Bioquímica - Água

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Água
SOCIEDADE DE ENSINO SUPERIOR DO CEARÁ
FACULDADE INTEGRADA DO CEARÁ - FIC
CURSO: NUTRIÇÃO
Disciplina: Bioquimica
Profa. Dra. Karoline Sabóia Aragão 
karolinearagao@gmail.com
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Livros
BIOQUIMICA - VOLUME 1 - BÁSICO
MARY K. CAMPBELL E SHAWN O. FARRELL
PRINCÍPIOS DE BIOQUÍMICA DE LEHNINGER - 5ª EDIÇÃO - 2011 
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•A molécula de água é formada por dois átomos
de hidrogênio e um átomo de oxigênio (H2O).
•O conteúdo de água de um alimento é expresso
pelo valor obtido na determinação da água total
contida no alimento.
•Existem moléculas de água com propriedades e
distribuição diferentes num mesmo alimento
 Água
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 ¾ da Terra está coberto de água;
 70% da superficie é coberta de água
 Substância mais abundante nos seres vivos;
 70% ou mais do peso corpóreo
70% of earth’s surface is cover with liquid water, fundamental element so that life could emerge and be mainained
Marine waters particularly take part of 97% of the hydrosphere and are shelter for a great part of biodiversity : genetic diversity and ecosystems scarcely known. 
Indeed, 36/38 metazooan phyla, 13 endemic to marine environment (LeGal 2004).
Caribbeans are a place where biodiversity is very important. 
A água 
Permeia as células.
transporte de nutrientes, 
reações químicas e enzimáticas.
Todos os aspectos de estrutura celular e suas funções são adaptadas às propriedades físico-químicas da água
PRINCIPAIS FUNÇÕES NO ORGANISMO
Solvente universal, indispensável aos processos metabólicos;
Manter a temperatura corporal;
Manter a pressão osmótica dos fluídos e do volume das células;
Participação como reagente de um grande número de reações metabólicas 
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Molécula da água
A água é constituída de hidrogênio e oxigênio, o qual é fortemente eletronegativo, e em função disso, ele atrai para si os elétrons do hidrogênio. 
O Hidrogênio adquire carga positiva e um mínimo campo elétrico enquanto o oxigênio tem carga negativa.
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Molécula triatômica angular
Alto momento dipolar
Baixo peso molecular
Pequeno volume
Alta constante dielétrica
Alto ponto de fusão e ebulição
Molécula da água
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Formada por um átomo de oxigênio central formando ligações covalentes com dois átomos de hidrogênio.
 H H
 O
Três representações da molécula de água
A água 
Polar  possui distribuição desigual de cargas devido o arranjo de elétrons. 
Oxigênio  tem uma carga parcial negativa.
Hidrogênio  tem uma carga parcial positiva
Pontes de hidrogênio (Atração eletrostática)
Forças coesivas; Líquido à temperatura ambiente;
Ordenamento das moléculas da água cristalizada (gelo).
Mais fracas q as ligações covalentes.
- H+ compartilha um par de elétrons com o O2. Núcleo de O2 é eletronegativo - atrai elétrons de maneira mais forte do que o H+.
- 2 dipolos elétricos, ao longo das ligações H-O; o átomo de O possui uma carga (-) parcial e o H (+).
Cada hidrogênio parcialmente positivo se alinha com um oxigênio parcialmente negativo.
Polaridade é responsável pelas propriedades físicas especiais da água.
Formação das pontes de hidrogênio
4 pontes de H+ podem ser formadas com quatro moléculas de água vizinha.
Arranjo tetraédrico 
Formação das pontes de hidrogênio
CADA MOLÉCULA DE ÁGUA PODE POTENCIALMENTE PARTICIPAR DE QUATRO PONTES DE HIDROGÊNIO, POIS TEM DOIS ÁTOMOS DE HIDROGÊNIO PARA “DOAR” UMA PONTE CADA, E DOIS ELÉTRONS NÃO PAREADOS QUE PODEM “ACEITAR” UMA PONTE DE HIDROGÊNIO CADA”
As pontes de hidrogênio são quebradas e formadas rapidamente. 
Cada ponte tem uma vida de apenas cerca de 10 – 12 s em água a 25 ºC. 
Em conseqüência, a estrutura da água está continuamente mudando, na medida que suas moléculas giram, vergam e se reorientam .
Água líquida
Em água líquida, cada molécula ainda forma pontes de hidrogênio com até quatro outra moléculas, mas cada ponte tem uma vida de apenas cerca de 10-12 s. Em conseqüência, a estrutura da água está continuamente mudando, na medida que suas moléculas giram, vergam e se reorientam 
 Forma cristalina da água.
 possui um arranjo mais estável das pontes de hidrogênio.
Gelo 
No gelo (uma forma cristalina da água) cada molécula, de fato, forma pontes com outras. Essa estrutura regular, como uma treliça, desmonta-se parcialmente quando o gelo se funde.
o gele a água esta fixa em um ponto.
Pontes de hidrogênio
As pontes de hidrogênio são muito mais fracas do que as ligações covalentes normais.
A energia requerida para quebrar a ligação covalente O-H é maior do que a requerida para quebrar pontes de hidrogênio na água.
Essa energia pequena afeta o ponto de fusão e ebulição da água.
Algumas energia de ligação
Tipo de ligação
Energia
kJ mol-1
kcal mol-1
Ligações covalentes
(Fortes)
Ligações não-covalentes
(fracas)
O-H
H-H
C-H
Pontes de Hidrogênio
Interação íon-dipolo
Interações hidrofóbicas
Ligações van der Waals
460
416
413
20
20
4-12
4
110
100
105
5
5
1-3
1
Comparação das propriedades da 
água, da amônia e do metano
Substância
Peso molecular
Ponto de fusão (ºC)
Ponto de ebulição (ºC)
Água (H2O)
Amônia (NH3)
Metano (CH4)
18,02
17,03
16,04
0,0
-77,7
-182,5
100
-33,4
-161,5
Outras substancias como o mesmo tamanho possuem pontos de fusao e ebulicao mais baixos.
As forças de atraçao entre as moleculas dessas substancias são muito mais fracas se comparadas com as forças de atraçao entre as moleculas de água, que são devido as pontes de hidrogenio.
A energia dessa atracao precisa ser superada para fundir-se o gelo e evaporar a água.
Devido à sua capacidade de formar pontes de hidrogênio, a água é muito coesiva. 
Responsável pela a alta tensão superficial, que permite que certos insetos andem sobre ela. 
A coesão da água também explica por que ela permanece líquida.
Devido à sua capacidade de formar pontes de hidrogênio, a água é muito coesiva. Isso dá conta de sua alta tensão superficial, que permite que certos insetos andem sobre ela. A coesão da água também explica por que ela permanece líquida, e moléculas semelhantes, como H2 S, são gases na temperatura ambiente (25°C).
As propriedades solventes da água
Água interage eletrostaticamente com solutos que exibem carga elétrica.
A natureza polar da água é o que determina, em grande parte, suas propriedades como solvente.
 
Água solvente polar universal
Materiais iônicos e polares 
hidrofílicos – solúveis em água 
Materiais apolares 
hidrofóbicos – insolúveis em água
Hidrocarbonetos.
Substâncias anfipáticas
A molécula possui porções polares e apolares.
As propriedades solventes da água
Biomoléculas polares (Hidrofílicos)
Dissolvem-se facilmente.
Ocorre substituição mais facilmente das interações moleculares água-água por interações ainda mais favoráveis água-soluto.
Biomoléculas apolares (Hidrofóbicos) 
Ocorre pouca interferência com as interações água-água e em solução aquosa – agregam-se.
A água como um solvente
Água como solvente de material iônico
Tem regiões apolares e polares, as regiões não polares tendem a agregar no centro formando as micelas. 
A região hidrofílica polar interage favoravelmente com o solvente que tende a dissolver o soluto enquanto que regiões apolares são mantidas por interações hidrofóbicas.
Ex. ácido graxo.
Solubilidade de compostos anfipáticos
Compostos anfipáticos tem regiões não polares e regiões polares, as regiões não polares tendem a agregar no centro formando as micelas. A região hidrofílica polar interage favoravelmente com o solvente que tende a dissolver o soluto enquanto que regiões não polares são mantidas por interações hidrofóbicas.
Muitas biomoléculas são anfipáticas 
Força de van der Waals
 Dois átomos não carregados (apolares) são aproximados as nuvens eletrônicas que os rodeiam passam a influenciar umas as outras. 
 Variações casuais nas posições dos elétrons ao redor de um dos núcleos podem criar um dipolo elétrico transiente, o qual induz no átomo
próximo um outro dipolo elétrico oposto este tb transiente. 
Os dois dipolos atraem se de forma fraca, mas o suficiente para fazer os dois núcleos se aproximarem. A medida que se aproximam as duas nuvens eletrônicas começam a se repelir e em algum ponto a força de atração contrabalança a força de repulsão, os núcleos não podem mais se aproximar e são ditos estar em contato de var der waals. 
Força de van der Waals
Ácidos e bases
O comportamento bioquímico de muitos compostos importantes depende das suas propriedades ácido-base.
Os ácidos são definidos como doadores de prótons (íons de hidrogênio) e as bases como aceptoras de prótons.
O grau de dissociação dos ácidos em água vai desde a:
dissociação completa para os ácidos fortes, até a 
pouquíssima dissociação para os ácidos fracos.
Constante de dissociação ou Ka
O valor numérico para indicar a força de um ácido, ou seja, a quantidade de íons hidrogênio que um ácido libera, quando uma quantidade desse ácido é dissolvido na água.
Pode ser escrita para qualquer ácido, HA, que reage de acordo com a equação:
HA  H+ + A-
 ácido base conjugada
Ka = [H+][A-]
 [HA]
Concentração em moles por litro.
Constante de dissociação ou Ka
Para cada ácido, a quantidade Ka possui um valor numérico fixo em uma dada temperatura.
Esse valor é maior para ácidos mais completamente dissociados; quanto maior o valor de Ka, mais forte será o ácido.
HA (aq) + H2O (l)  H3O+ (aq) + A- (aq)
 Ácido base ácido base
				 conjugado conjugada
 à água a HA
Ionização da Água
Moléculas de água: tendem a ionizar-se (reversível)
				H2O H+ + OH-
Ácidos ou bases dissolvidos na água produz H+ (ácidos) e OH- (bases).
Água pura: pH neutro
Na água pura a 25 °C:
A concentração da água é 55,5M (número de gramas de H2O em um litro de água dividido pela massa molecular da mesma, ou seja, 1.000g/18g/mol = 55,5 M)
 Ka = [H+][OH-]/[H2O]
 Ka = [H+][OH-]/55,5 M
 Ka x 55,5 M = [H+][OH-] = Kw
 Kw = constante do produto iônico da água
 
Estimativa do grau de dissociação da água
Na água pura a 25 °C:
Ka por medidas de condutividade elétrica em água pura = 1,8 x 10-16M 
 [H+][OH-] = 1,8 x 10-16M x 55,5M
 [H+][OH-] = 9,99 x 10-16M 
 [H+][OH-] = 1 x 10-14M 
- pH neutro
 Neste pH, as concentrações de H+ e de OH- podem ser calculadas do produto iônico da água como se segue:
 Kw = [H+][OH-] = [H+]2
 [H+] = raiz quadrada de Kw=raiz quadrada de 1 x 10-14 M2
 [H+]=[OH-] = 10-7M
A auto dissociação da 
água e a escala de pH
Existe uma ampla faixa de valores possíveis para as concentrações dos íons hidrogênio e hidroxila em soluções aquosas. 
É desejável portanto, expressar tais concentrações de uma forma mais conveniente do que as exponenciais. Essa quantidade chamada de pH, é definida por:
pH = - log10 [H+]
IONIZAÇÃO DA ÁGUA
H2O  H+ + OH-
Quando ácidos ou bases fracos são dissolvidos na água,eles podem produzir H+ por ionização (se ácidos) ou OH- (se bases)
A concentração total do íon hidrogênio originário de todas as fontes é expressa como pH da solução.
A concentração total do íon hidroxila originário de todas as fontes é expressa como
pOH da solução.
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O pH de uma solução pode ser medido usando-se vários corantes indicadores, os quais sofrem modificações em sua molécula a medida que entram em contato com um pH, mudando de cor. 
A mudança de pH afeta a estrutura e a atividade das macromoléculas biológicas. 
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SOLUÇÃO TAMPÃO OU BUFFER (AMORTECEDOR)
São soluções capazes de resistir a mudanças de pH quando são adicionadas pequenas concentrações de ácidos ou bases.
A solução tampão é constituída por um ácido fraco e sua base conjugada.
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Os ácido fraco pode ser definido como o doador de prótons H+ e a base conjugada como o receptor de prótons H+.
Os dois principais sistemas tampão biologicamente importante são os sistemas fosfato e bicarbonato.
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SISTEMA FOSFATO
Age no citoplasma de todas as células.
SISTEMA BICARBONATO
Age no tamponamento sangüíneo.
H2PO4-  H+ + HPO42- 
Fosfato biácido
ÁCIDO
Fosfato monoácido
BASE
H2CO3  H+ + HCO3- 
Ácido carbônico
ÁCIDO
Bicarbonato
BASE
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 Determina a concentração de um ácido em uma dada solução.
 O volume do ácido é titulado com uma solução de uma base forte (NaOH), de concentração conhecida, que é adicionado até neutralizar o ácido, como indicado por corante ou potenciômetro.
Titulação
- A concentração do ácido é determinada pela quantidade de NaOH adicionado. 
Contém os valores de pH em relação à quantidade de NaOH adicionada, e esta revela o pKa do ácido fraco.
Curva de Titulação
Sistema de Tampões
 Um par: ácido fraco (doador de prótons) e sua base conjugada (receptor de prótons).
 Em solução aquosa dão a estas soluções a propriedade de resistir as variações do seu pH quando as mesmas são adicionadas quantidades relativamente pequenas de ácido (H+) ou base (OH-).
 Ex. a mistura de ác acético (CH3COOH) e do íon acetato (CH3COO-) - ponto médio de titulação , é um sistema tampão. 
 
 Ponto médio: pequenas variações de pH quando quantidades pequenas de H ou OH são adicionados. 
 Cada par ácido base conjugado tem uma zona característica de valores de pH na qual atua como um tampão.
Sistema de tamponamento 
nas células
O citoplasma da maioria das células contém altas concentrações de proteínas, as quais, por sua vez, possuem muitos aminoácidos com grupos funcionais que são ácidos ou bases fracas.
Ex. histidina
Tampões Biológicos
 O pH dos fluido intra e extracelulares mantido constante pelo sistema de tampões.
Tampão Fostato
 Citoplasma das células.
 H2PO4- doador de protóns e de HPO24- como receptor. 
 Efetividade máxima - pH próximo do seu pKa de 6,86 - resisti as variações de pH na região entre 6,4 e 7,4. 
Tampão Bicarbonato
 Plasma sanguíneo .
 Ác carbônico H2CO3 doador de prótons e do bicarbonato HCO3- como receptor de prótons.