Aula 03 Bioq I 2013-02 - pHpKa e Aminoácido s

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UENF, CBB, LQFPP
Prof. Gustavo Rezende
Bioquímica I – Estrutura e função de biomoléculas
3ª aula: pH, pKa, sistema tampão e Aminoácidos
Roteiro da aula de hoje:
1) ionização da água e pH
2) ácidos e bases fracas
3) pKa e sistemas tampão
4) Aminoácidos
1) ionização da água e pH
Como assim ‘ionização da água’?
A água é levemente ionizada
H2O H+ + OH-
A água é levemente ionizada
H2O H+ + OH-
Apesar de sempre mostrarmos o produto da dissociação da água como H+, na realidade 
prótons livres não existem em solução, eles se associam à água, formando íons hidrônio
(H3O-):
A água é levemente ionizada
+ -
As pontes de hidrogênio tornam a formação dos íons hidrônio quase instantânea.
Íons da água se movem 
com rapidez anômala 
em um campo elétrico: 
o “salto” de prótons.
Em função disso, reações ácido-
base em soluções aquosas ocorrem 
excepcionalmente rápido.
Constante de equilíbrio de reação (Keq):
Keq: uma constante, característica de cada reação química, relaciona as concentrações 
específicas de todos os reagentes e produtos no equilíbrio, em uma dada temperatura e 
pressão.
Como assim?
O quanto a água é ionizada depende da constante de equilíbrio da reação (Keq):
Constante de equilíbrio de reação (Keq):
Keq: uma constante, característica de cada reação química, relaciona as concentrações 
específicas de todos os reagentes e produtos no equilíbrio, em uma dada temperatura e 
pressão.
Como assim?
O quanto a água é ionizada depende da constante de equilíbrio da reação (Keq):
30 Y 
No incío da reação...
Constante de equilíbrio de reação (Keq):
O quanto a água é ionizada depende da constante de equilíbrio da reação (Keq):
28 Y 2 Z
Keq: uma constante, característica de cada reação química, relaciona as concentrações 
específicas de todos os reagentes e produtos no equilíbrio, em uma dada temperatura e 
pressão.
Como assim?
... no meio da reação...
Constante de equilíbrio de reação (Keq):
O quanto a água é ionizada depende da constante de equilíbrio da reação (Keq):
5 Y 25 Z
Keq: uma constante, característica de cada reação química, relaciona as concentrações 
específicas de todos os reagentes e produtos no equilíbrio, em uma dada temperatura e 
pressão.
Como assim?
... no fim (equilíbrio) da reação.
Constante de equilíbrio de reação (Keq):
O quanto a água é ionizada depende da constante de equilíbrio da reação (Keq):
5 Y 25 Z
Cada reação tem uma constante de equilíbrio diferente!
... no fim (equilíbrio) da reação.
No incío da 
reação...
Keq: uma constante, característica de cada reação química, relaciona as concentrações 
específicas de todos os reagentes e produtos no equilíbrio, em uma dada temperatura e 
pressão.
Como assim?
30 S 
30 A 
Constante de equilíbrio de reação (Keq):
O quanto a água é ionizada depende da constante de equilíbrio da reação (Keq):
5 Y 25 Z
Cada reação tem uma constante de equilíbrio diferente!
... no fim (equilíbrio) da reação.
Keq: uma constante, característica de cada reação química, relaciona as concentrações 
específicas de todos os reagentes e produtos no equilíbrio, em uma dada temperatura e 
pressão.
Como assim?
25 S 5 P 
15 A 15 B
Constante de equilíbrio da reação (Keq):
A + B C + D
Keq: uma constante, característica de cada reação química, relaciona as concentrações 
específicas de todos os reagentes e produtos no equilíbrio, em uma dada temperatura 
e pressão.
Reação:
Keq = [A] [B]
[C] [D]
onde é a concentração do composto X em 
Molar, no equilíbrio.
[X]
O quanto a água é ionizada depende da constante de equilíbrio da reação (Keq):
Reação
Cada reação possui uma constante de equilíbrio própria:
E a constante de equilíbrio da água?
H2O H+ + OH-
Keq = [H2O]
[H+] [OH-] Sabe-se que a 25º C, muito pouco da água está
ionizada, e a fórmula fica...
E a constante de equilíbrio da água?
H2O H+ + OH-
Keq = [H2O]
[H+] [OH-] Sabe-se que a 25º C, muito pouco da água está
ionizada, e a fórmula fica...
Keq = 55,5 M
[H+] [OH-]
E a constante de equilíbrio da água?
H2O H+ + OH-
Keq = [H2O]
[H+] [OH-] Sabe-se que a 25º C, muito pouco da água está
ionizada, e a fórmula fica...
Keq = 55,5 M
[H+] [OH-]
e podemos rearranjar a equação:
(55,5 M)(Keq) = = Kw[H+] [OH-]
Onde Kw é o produto iônico da água.
(55,5 M)(Keq) = = Kw[H+] [OH-]
Sabe-se que a Keq da água a 25º C é de 1,8 x 10-16 M, e a equação fica:
(55,5 M)(1,8 x 10-16 M) = [H+] [OH-] = 1,0 x 10-14 M2 = Kw
(55,5 x 1,8 ~ 100)
Logo, o produto de [H+] [OH-] em solução aquosa a 25º C será
sempre igual a 1 x 10-14 M2.
Quando as concentrações de H+ e OH- são iguais, diz-se que a 
solução está em pH neutro, e as concentrações podem ser 
calculadas de acordo:
Resolvendo para [H+] fica:
[H+] = 0,0000001 M
Quando as concentrações de H+ e OH- são iguais, diz-se que a 
solução está em pH neutro, e as concentrações podem ser 
calculadas de acordo:
Uma vez que o produto iônico da água, [H+][OH-] = 1 x 10-14 M2, é constante, 
sempre que [H+] for maior que 1 x 10-7 M, [OH-] tem que ser menor que 1 x 
10-7 M.
E aí chegamos na escala de pH. O símbolo p significa “logaritmo negativo de”:
Logo o pH de uma solução neutra fica:
Tabela: A escala de pH
A escala de pH é logarítmica, a diferença em um unidade significa uma diferença de 
dez vezes na concentração de H+ !
Mais 
ácido
Mais 
básico
Medidas e valores de pH são 
essenciais na bioquímica!
Mais 
ácido
Mais 
básico
Medidas e valores de pH são 
essenciais na bioquímica!
pH do sangue é 7,4. Se o pH cai 
para 6,8 isso leva a danos celulares 
irreparáveis e até a morte.
Mais 
ácido
Mais 
básico
Seria possível a vida em 
um pH tão ácido?
Medidas e valores de pH são 
essenciais na bioquímica!
pH do sangue é 7,4. Se o pH cai 
para 6,8 isso leva a danos celulares 
irreparáveis e até a morte.
Mais 
ácido
Mais 
básico
Helicobacter pylori, em estômago de 
pacientes com gastrite, úlcera 
gástrica, úlcera duodenal e câncer de 
estômago: Prêmio Nobel de 2005.
Medidas e valores de pH são 
essenciais na bioquímica!
pH do sangue é 7,4. Se o pH cai 
para 6,8 isso leva a danos celulares 
irreparáveis e até a morte.
2) ácidos e bases fracas
Ácidos e bases fracas:
Ácidos forte: HCl, bases fortes: KOH, NaOH: se dissociam completamente em solução 
aquosa.
Ácidos e bases fracas (isto é, que não se ionizam completamente em solução aquosa) são 
comuns e possuem papéis importantes em sistemas biológicos.
Ácidos podem ser definidos como doadores de prótons, bases como aceptores de 
prótons. Um doador e um e aceptor de prótons relacionados formam um par ácido-base
conjugado:
ácido acético ânion acetato
A tendência de qualquer ácidos (HA) de perder prótons e formar sua base conjugada (A-) 
é definida pela constante de equilíbrio da reação:
que é:
Constantes de equilíbrio de reações de ionização são chamadas de constantes de 
dissociação, designado por Ka. Também existe seu logaritmo negativo, pKa: 
Constante de dissociação de alguns ácidos:
Ácidos monopróticos
Ácidos dipróticos
Ácidos tripróticos
Mono, di e tripróticos: doam um, dois ou três prótons.
Constante de dissociação de alguns ácidos:
Ácidos monopróticos
Ácidos dipróticos
Ácidos tripróticos
Mono, di e tripróticos: doam um, dois ou três prótons.
Constante de dissociação de alguns ácidos:
Ácidos monopróticos
Ácidosdipróticos
Ácidos tripróticos
Mono, di e tripróticos: doam um, dois ou três prótons.
Constante de dissociação de alguns ácidos:
Ácidos monopróticos
Ácidos dipróticos
Ácidos tripróticos
Quanto mais forte for o ácido (maior tendência de perder prótons), menor será seu pKa
Mono, di e tripróticos: doam um, dois ou três prótons.
3) pKa e sistemas tampão
pKa é um valor relacionado com a constante de dissociação de 
ácidos e bases fracas!
Curvas de titulação ácido-base:
A titulação serve para determinar experimentalmente 1) a concentração de uma dada 
substância (no nosso caso, um ácido) em uma solução e 2) o pKa de ácidos fracos.
Uma curva de titulação ácido-base envolve a gradual adição ou remoção de prótons.
Como funciona: começa-se com uma solução de um ácido fraco de concentração 
desconhecida. Determina-se o pH. Adiciona-se uma solução conhecida de uma base forte 
(NaOH, por exemplo) em pequenas quantidades na solução do ácido determina-se o pH 
sempre que NaOH é adicionado...
Curva de titulação do ácido acético:
retângulo:
forma iônica predominante
Exatamente no meio da 
curva, o pH equivale ao pKa
do ácido em questão:
Curva de titulação do ácido acético:
retângulo:
forma iônica predominante
Exatamente no meio da 
curva, o pH equivale ao pKa
do ácido em questão:
Ou seja: quando 
Curva de titulação do ácido acético:
[HAc] = [Ac-], o pH será
igual ao pKa do ácido em 
questão!
retângulo:
forma iônica predominante
Diferentes ácidos possuem 
pKa em diferentes pHs.
Soluções tampão são sistemas aquosos que resistem à variação de pH quando quantidades 
de ácidos (H+) ou bases (OH-) são adicionadas ao sistema.
Tampão:
A ação tamponante é extremamente importante em sistemas biológicos, uma vez que 
quase todos os processos biológicos são dependentes de pH. Boa parte disso se deve à
propriedade das diferentes biomoléculas, que possuem distintas regiões que possuem 
diferentes valores de pKa...
Com a variação de pH os grupos ionizáveis das biomoléculas podem ter sua carga 
variando. Lembrando que interações iônicas são importantes para a interação entre 
diferentes biomoléculas. 
Por exemplo, atividade de diferentes enzimas:
pH em sistemas biológicos:
Um sistema tampão consiste de um ácido fraco e sua base conjugada:
Ácido acético e acetato juntos 
funcionam como um sistema tampão.
A região de pH sombreada em rosa é
a região de capacidade tamponante.
Um sistema tampão consiste de um ácido fraco e sua base conjugada:
p
H
Ácido acético e acetato juntos 
funcionam como um sistema tampão.
Como funciona um sistema tampão:
Na região do pKa, o pH não muda muito quando quantidades razoáveis de H+ ou OH-
são adicionados:
Como funciona um sistema tampão:
Na região do pKa, o pH não muda muito quando quantidades razoáveis de H+ ou OH-
são adicionados:
H+
Como funciona um sistema tampão:
Na região do pKa, o pH não muda muito quando quantidades razoáveis de H+ ou OH-
são adicionados:
H+
Ac-
Como funciona um sistema tampão:
Na região do pKa, o pH não muda muito quando quantidades razoáveis de H+ ou OH-
são adicionados:
H+
Ac-HAc
-
Como funciona um sistema tampão:
Na região do pKa, o pH não muda muito quando quantidades razoáveis de H+ ou OH-
são adicionados:
OH-
Como funciona um sistema tampão:
Na região do pKa, o pH não muda muito quando quantidades razoáveis de H+ ou OH-
são adicionados:
OH-
HAc
Como funciona um sistema tampão:
Na região do pKa, o pH não muda muito quando quantidades razoáveis de H+ ou OH-
são adicionados:
OH-
HAc
(HOH)
Como funciona um sistema tampão:
Na região do pKa, o pH não muda muito quando quantidades razoáveis de H+ ou OH-
são adicionados:
Isso porque a diminuição na concentração de um dos componentes do sistema tampão é
balanceado pelo incremento exato da concentração do outro componente. A razão entre a 
concentração dos componentes do tampão muda, mas não o pH da água...
O sistema absorve H+ ou OH- !
Diferentes pares possuem ação tamponante em diferentes pHs:
É um processo de tamponamento que envolve o sangue e a respiração.
O sistema-tampão bicarbonato:
pH fisiológico do plasma sanguíneo é 7,4. Em algus estados patológicos (diabetes severa, por 
exemplo), pH pode cair para 6,8 levando a danos celulares irreparáveis e até a morte.
É um processo de tamponamento que envolve o sangue e a respiração.
O sistema-tampão bicarbonato:
pH fisiológico do plasma sanguíneo é 7,4. Em algus estados patológicos (diabetes severa, por 
exemplo), pH pode cair para 6,8 levando a danos celulares irreparáveis e até a morte.
pH no sangue muito 
ácido, a reação 
ocorre nessa direção:
É um processo de tamponamento que envolve o sangue e a respiração.
O sistema-tampão bicarbonato:
pH fisiológico do plasma sanguíneo é 7,4. Em algus estados patológicos (diabetes severa, por 
exemplo), pH pode cair para 6,8 levando a danos celulares irreparáveis e até a morte.
pH no sange muito 
básico, a reação 
ocorre nessa direção:
4) Aminoácidos
Aminoácidos (Aas):
Estrutura geral dos aminoácidos:
20 Aas ao todo. Todos possuem essa estrutura geral (com exceção da prolina). O que 
difere em cada Aa é o grupo R. 
α
Aminoácidos (Aas):
Aas são os monômeros que compõem as proteínas
Quando os aas estão unidos dentro de uma proteína eles são 
chamados de resíduos de aminoácidos!
Aminoácidos (Aas):
Estrutura geral dos aminoácidos:
20 Aas ao todo. Todos possuem essa estrutura geral (com exceção da prolina). O que 
difere em cada Aas é o grupo R. O carbono central é chamado de “alfa” e é um centro 
de isomeria.
α
Estereoisomeria em α-aminoácidos:
L-Alanina
L-Alanina
D-Alanina
D-Alanina
Estereoisomeria em α-aminoácidos:
L-Alanina
L-Alanina
D-Alanina
D-Alanina
para trás do 
plano do papel
para frente do 
plano do papel
Estereoisomeria em α-aminoácidos:
Os isômeros de Aas são oticamente ativos (giram luz polarizada). Seus isômeros são 
conhecidos como L (levorrotatório) ou D (dextrorrotatório) 
L-Alanina
L-Alanina
D-Alanina
D-Alanina
para trás do 
plano do papel
para frente do 
plano do papel
Na natureza, aas ocorrem em L, açúcares em D
L-aas são aqueles onde o grupo α-amino está à esquerda, D-aas são aqueles 
onde o grupo α-amino está à direita.
L-Alanina D-Alanina
L-Gliceraldeído D-Gliceraldeído
Cadeia Lateral: varia em tamanho, estrutura, carga elétrica e polaridade (capacidade 
de interagir com a água).
Aas são classificados de acordo com as 
propriedades de seus grupamentos laterais (R).
Cadeia Lateral: varia em tamanho, estrutura, carga elétrica e polaridade (capacidade 
de interagir com a água).
Os aas são agrupados em 5 grandes classes:
1) Grupo R alifático, não-polar,
2) Grupo R aromático, 
3) Grupo R polar não-carregado,
4) Grupo R carregado positivamente (básico),
5) Grupo R carregado negativamente (ácido).
Aas são classificados de acordo com as 
propriedades de seus grupamentos laterais (R).
Cadeia Lateral: varia em tamanho, estrutura, carga elétrica e polaridade (capacidade 
de interagir com a água).
Os aas são agrupados em 5 grandes classes:
1) Grupo R alifático, não-polar,
2) Grupo R aromático, 
3) Grupo R polar não-carregado,
4) Grupo R carregado positivamente (básico),
5) Grupo R carregado negativamente (ácido).
Aas são classificados de acordo com as 
propriedades de seus grupamentos laterais (R).
Alifático: composto de carbono acíclico ou 
cíclico não-aromático.
Aromático: composto de carbono cíclico que 
possui um anel aromático (derivados do 
benzeno: 
Cadeia Lateral: varia em tamanho, estrutura, carga elétricae polaridade (capacidade 
de interagir com a água).
Os aas são agrupados em 5 grandes classes:
1) Grupo R alifático, não-polar,
2) Grupo R aromático, 
3) Grupo R polar não-carregado,
4) Grupo R carregado positivamente (básico),
5) Grupo R carregado negativamente (ácido).
Aas são classificados de acordo com as 
propriedades de seus grupamentos laterais (R).
Alifático: composto de carbono acíclico ou 
cíclico não-aromático.
Aromático: composto de carbono cíclico que 
possui um anel aromático (derivados do 
benzeno: 
Fórmulas estruturais a seguir mostram o estado de ionização em pH 7,0.
1 – Aas com grupamentos laterais não-polares e alifáticos
Cadeias laterais 
tendem a se 
agrupar. 
Estabilização da 
proteína por 
interação 
hidrofóbica.
1 – Aas com grupamentos laterais não-polares e alifáticos
Não tem contribuição real para 
interação hidrofóbica.
1 – Aas com grupamentos laterais não-polares e alifáticos
Estrutura cíclica/conformação rígida/ 
reduz a flexibilidade da proteína.
1 – Aas com grupamentos laterais não-polares e alifáticos
grupo tioéter
não polar
1 – Aas com grupamentos laterais não-polares e alifáticos
2 – Aas com grupamentos laterais aromáticos
Relativamente não polares (hidrofóbicas) e participam em interações hidrofóbicas, 
mas Tirosina e Triptofano são mais polares (i.e. menos hidrofóbicos) que 
Fenilalanina.
2 – Aas com grupamentos laterais aromáticos
Grupo OH da tirosina pode formar ponte de hidrogênio e é um importante grupo 
funcional em algumas enzimas.
Anéis aromáticos do triptofano e tirosina absorvem luz ultravioleta.
Absorbância e a lei de Lambert-Beer:
Absorbância (A) =
onde ε é o coeficiente de extinção molar.
3 – Aas com grupamentos laterais polares não-carregados
Mais solúveis em água (mais hidrofílicos) 
do que os não polares: grupos funcionais 
fazem pontes de hidrogênio com a água. 
Exceto cisteína
Polaridade conferida por hidroxila em 
Serina e Treonina; sulfidrila em Cisteína 
e amida em Asparagina e Glutamina.
Formação de cistina
Duas cisteínas podem ser oxidadas formando uma cistina, um aminoácido dimérico ligado 
covalentemente. As duas cisteínas são ligadas por uma ponte (ou ligação) dissulfeto, 
essa ligação é reversível. As pontes dissulfeto participam da estabilização de estrutura 
protéicas, intra ou intermolecular.
4 – Aas com grupamentos laterais carregados positivamente
Carga positiva em pH 7,0 (bastante hidrofílicos)
4 – Aas com grupamentos laterais carregados positivamente
2o grupo amino
grupo 
guanidino
grupo 
imidazol
Carga positiva em pH 7,0 (bastante hidrofílicos)
4 – Aas com grupamentos laterais carregados positivamente
Carga positiva em pH 7,0 (bastante hidrofílicos)
– doador/receptor de prótons em 
muitas reações enzimáticas
– fração significante carregada 
positivamente em pH neutro
H
+
5 – Aas com grupamentos laterais carregados negativamente
Carga negativa em pH 7,0 (bastante hidrofílicos)
Ambos possuem um 2o grupo carboxil.
Aminoácidos não primários:
Além dos 20 aas que vimos, algumas proteínas podem ser compostas dos chamados 
“aminoácidos não-primários”, criados por modificações de resíduos primários já
dentro de uma proteína:
Aminoácidos não primários:
Além dos 20 aas que vimos, algumas proteínas podem ser compostas dos chamados 
“aminoácidos não-primários”, criados por modificações de resíduos primários já
dentro de uma proteína:
Encontradas no colágeno, proteína 
muito importante do tecido 
conjuntivo. A vitamina C é essencial
para a produção de hidroxiprolina
para o colágeno.
Aminoácidos não primários:
Além dos 20 aas que vimos, algumas proteínas podem ser compostas dos chamados 
“aminoácidos não-primários”, criados por modificações de resíduos primários já
dentro de uma proteína:
Desmosina é derivada de quatro 
resíduos de lisina. Presente na 
proteína elastina. Que atua na pele, 
conferindo sua capacidade elástica.
Aminoácidos não primários:
Alguns dos aminoácidos não-primários não são encontrados em proteínas. 
São os aas não protéicos, como é o caso da ornitina e citrulina, essenciais 
no ciclo da uréia (catabolismo de compostos nitrogenados):
Um aa em solução aquosa não existe na forma não-iônica, mas sim na forma 
zwitteriônica (do alemão “íon híbrido”).
Aas como íon dipolar ou zwitterion
Forma 
não-iônica
Forma 
zwitteriônica
Aas podem agir como ácidos e bases (são anfotéricos)
Um zwitterion pode agir como um ácido (doador de próton)
Um zwitterion pode agir como uma base (aceptor de próton)
A carga líquida dos aas varia com o pH
carga 
líquida:
Aumento do pH
Cada aa tem uma curva de titulação característica
Glicina possui dois grupos ionizáveis. 
Em pH muito baixo, a forma 
predominante é +H3N-CH2-COOH. 
Em pH muito alto, a forma predominante 
é H2N-CH2-COO-.
Cada aa tem uma curva de titulação característica
Glicina possui dois grupos ionizáveis. 
Em pH muito baixo, a forma 
predominante é +H3N-CH2-COOH. 
Em pH muito alto, a forma predominante 
é H2N-CH2-COO-.
Glicina possui dois pKas: pK1 e pK2, 
relacionados com os dois grupos 
ionizáveis.
Glicina possui duas regiões tamponantes.
Glicina serviria como um bom tampão 
fisiológico?
A carga elétrica líquida (total) de 
qualquer aminoácido varia com o pH.
Titulação e carga elétrica líquida dos Aas: determinação do ponto isoelétrico
A carga elétrica líquida (total) de 
qualquer aminoácido varia com o pH.
No pH 5,97, que é o ponto médio entre 
os dois estágios (pK1 e pK2), a forma 
predominante é +H3N-CH2-COO-.
E assim definimos o pI ou ponto 
isoelétrico, que é o pH onde o Aa possui 
carga elétrica líquida igual a zero.
Titulação e carga elétrica líquida dos Aas: determinação do ponto isoelétrico
A carga elétrica líquida (total) de 
qualquer aminoácido varia com o pH.
No pH 5,97, que é o ponto médio entre 
os dois estágios (pK1 e pK2), a forma 
predominante é +H3N-CH2-COO-.
E assim definimos o pI ou ponto 
isoelétrico, que é o pH onde o Aa possui 
carga elétrica líquida igual a zero.
Reparem que em qualquer pH abaixo de 
seu pI a solução de glicina terá uma 
carga positiva e, em pH acima de seu PI, 
terá uma carga negativa.
Canto mais extremo o pH, maior a carga.
Titulação e carga elétrica líquida dos Aas: determinação do ponto isoelétrico
Todos os AAs que possuem apenas um grupo α-amino, um grupo α-carboxila e um grupo R 
não ionizável terá curva de titulação parecida com a da glicina.
AAs com grupos R ionizáveis (são 7 aas) possuem três estágios em suas curvas de 
titulação ácido-base: pK1, pK2 e pKR, sendo pKR o pKa do grupo R ionizável.
AAs diferem em suas propriedades ácido-base.
Curva de titulação da histidina, que possui grupo R ionizável
+
+
+
+
+
- - -
Resumo sobre Aas e suas propriedades:
* Aas com valor negativo tendem a ficar em ambiente aquoso; com valor positivo em ambiente hidrofóbico.
Tem no CCT: Química, a Ciência Central, 9ª edição. 
Autores: Brown, LeMay, Bursten e Burdge.
Capítulo 15: Equilíbrio químico, 
Cap 16: pH, 
Cap 17: Solução tampão. 
Caso queiram, dica de livro de química:
Fim