Importância da Água em Sistemas Biológicos

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Água e Soluções Tampão
MSc. Karolayne Silva Souza
2024.1
Água
A água é a substância mais abundante nos sistemas vivos, constituindo mais de 70% do peso da maioria dos organismos.
 O primeiro organismo vivo na Terra sem dúvida nasceu em ambiente aquoso, e o curso da evolução tem sido moldado pelas propriedades do meio aquoso no qual a vida começou.
Água
As estruturas das moléculas nas quais a vida se baseia, PROTEÍNAS, ÁCIDOS NUCLÉICOS, MEMBRANAS LIPÍDICAS e CARBOIDRATOS COMPLEXOS, resultam diretamente de suas interações com o ambiente aquoso;
(b) A combinação de propriedades de solvente responsáveis pelas associações intra- e intermoleculares destas substâncias é peculiar à água; nenhum solvente assemelha-se à água neste particular; 
Estruturas e processos biológicos somente podem ser entendidos em termos das propriedades físicas e químicas da água.
Água
As ligações de hidrogênio entre moléculas de água fornecem as forças coesivas que fazem da água um líquido a temperatura ambiente e um sólido cristalino (gelo) com arranjo altamente ordenado de moléculas em temperaturas frias. 
Água
Água
Água
A água tem ponto de fusão, ebulição e calor de vaporização mais alto que os outros solventes comuns. Essas propriedades incomuns são uma consequência da atração entre as moléculas de água adjacentes que oferecem à água líquida grande coesão interna.
Água
Poucos solventes dissolvem tantas substâncias, o que não significa que a água seja capaz de dissolver toda e qualquer substância;
A água dissolve melhor SUBSTÂNCIAS POLARES, também chamadas hidrofílicas;
Substâncias apolares, não solúveis em água, são chamadas de hidrofóbicas;
Há substâncias com parte apolar e outra polar: são chamadas de anfipáticas: sua solubilidade em água depende de vários fatores.
Água e Solutos Polares
A água dissolve os sais por que a estrutura cristalina dos sais é mantida por forças iônicas; os íons de um sal interagem de acordo com a lei de Coulomb:
Água e Solutos Polares
A água dissolve sais como o NaCl pela hidratação e estabilização dos íons Na+ e Cl–, enfraquecendo as interações eletrostáticas entre eles e, portanto, neutralizando a sua tendência de se associar em uma rede cristalina;
A água também dissolve prontamente biomoléculas carregadas, incluindo compostos com grupos funcionaiscomo grupos carboxílicos ionizados (¬COO–), aminas pro-tonadas (¬NH31) e ésteres de fosfato ou anidridos. 
Água e Solutos Polares
Logo que um sal como o NaCl se dissolve, os íons Na1 e Cl–abandonam a rede cristalina e adquirem uma liberdade muito maior de movimento. O aumento resultante na entropia do sistema é em grande parte responsável pela facilidade da dissolução dos sais como NaCl em água. 
Água
Água e Gases Apolares
As moléculas de gases biologicamente importantes como CO2, O2 e N2 são apolares;
A adição de moléculas da fase gasosa desordenada em uma solução aquosa restringe o movimento do gás e das moléculas de água e, portanto, representa um decréscimo de entropia;
As proteínas transportadoras solúveis em água (ex. hemoglobina e mioglobina) facilitam o transporte de O2 e CO2.
Água e Gases Apolares
Água e Gases Apolares
Água e Moléculas Anfipáticas
A água tende a hidratar a porção polar, ao mesmo tempo tende a excluir a porção apolar (hidrofóbica);
A porção apolar força as moléculas de água circundantes a assumir um estado altamente ordenado;
De um modo geral, no entanto, as estruturas lipídicas tendem a agrupar-se, reduzindo a superfície em contato com a água.
Água e Moléculas Anfipáticas
Água e Enzimas
Ácidos, Bases e Tampões
As moléculas de água têm a leve tendência de sofrer uma ionização reversível, produzindo um íon hidrogênio (próton) e um íon hidróxido, gerando o equilíbrio:
Isto significa que em qualquer solução aquosa sempre haverá uma certa quantidade do íon hidrônio (H3O+) e do íon hidroxila (HO-);
Estes íons tem grande mobilidade, maior que a dos outros íons, pois os prótons saltam de uma molécula para outra.
Ácidos, Bases e Tampões
Ácidos, Bases e Tampões
A água pode aceitar prótons também de outras substâncias, um fenômeno extremamente importante não apenas em termos biológicos;
Considera-se um ÁCIDO a substância que pode doar prótons;
Considera-se uma BASE a substância que pode aceitar prótons.
Ácidos, Bases e Tampões
Ácidos, Bases e Tampões
A água possui uma expressão de equilíbrio em:
Como [H2O] é constante e igual a 55,5 M, pode-se definir uma nova constante Kw (constante de ionização da água):
pH
O produto iônico da água, Kw, é a base para a escala de pH:
A escala de pH é logarítmica, e não aritmética;
A escala de pH é prática e costuma ser usada entre 0 e 14;
A medição do pH é uma forma simples que indica a concentração de H+ em uma solução.
pH
Uma solução neutra (com H+ e OH- balanceados) tem um pH = 7;
Quanto mais alta a concentração de H+, mais alta a acidez e o pH oscilará em uma faixa entre 0-7.
Quanto menor a concentração de H+, maior a alcalinidade e o pH oscilará em uma faixa entre 7 e 14.
pH
Os medidores de pH medem a força eletromotriz do eletrodo de vidro combinado com o eletrodo de calomelano. 
A leitura pode ser feita em mV ou diretamente numa escala de pH.
A calibração é indispensável por causa do número de variáveis e da instabilidade do eletrodo 
Tampões
Na célula predominam ácidos e bases fracos;
Soluções que mantêm o valor de pH, em alguma extensão, quando adicionadas de álcalis ou ácidos;
Usualmente são constituídos por uma mistura de um ácido fraco e o sal de sua base conjugada. Exemplo: ácido acético + acetato de sódio;
Nos organismos, os sistemas tampão presentes nas células e os fluidos extracelulares garantem a constância da concentração de H+.
Tampões
O controle do pH no interior das células depende de um grande número de ácidos e bases conjugadas, tanto orgânicos como inorgânicos;
Entre eles estão incluídos também proteínas, que possuem grande número de grupos dissociáveis;
Os mais úteis são os sistemas de CO2 e sua base conjugada, bicarbonato e ácido fosfórico, porque a maioria das funções celulares são realizadas sob condições de pH próximo da neutralidade, no qual estes sistemas tamponantes têm maior margem de ação.
Tampões
Um aumento na concentração de H+ no sangue tira o sistema do equilíbrio e estimula as reações indicadas pelas setas amarelas, isto é, há no final um aumento na pressão parcial do CO2 nos pulmões, que deve ser eliminado; animais com acidose em geral apresentam hiperventilação.
Tampões
A introdução de HO- também tira o sistema do equilíbrio pois estas reagem com os H+ para formar água havendo, portanto, uma diminuição na concentração dos H+;
Este fenômeno, por sua vez, estimula as reações indicadas pelas setas vermelhas, o que implica numa absorção de CO2 dos pulmões.
Na Prática!
O plasma sanguíneo humano normalmente tem um pH de 7,35 a 7,45, e muitas das enzimas que funcionam no sangue evoluíram para ter máxima atividade nesse intervalo de pH;
Enzimas mostram máxima atividade catalítica em um pH característico, chamado de pH ótimo.
Na Prática
Em indivíduos com diabetes melito não tratado, a falta de insulina, ou a insensibilidade à insulina (dependendo do tipo de diabetes), interrompe a captação de glicose do sangue para dentro dos tecidos e força os tecidos a armazenar ácidos graxos como combustível principal;
 A dependência dos ácidos graxos resulta no acúmulo de altas concentrações de dois ácidos carboxílicos, o ácido b-hidroxibutírico e o ácido acetoacético.
Na Prática
Acidose grave leva a sintomas como dor de cabeça, vômitos e diarreia, seguidode estupor, convulsões e coma;
Jejum e inanição, esforço físico exagerado como corrida para atletas ou ciclistas, leva a um acúmulo temporário de ácido láctico no sangue;
 A deficiência renal resulta na diminuição da capacidade de regular os níveis de bicarbonato;
Doenças do pulmão reduzem a capacidade de disponibilidade do CO2 produzido por oxidação dos combustíveis nos tecidos, com o resultante acúmulo de H2CO3. 
Obrigada!
karolayne.souza@unirios.edu.br
CRÉDITOS: este modelo de apresentação foi criado pelo Slidesgo, e inclui ícones da Flaticon e infográficos e imagens da Freepik
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F ( força entre duas cargas elétricas q1 e q2
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k ( constante de proporcionalidade = 8,99 ( 109 J m C-2
D ( constante dielétrica
Quanto maior a constante dielétrica, menor será a força de atração entre dois íons 
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Quanto maior a constante dielétrica, menor será a força de atração
entre dois íons
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