Biofísica Aula 2 Água e soluções

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Biofísica (BR011) 
 
Prof. Dr. Helotonio Carvalho 
Departamento de Biofísica e Radiobiologia – UFPE 
Recife, 2016 
Água e soluções 
Importância da água 
em sistemas biológicos 
A vida surgiu provavelmente em ambiente aquoso. 
 
A água representa 70 % ou mais do peso da maioria dos organismos. Uma 
atividade metabólica normal só pode ocorrer em células que têm pelo menos 65 
% de H2O. 
 
As propriedades físicas e químicas da água determinaram a vida como se 
conhece hoje. 
 
Dentre essas propriedades, são essenciais as forças atrativas entre moléculas 
de água (pontes de H) e a tendência da água em se ionizar, ainda que muito 
fracamente. 
 
As propriedades da água possibilitam a existência dos sistemas tampão, 
essenciais aos organismos vivos. 
 
As propriedades da molécula de água e seus produtos de ionização (H+ e OH-), 
influenciam profundamente a estrutura e as propriedades dos diversos 
componentes celulares como proteínas, lipídeos, carboidratos e ácidos 
nucléicos. 
Importância da água em organismos vivos 
A natureza polar da molécula de água 
As diferenças de eletronegatividade 
entre H e O conferem um momento de 
dipolo à água. 
 
Este momento de dipolo, e a presença 
de pares de elétrons não 
compartilhados no O, é responsável 
pela formação de pontes de hidrogênio 
entre moléculas de água. 
 
Os orbitais da molécula de água, 
incluindo os orbitais não-ligantes do 
oxigênio, possuem um arranjo 
aproximadamente tetraédrico. 
Interações fracas em sistemas aquosos 
Pontes de Hidrogênio 
Ponte de hidrogênio são responsáveis pelas forças coesivas que tornam a água 
líquida à temperatura ambiente e que favorecem um arranjo extremamente 
ordenado das moléculas de água em cristais de gelo. 
 
A água pode atuar tanto como aceptor, como doador de H em pontes de H!! 
 
As pontes de hidrogênio são isoladamente fracas 
 
Energia de ligação de H: ~23 kJ/mol 
Energia de ligação O-H na água: 470 kJ/mol 
Energia de ligação C-C: 348 kJ/mol 
Pontes de Hidrogênio 
O arranjo aproximadamente tetraédrico dos 
orbitais ao redor do O da molécula de H2O 
permite teoricamente pontes de hidrogênio com 
até 4 outras moléculas de H2O. 
 
No estado líquido, devido ao estado 
desorganizado das moléculas de água e ao seu 
movimento constante, uma molécula de H2O 
forma pontes de hidrogênio com apenas outras 
3,4 moléculas em média. 
 
O gelo, ao contrário, apresenta uma estrutura 
muito mais organizada, com cada molécula de 
H2O fixa no espaço, o que permite que cada uma 
estabeleça pontes de H com outras 4 moléculas. 
Pontes de H no gelo 
Influência de pontes de hidrogênio nos pontos 
de fusão e de ebulição da água 
Pontes de hidrogênio importantes em 
sistemas biológicos 
Pontes de hidrogênio são direcionais 
Pontes de hidrogênio são mais fortes quando orientadas de maneira a permitir 
interação eletrostática máxima, o que ocorre quando os átomos envolvidos na 
ponte de H estão em linha reta. 
Água como solvente 
A solubilidade de um soluto em um determinado solvente depende da 
capacidade que o solvente tem de interagir com o soluto de maneira mais forte 
que as partículas do soluto interagem entre si. 
 
A polaridade da água faz com que esta dissolva facilmente substâncias polares 
(hidrofílicas). Substâncias apolares, por outro lado, não conseguem formar 
interações água-soluto sendo insolúveis em água e designadas hidrofóbicas. 
 
Os íons de um sal interagem de acordo com a lei de Coulomb 
F= 
Q1Q2 
er2 
F = força de interação entre as cargas elétricas 
Q1 e Q2= cargas elétricas 
r = distância entre as cargas 
e = constante dielétrica do meio 
Assim, quanto maior a constante dielétrica, menor a força que une as duas 
cargas, ou seja, a constante dielétrica de um solvente é uma medida de sua 
capacidade de manter cargas opostas separadas. 
A água é um dos solventes com 
maior constante dielétrica! 
Esta alta constante 
dielétrica tem reflexo 
direto na capacidade da 
água em dissolver 
compostos polares 
Exemplos de biomoléculas apolares, polares e 
anfifílicas 
Íons são solvatados pela água 
A dissolução de 
compostos 
polares está 
relacionada à sua 
capacidade de 
trocar interações 
eletrostáticas 
entre as 
partículas do 
soluto por 
interações entre 
soluto e água. 
Gases apolares são insolúveis em água 
Isso tem implicações importantes no transporte de O2 dos pulmões para os 
tecidos e de CO2 dos tecidos para os pulmões! O O2 é transportado através de 
proteínas carreadoras (hemoglobina). O transporte te CO2 é feito principalmente 
sob a forma de HCO3
-, bastante solúvel em água (100 g/L a 25 oC). 
Interação de compostos anfipáticos 
com a água 
As forças que mantêm as regiões apolares de moléculas diferentes juntas são 
denominadas interações hidrofóbicas, que resultam de uma maior estabilidade 
termodinâmica através da minimização de interações com a água. 
 
Proteínas, pigmentos, esteróis, algumas vitaminas e fosfolipídeos de membrana são 
anfipáticos e dependem de interações hidrofóbicas para sua estabilização. 
 
Membranas biológicas são estabilizadas por interações hidrofóbicas. 
 
Interações hidrofóbicas entre aminoácidos apolares são importantes na estabilização de 
proteínas. 
Interação de compostos anfipáticos 
Interações hidrofóbicas 
Os 4 tipos de interações fracas (não covalentes) 
entre biomoléculas e o meio aquoso 
Esses 4 tipos de interações são muito mais fracas que uma interação 
covalente, mas em conjunto seu efeito pode ser muito significativo! 
 
A ligação de uma enzima a seu substrato pode envolver várias pontes de H, 
além de interações iônicas, hidrofóbicas e de van de Waals. 
 
Para separar a enzima de seu substrato é necessário romper todas essas 
interações simultaneamente! 
 
Todas estas interações são de importância primordial na manutenção da 
estrutura de biomoléculas!! 
 
A estrutura mais estável (nativa) de proteínas e ácidos nucléicos é 
normalmente aquela em que as interações fracas são maximizadas. Isto 
determina o dobramento de proteínas em folhas b pregueadas e a-hélices 
por exemplo, assim como a estrutura de dupla hélice do DNA. 
A importância das interações fracas em 
sistemas biológicos 
 Densidade: definida como a razão 
m/V, dada em g/mL ou kg/L. 
Densidade da água a 4oC é de 1 g/mL 
ou 1 kg/L. A densidade da água varia 
de acordo com a temperatura, sendo 
menor em temperaturas inferiores ou 
superiores a 4 oC. O gelo é menos 
denso que a água. 
 
 
 
 
Outras propriedades da água 
Calor de vaporização DHvap (em J/g): energia necessária para 
transformar 1 g de um líquido em sua temperatura de ebulição, à pressão 
atmosférica para o estado de vapor. A água apresenta um alto calor de 
vaporização, o que apresenta as seguintes vantagens: 
 
Para desidratar um sistema biológico é necessária muita energia. 
 
Por isso, a água é usada para controle de temperatura em 
organismos vivos. Transpiração serve para dissipar calor. 
Tensão superficial (g): atrações intermoleculares (forças coesivas) mantêm 
as moléculas coesas. Atrações intermoleculares entre moléculas da camada 
externa da interface da água com o ar são maiores devido ao fato de não 
possuírem moléculas iguais em todas as dimensões para interagir. Forma-se 
uma espécie de membrana que impede a penetração na água. 
 
Tipicamente medida em dynes/cm ou mN/m, é a força necessária para 
romper um filme de 1 cm de comprimento. A tensão superficial da água 
diminui com a temperatura. 
 
 
A água apresenta alta tensão superficial, importante para acompartimentalização celular através de membranas. No entanto, dificulta 
trocas gasosas nos alvéolos pulmonares, o que é minimizado pela síntese e 
liberação de surfactantes por células epiteliais alveolares. 
A tensão superficial está relacionada com a capilaridade: capacidade de um 
líquido de subir ou descer em um tubo de diâmetro muito pequeno, 
aparentemente violando a lei da gravidade. 
 
A água sobe por um capilar devido ao fato de as forças adesivas entre a água 
e as paredes do capilar de vidro serem maiores que as forças coesivas entre as 
moléculas de água. 
Sabões e detergentes reduzem a tensão 
superficial da água, permitindo que a 
água entre melhor nos tecidos. 
A altura que o líquido sobe e se o líquido sobe ou desce depende: 
Forças adesivas são mais 
fortes que forças coesivas. 
Forças coesivas são mais 
fortes que forças adesivas. 
A elevação da seiva de 
uma planta desde suas 
raízes até as folhas depende 
de capilaridade. 
 
A capilaridade também é 
observada em superfícies 
como papel ou sílica, sendo 
uma das propriedades 
utilizada na cromatografia 
em camada delgada. 
Da tensão superficial do líquido. 
Do diâmetro do tubo. 
Da densidade do líquido 
g=72 dynes/cm (20 oC) g=487 dynes/cm (15 oC) 
Viscosidade: resistência à deformação por forças de tensão. Quanto maiores 
as forças de coesão entre as moléculas, maior a viscosidade. A água deveria ter 
alta viscosidade devido às pontes de hidrogênio. No entanto, o fato de estas 
pontes se desfazerem e refazerem muito rapidamente faz com que a água 
tenha viscosidade muito baixa. 
Escala de viscosidade 
Viscosidade da água é de 1 cP (centi poise) = 1 mPa·s a 20 oC. 
Soluções 
Misturas contendo mais de um componente que se apresenta com apenas 
uma fase. Tipos: 
 
Líquido – líquido (p.e. etanol + água) 
Sólido – líquido (p.e. NaCl dissolvido + água) 
Gas – líquido (p.e. O2 + água) 
 
Solvente + soluto: p.e. água + NaCl. 
 
Solvente pode ser água ou solventes orgânicos. Em sistemas biológicos: 
água. 
 
Fluidos biológicos como são soluções aquosas complexas que podem conter 
milhares de solutos dissolvidos (ácidos nucleicos, proteínas, carboidratos, sais) 
 
Soluções 
M = 
m 
PM x V (L) 
Soluções: soluções aquosas são possíveis apenas para solutos iônicos ou 
polares. 
 
Para qualquer solução, a definição mais importante é sua concentração, que 
terá relação direta com suas propriedades físicas e químicas. 
 
A concentração de uma solução é representada pela quantidade de soluto por 
quantidade de solução, que pode ser expressa de diversas formas, sendo as mais 
comuns porcentagem e molaridade (M). 
 
% = 
massa do soluto (g) 
volume da solução (mL) 
Diluição de soluções: C1V1 = C2V2 
Onde: m=massa 
 PM=peso molecular 
 V=volume 
Questões 
Dados massas atômicas: 
Na: 23 ,Cl: 35 , Mg: 24, H: 1 , O: 16. 
Densidade do HCl fumegante (comercial): 1,19 g/cm3 
Concentração do HCl comercial (fumegante): 37 % 
 
1) Qual a massa em gramas necessária para se preparar 1 litro de solução de 
sacarose 20%? 
 
2) Qual a massa em gramas necessária para se preparar 100 mL uma solução de 
NaCl 1 M? 
 
3) Como se pode diluir uma solução de HCl 1M para se obter 100 mL de uma 
solução de HCl 0,1M? 
 
4) Qual a massa em gramas necessária para se preparar 100 mL de uma solução 
de MgCl2 0,1 M a partir de MgCl2. E a partir de MgCl2.6H2O? 
 
5) Como você prepararia 100 mL de uma solução 1 M de HCl a partir de HCl 
fumegante? 
 
Medidas de volume de soluções 
Soluções aquosas em provetas, buretas e pipetas, formam uma interface entre o 
líquido e o ar que não é plana côncava, denominada menisco. A leitura correta do 
volume deve ser feita na parte inferior do menisco. 
Propriedades das 
soluções 
Influência da temperatura na solubilidade de 
sólidos 
Normalmente uma elevação da 
temperatura aumenta a solubilidade de 
um sal, mas há exceções. A influência da 
variação da temperatura na solubilidade 
de um sal é determinada 
experimentalmente. 
Influência da temperatura na solubilidade de 
gases 
A solubilidade de gases é 
reduzida com o aumento da 
temperatura. 
 
Por que? 
Influência da pressão na solubilidade de 
gases 
Um aumento na pressão aumenta a solubilidade de gases em água. 
 
Isto se deve ao aumento da pressão parcial do gás que aumenta os choques 
das moléculas de gases com a superfície do líquido. 
Influência da pressão na solubilidade de 
gases