
• As pontes de hidrogênio NÃO são exclusivas da água;
• Elas se formam facilmente entre um átomo eletronegativo (o
receptor de H, usualmente O ou N) e um átomo de H ligado
covalentemente a outro átomo eletronegativo (o doador de H) na
mesma molécula ou em outra.
• Os átomos de H ligados de maneira covalente aos átomos de C NÃO
participam de pontes de H, porque o C é apenas levemente mais
eletronegativo que o H e portanto a ligação C-H é apenas levemente polar.
• Explica o porquê do butanol
possuir um ponto de fusão
relativamente alto de 117°,
enquanto o butano possui umenquanto o butano possui um
ponto de fusão de apenas -
0,5°.
• O butanol possui um grupo
polar hidroxila e portanto
pode formar pontes de
hidrogênio
intermoleculares!!!
• As pontes de hidrogênio são mais fortes quando as moléculas por
ela unidas estão orientadas de forma a maximizar a interação
eletrostática;
• Forte: Quando o átomo de
hidrogênio e os dois átomos que
o compartilham estão localizados
em uma mesma linha reta.
• As pontes de H são portanto altamente
direcionadas e capazes de manter duas
moléculas ou grupos ligados por pontes
de H em um arranjo geométrico
específico -> confere estruturas
tridimensionais muito precisas nas
moléculas de proteína e DNA .
• Os compostos iônicos com cargas totais, como o cloreto de sódio (NaCl,
Na+ e Cl-, em solução), e os compostos polares com cargas parciais como o
etanol ou a acetona, tendem a se dissolver em água;
Substâncias 
hidrofílicas
Solubilidade em água
hidrofílicas
• A água dissolve NaCl hidratando e
estabilizando Na+ e Cl-;
• Substituição de pontes de H
(soluto-soluto àààà soluto-água)
• Quando NaCl se dissolve, os íons Na+ e Cl-
deixam a estrutura do cristal e adquirem grande
liberdade de movimentação;
• A entropia aumenta à medida que as
substâncias cristalinas se dissolvem!!!
• Em situações nas quais a diferença de eletronegatividade é muito
pequena, como na ligação C-H do metano (CH4), o compartilhamento de
elétrons de ligação é praticamente igual, e a ligação é chamada APOLAR;
• As interações entre moléculas apolares e moléculas de água são mais
fracas que as interações dipolares;
Substâncias hidrofóbicas
Substâncias anfipáticas
(hidrofílica + hidrofóbica)
• Gases biologicamente
importantes, como o CO2, O2 e N2,
são transportados por algumas
proteínas solúveis em água
(hemoglobina e mioglobina).
Solubilidade dos gases em água:
(hemoglobina e mioglobina).
• O CO2 forma o H2CO3
- em solução
aquosa e é transportado tanto
como íon HCO3
- ou ligado a
hemoglobina.
• NH3 e H2S, são polares e portanto,
dissolvem facilmente em água.
Compostos não-polares forçam alterações energeticamente 
desfavoráveis na estrutura da água:
• Quando os compostos hidrofóbicos são
adicionados à água produz-se uma diminuição
na entropia;
• As moléculas de água na vizinhança imediata
de um soluto não-polar ficam restritas nas
suas possibilidades de orientação à medidasuas possibilidades de orientação à medida
que elas formam uma espécie de gaiola
altamente ordenada em volta de cada
molécula de soluto;
• Quanto maior a área da superfície do soluto
não-polar -> mais moléculas de água
ordenadas -> maior diminuição na entropia!!!
• As regiões não-polares das moléculas agregam-se para
apresentar a menor área hidrofóbica ao solvente, e as
• Quando um composto anfipático é
misturado com a água, a região
hidrofílica, polar, interage
favoravelmente com o solvente e
tende a se dissolver, mas a região
hidrofóbica, não-polar, tende a
evitar o contato com a água;
apresentar a menor área hidrofóbica ao solvente, e as
regiões polares são arranjadas para maximizar sua interação
com o solvente;
• Essas estruturas estáveis dos compostos anfipáticos em
água são chamadas de MICELAS;
• As forças que mantém as regiões não-polares das
moléculas juntas são chamadas INTERAÇÕES
HIDROFÓBICAS;
• Parte da força diretiva para ligar um
substrato polar (reagente) a uma
superfície polar complementar de
uma enzima é o aumento da
ENTROPIA à medida que a enzima
desloca as moléculas de águadesloca as moléculas de água
ordenadas do substrato.
Muitas biomoléculas são anfipáticas
• Ex.: proteínas, pigmentos, certas vitaminas, esteróis e fosfolipídios de
membrana;
• As estruturas não-polares dessas moléculas são estabilizadas por interações
hidrofóbicas -> muito importantes para a manutenção estrutural da membrana
plasmática.
INTERAÇÕES HIDROFÓBICAS!!!
• Embora esses 4 tipos de interações
sejam individualmente fracos em
relação às ligações covalentes, o
efeito cumulativo de muitas delas
pode ser significante;
As interações fracas são cruciais para a 
estrutura e função macromoleculares
• Efeito cumulativo àààà a formação
de cada ligação fraca contribui
No caso das macromoléculas, a 
estrutura mais estável (nativa) é 
usualmente aquela na qual as 
possibilidades de formação de 
ligações fracas é máxima!!!
de cada ligação fraca contribui
para um decréscimo na energia
livre do sistema;
Osmose e movimentação de água 
através da célula
• Solutos de todas as espécies
alteram certas propriedades físicas
da água: sua pressão de vapor, ponto
de evaporação, ponto de fusão e
pressão osmótica) -> propriedades
coligativas;
As moléculas de água tendem a 
se mover de uma região de maior 
concentração de água para uma 
de menor concentração!!!
A concentração de água é menor 
nas soluções que na água pura!!!
•OSMOSE: movimentação da
água através de uma membrana
semipermeável direcionada pelas
diferenças nas pressões osmóticas, é
um importante fator na vida da
maioria das células;
• A membrana plasmática é mais
permeável à água que a maior partepermeável à água que a maior parte
das outras moléculas pequenas, íons e
macromoléculas;
• Essa permeabilidade é devida
parcialmente à simples difusão da
água através da bicamada lipídica e
parcialmente à canais protéicos na
membrana que permitem a passagem
seletiva de água -> aquaporinas!
• Soluções de igual osmolaridade (ISOTÔNICAS) -> célula nem ganha e nem
perde água;
• Em solução HIPOTÔNICA (menor osmolaridadeque o citosol) -> célula
GANHA água – célula incha à medida que a água entra;
• Em solução HIPERTÔNICA (maior osmolaridade que o citosol) -> célula
PERDE água – célula murcha à medida que a água sai;
Vários mecanismos surgiram para prevenir esta catástrofe
(lise celular):
• Nos seus ambientes naturais, as células geralmente contêm 
MAIORES concentrações de biomoléculas e íons que o meio 
circundante, de tal forma que a pressão osmótica tende a direcionar 
água para DENTRO das células -> LISE CELULAR!!!
Protistas -> vacúolo 
contrátil para 
retirada de água 
Plantas -> parede celular 
conferindo rigidez e força 
Animais -> plasma sanguineo e 
fluido intersticial são mantidos a 
uma osmolaridade próxima 
daquela do citosol!!!
• O efeito da concentração do soluto nas propriedades 
coligativas da água é independente das propriedades químicas 
do soluto -> depende apenas do NÚMERO DE PARTÍCULAS DO 
SOLUTO (moléculas, íons) em uma certa quantidade de água;
- ex.: um composto como o NaCl, que se
dissocia em solução, possui duplo efeito
na pressão osmótica que aquelena pressão osmótica que aquele
produzido por igual número de mols de
um soluto não dissociável como a glicose.
• Pelo fato de o efeito dos solutos na osmolaridade depender do NÚMERO de
partículas dissolvidas, e não da sua MASSA, as macromoléculas (proteínas, ácidos
nucléicos, polissacarídeos) têm um efeito MUITO MENOR na osmolaridade de uma
solução que uma igual massa dos seus componentes monoméricos.
- ex.: 1 g de polissacarídeo
composto de 1.000 unidades de
glicose tem o mesmo efeito na
osmolaridade que 1 mg de glicose.
Um efeito do armazenamento 
(glicogênio ou amido) em vez de 
glicose ou outros açúcares simples é a 
prevenção de um enorme aumento 
na pressão osmótica dentro da célula 
de armazenamento!!!
pH e tampões biológicos
• Embora muitas das propriedades de solvente as água possam ser
explicadas em termos de molécula de H2O não carregada, o pequeno grau
de ionização da água em íons hidrogênio (H+) e íons hidróxido (OH-) deve
também ser levado em consideração.
pH Ácido
LOGARÍTIMICA (10 x)
pH Neutro
pH Básico
pH Ácido
•pH = concentração
hidrogeniônica (H+)
total de todas as
fontes na solução!
• A pH afeta a estrutura e a atividade das
macromoléculas biológicas.
- ex.: a atividade catalítica das enzimas é
fortemente dependente do pH!
[H+] 10.000 maior
• CURVA DE TITULAÇÃO: é uma representação do pH contra a quantidade
de NaOH adicionada e revela o pka do ácido fraco.
pka: constante de dissociação
• Um doador de próton e seu 
correspondente receptor de próton 
perfazem um par conjugado ácido-base
• A titulação é usada para determinar a quantidade de um ácido em uma
solução;
• Um volume medido de ácido é titulado com uma solução de uma base forte,
usualmente NaOH (hidróxido de sódio), de concentração conhecida.
Quanto maior a pKa, menor a tendência do ácido se dissociar, mais forte é o ácido
O ponto mais importante 
sobre a curva de titulação de 
um ácido fraco é que ela 
mostra graficamente que um 
par ácido-base pode agir 
como um TAMPÃO!
Tampões são sistemas aquosos que 
tendem a resistir às alterações no 
pH quando pequenas quantidades 
de ácido (H+) ou base (OH-) são 
adicionadas.
Equação de Henderson-Hasselbach: descreve a 
curva de titulação de todos os ácidos fracos!
Principais tampões biológicos
1) Tampão fosfato 2) Tampão bicarbonato
• A constância do pH no organismo é alcançada 
principalmente pelos tampões biológicos!!!
Atua no citoplasma de todas as células! Atua no plasma sanguíneo!
A água não é apenas um solvente 
no qual ocorrem as reações 
químicas das células vivas, mas 
também é um participante 
direto dessas reações!
Água como reagente
Ex. reações de condensação e hidrólise
Condensação
Hidrólise
Ex. reações de condensação e hidrólise
• A água e o dióxido de carbono são os produtos finais da 
oxidação dos combustíveis como a glicose 
Água metabólica
Essa água metabólica assim 
formada a partir de alimentos 
sólidos e combustíveis 
estocados é suficiente para 
permitir que certos animais 
em habitats muito secos 
possam sobreviver por longos 
períodos SEM TOMAR ÁGUAEx.: Camelos