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Bioquímica pH, tampões homeostase ácidobase Outubro/2013 Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Os organismos vivos são estruturalmente complexos e diversificados. Todavia, muitas características são comuns a todos eles. Todos fazem uso das mesmas espécies de moléculas e extraem a energia do meio ambiente para as suas funções. Quando as moléculas que compõem os seres vivos são isoladas, estão sujeitas a todas as leis da química e da física que regem o universo não vivo. IntroduçãoIntrodução Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Composição Química dos Seres Vivos • Principais átomos : C, H, O, N, P, S. • Principais Moléculas/Substâncias: Substância Representatividade Água 70% a 80% Proteínas 10% a 15% Lipídios 2% a 3% Carboidratos 1% Ácidos nucléicos 1% Sais Minerais 1% Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira A quase totalidade das reações químicas que ocorre nos seres vivos são catalisadas por enzimas – proteínas com funções catalíticas. As reações celulares, conhecidas coletivamente como metabolismometabolismo, resultam de atividades altamente coordenadas. IntroduçãoIntrodução Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira As funções básicas do metabolismo celular são: (1)obtenção e utilização de energia (1)síntese de moléculas estruturais e funcionais, (3) crescimento e desenvolvimento celular (4) remoção de produtos de excreção. MetabolismoMetabolismo Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira � Proteínas aminoácidos � Carboidratos monossacarídeos � Lipídios � Ácidos Nucléicos nucleotídeos Classes importantes de Classes importantes de BiomoléculasBiomoléculas Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Grupos funcionais nas Grupos funcionais nas biomoléculasbiomoléculas Proteínas:Proteínas: mais versáteis mais versáteis São polímeros de aminoácidos Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira São poliidroxialdeídos ou poliidroxicetonas ou substâncias que liberam estes por hidrólise Grupos funcionais nas Grupos funcionais nas biomoléculasbiomoléculas Glicídeos:Glicídeos: energéticos e reconhecimento celular energéticos e reconhecimento celular Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Grupos funcionais nas Grupos funcionais nas biomoléculasbiomoléculas Lipídeos: Lipídeos: forma de armazenamento de energia e servem como forma de armazenamento de energia e servem como barreirabarreira �Grupo heterogêneo de compostos Ex: Triglicerídeo Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Grupos funcionais nas Grupos funcionais nas biomoléculasbiomoléculas Ácidos Nucléicos: Ácidos Nucléicos: informação das célulasinformação das células São polímeros de nucleotídeos Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Biomoléculas polares, apolares e Biomoléculas polares, apolares e anfipáticas.anfipáticas. Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Variação da distribuição de água nos Variação da distribuição de água nos organismosorganismos �ESPÉCIE Águaviva 98% do peso corporal Sementes 10% do peso corporal 5565% do peso corporal Homem Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Variação da distribuição de Variação da distribuição de água nos organismoságua nos organismos �IDADE �SEXO 94% do peso corporal 69% do peso corporal 5565% do peso corporal 55 a 65% do peso corporal 45 a 55% do peso corporal Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira �Taxa metabólica: a quantidade de H20 é diretamente proporcional à esta taxa nas ≠ células: Variação da distribuição de água Variação da distribuição de água nos organismosnos organismos 80% de água 50% de água Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Funções da ÁguaFunções da Água � Solubilização/Organização de moléculas � Transporte de Substâncias � Participa de reações químicas: � Termorregulação � Lubrificante ATP + H2O ADP + Pi C6H12O6 + 6 O2 6CO2 + 6 H2O Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira � Equilíbrio Osmótico � Equilíbrio ÁcidoBase Funções da ÁguaFunções da Água Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Ligações Químicas estabilidadeLigações Químicas estabilidade As biomoléculas (proteínas, carboidratos, lipídeos e ác nucleicos), em sua maioria, são ESTÁVEIS porque são construídas com FORTES LIGAÇÕES COVALENTES. Contudo, a estrutura e a função da célula são ESTABILIZADAS por INTERAÇÕES FRACAS. Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Interações nãocovalentesInterações nãocovalentes As interações não-covalentes são geralmente eletrostáticas; elas ocorrem entre o núcleo positivo de um átomo e a nuvem eletrônica de outro átomo adjacente. De modo diferente das ligações covalentes, as interações não-covalentes são individualmente fracas e facilmente rompidas. Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Interações nãocovalentesInterações nãocovalentes Nos organismos vivos, as interações não covalentes mais importantes são: pontes de hidrogênio, interações iônicas, interações hidrofóbicas e interações de Van der Waals. Os grupamentos não-polares das biomoléculas são insolúveis em água, pois as interações entre as moléculas de água são mais fortes que as interações da água com compostos não−polares. Os compostos não−polares tendem a se aglomerar em água (efeito hidrofóbico, do grego “que teme a água”). As interações hidrofóbicas são as principais forças propulsoras no enovelamento de macromoléculas (exemplo, proteínas). Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira � O íon hidrogênio (H+) é o íon + importante nos sistemas biológicos. �A [H+] nas células e líquidos biológicos influencia a velocidade das reações químicas, a forma e função das enzimas, assim como, de outras proteínas celulares e a integridade das células. �A [H+] nas células e líquidos biológicos corresponde a um pH em torno de 7,35-7,45 →45 nEq/L – 35nEq/L � [H+] = 80mM são ingeridos ou produzidos pelo metabolismo por dia. Íon hidrogênioÍon hidrogênio Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Potencial hidrogeniônico (pH)Potencial hidrogeniônico (pH) A [H+] de uma solução é quantificada em unidades de pH. O pH é definido como o logarítmo negativo da [H+] . pH = -log [HpH = -log [H++]] Pela lei da ação das massas da equação de ionização da água, sabemos que: pH + pOH = 14 A escala de pH varia de 1 até 14, uma vez que qualquer [H+] está compreendida na faixa de 100 a 10-14. Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Modificação do pH da águaModificação do pH da água devido a adição de devido a adição de ácidoácido e e basebase fortes fortes HCl NaOH H2O H2OOrganizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira � Método Eletrométrico Uso de peagâmetro �Método Colorimétrico Uso de indicadores Indicador-H H+ + Indicador(Cor Ácida) (Cor Básica) Medidas de pHMedidas de pH Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Existem substâncias que alteram Existem substâncias que alteram a quantidade de íons Ha quantidade de íons H++?? Ácidos e bases Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Ácidos e bases Organizadopela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Conceito de ArrheniusConceito de Arrhenius: Ácido é toda substância que em solução aquosa libera como cátion o íon hidrônio (H+). Ex.: HCl + H2O ↔ H3O+ + Cl- Base é toda substância que em solução aquosa se dissocia liberando ânion hidroxila (OH-). Ex.: NaOH + H2O ↔ Na+ + OH- Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Conceito de Lewis:Conceito de Lewis: Ácido é quem recebe um par de elétrons. Base é quem doa um par de elétrons • NH3 + H + → NH4+ Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Equação de HendersonHasselbalchEquação de HendersonHasselbalch Equilíbrio de ionização: HA H+ + A- Constante de Equilíbrio: Ka= [H+] [A-]/[HA] (Lei da ação das massas) Se, - log [H+] = pH e – log Ka = pKa, temos: Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Esta equação apresenta um modo conveniente para o estudo do inter- relacionamento do pH de uma solução, o pKa do ácido fraco e as quantidades relativas de ácido conjugado e base conjugada presentes. Nos casos onde a concentração molar de ácido conjugado é igual a da base conjugada ([HA] = [A−]), a relação [A−]/ [HA] é igual 1. Como o logaritmo de 1 é zero: pH da solução é igual ao valor do pKa do ácido fraco. Equação de HendersenEquação de Hendersen HasselbalchHasselbalch Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Vamos aplicar a Equação de Vamos aplicar a Equação de HendersenHasselbalch?HendersenHasselbalch? Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Homeostasia é a constância do meio interno pH x homeostasiapH x homeostasia � equilíbrio entre a entrada ou produção de íons hidrogênio e a livre remoção desses íons do organismo. � o organismo dispõe de mecanismos para manter a [H+] e, conseqüentemente o pH sangüíneo, dentro da normalidade, ou seja manter a homeostasia . Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira pH x homeostasiapH x homeostasia ���� pH do sangue humano é 7,4. Um desvio de +/- 0,5 unidade pode resultar em coma ou morte. pH do Sangue Arterial 7,47,0 7,8 Faixa de sobrevida Acidose Alcalose pH normal Por que é tão vital manter o pH apropriado??? Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira pH dos Líquidos CorporaispH dos Líquidos Corporais Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira TampõesTampões Soluções formadas por um ácido fraco e sua base conjugada ou por uma base fraca e seu ácido conjugado Tampão + H+ H+Tampão Tampão H+ + OH- H2O + Tampão Um tampão resiste às variações no pH por conter tanto ácidos para neutralizar os íons OH- quanto bases para neutralizar os íons H+. PAR ÁCIDO-BASE CONJUGADO CH3COOH / CH3COO- NH4+ / NH3ou Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Preparo Mistura de um ácido fraco ou uma base fraca com um sal do ácido ou da base. Composição e ação das soluçõestampãoComposição e ação das soluçõestampão Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira HX (aq) H+ (aq) + X- (aq) Ka = [H+] [X-] [HX] Composição e ação das soluções-tampãoComposição e ação das soluções-tampão Considerando-se um ácido fraco: Ka [HX] [X-] [H+] = Adição de bases ao tampão - Íons OHAdição de bases ao tampão - Íons OH-- HX (aq) H2O (l) + X- (aq)OH- (aq) + [HX] [X-] Quantidades de HX e X- no tampão são grandes comparadas com a quantidade de OH- adicionada, por isso a razão [HX] / [X-] não varia muito, tornando a variação no pH pequena. E para adição de ácidos ao tampão - Íons H+???E para adição de ácidos ao tampão - Íons H+??? Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Os tampões resistem melhor às variações de pH em qualquer sentido quando as concentrações de ácido fraco e base conjugada são aproximadamente as mesmas. Quando as concentrações de ácido fraco e base conjugada são iguais, [H+] = Ka. Geralmente tentamos selecionar um tampão cuja forma ácida tem pKa próximo do pH desejado. Ka [HX] [X-] [H+] = Composição e ação das soluções-tampãoComposição e ação das soluções-tampão Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Exemplos de Mecanismos de Exemplos de Mecanismos de Ação dos TampõesAção dos Tampões Adição de ácido CH3COOH + CH3COONa+HCl 2CH3COOH + NaCl CH3COOH + CH3COONa Adição de base NaOH 2CH3COONa + H2O+ Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Capacidade tamponante do par Capacidade tamponante do par ácido fraco e sua base conjugadaácido fraco e sua base conjugada O sistema é capaz de absorver tanto H+ como OH− por meio da reversibilidade da dissociação do ácido. O doador de prótons (ácido fraco), contém uma reserva de H+ ligado que pode ser liberada para neutralizar a adição de OH− ao sistema resultando na formação de água. De forma semelhante, a base conjugada (A−-), pode reagir com os íons H+ adicionados ao sistema. Assim, o par ácido−base conjugado resiste às variações de pH quando quantidades relativamente pequenas de ácido ou base são adicionadas à solução. Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira CAPACIDADE DE TAMPÃO E pHCAPACIDADE DE TAMPÃO E pH CAPACIDADE: É a quantidade de ácido ou base que um tampão pode neutralizar antes que o pH comece a variar a um grau apreciável. Está relacionada à quantidade de ácido e base da qual o tampão é feito. pH: Depende do Ka do ácido e das concentrações relativas de ácido e base. Para o par ácido acético/acetato (pKa = 4,76) o tamponamento efetivo situa-se entre pH 3,76 e 5,76. Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Tampões FisiológicosTampões Fisiológicos Os três tampões mais importantes no corpo humano são: tampão bicarbonato, o tampão fosfato e o tampão de proteínas e hemoglobina. Cada um está adaptado para solucionar problemas fisiológicos específicos do organismo. Assim, os principais sistemas tampões presentes no organismo, que permitem a manutenção da homeostasia, são: � sistema bicarbonato � sistema fosfato � proteínas � hemoglobina Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Tampão BicarbonatoTampão Bicarbonato O dióxido de carbono é ajustado por alterações na velocidade da respiração. Enquanto, o teor de bicarbonato é regulado pelos rins. bicarbonato/ácido carbônicobicarbonato/ácido carbônico Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Tampão FosfatoTampão Fosfato Consiste de um ácido fraco/base conjugada HConsiste de um ácido fraco/base conjugada H22POPO44−−/HPO/HPO44 2−2− As proteínas apresentam uma grande capacidade tamponante. Compostas de aminoácidos ligados entre si por ligações peptídicas, as proteínas contêm vários grupos ionizáveis nas cadeias laterais que podem doar ou aceitar prótons. Tampão de ProteínasTampão de Proteínas Tampão de HemoglobinaTampão de Hemoglobina H2O + CO2 H2CO3 H+ + HCO3- (Anidrase carbônica) HbO2 + H+ HHb+ + O2 Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Equilíbrio Ácido BásicoEquilíbrio Ácido Básico O equilíbrio ácido-básico é um estado de equilíbrio dinâmico entre fluidos biológicos e tecidos. A redução do pH é denominada ACIDOSE e o aumento ALCALOSE RIM: eliminação de H+ PULMÃO: eliminação de CO2 Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira SANGUE COMO UMA SOLUÇÃO-TAMPÃOSANGUE COMO UMA SOLUÇÃO-TAMPÃO � Sistema tampão usado para controlar o pH no sangue. SISTEMA TAMPÃO ÁCIDO CARBÔNICO-BICARBONATO � H2CO3 / HCO3- : são um par ácido fraco/base conjugado.Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Regulação do pH sanguíneoRegulação do pH sanguíneo Sistema Tampão: ácido carbônico - bicarbonato H2CO3 / HCO3- H+(aq) + HCO3-(aq) H2CO3(aq) H2O(l) + CO2(g) A remoção de CO2(expiração) desloca o equilíbrio para a direita, consumindo íons H+. Assim, o tampão tem alta capacidade para neutralizar a adição de ácido. Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira A interpretação da gasometria arterial, para a identificação de distúrbios do equilíbrio ácido-base é feita em etapas sucessivas: * Verificação do pH; * Verificação da PCO2; * Verificação das bases (bicarbonato); * Verificação da diferença de bases (excesso ou déficit). Gasometria arterialGasometria arterial Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira 1 2 3 4 Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Sistema de Sistema de compensaçãocompensação ao desequilíbrio ácido ao desequilíbrio ácido base:base: 1.Tampões químicos: 2. Mecanismos respiratórios: Acidose – estimula a ventilação para eliminar CO2 Alcalose – deprime a ventilação, acumulando CO2 3. Mecanismo renal: Acidose – estimula a secreção de H+/ reabsorção renal de HCO3- Alcalose – ↓ a secreção de H+/ ↑ a liberação HCO3- na urina. Acidose – ↓ [HCO3-] e ↑ [H2CO3] Alcalose – ↑ [HCO3-] e ↓ [H2CO3] Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Normal Acidose respiratório descompensada Acidose respiratório parcialmente compensada Bicarbonato 24 mEq/L 24 mEq/L 38 mEq/L Ác. Carbônico 1,2 mEq/L 2,7 mEq/L 2,7 mEq/L Bicarbonato/Ác. Carbônico 20:1 8,8:1 14:1 pCO2 40 mmHg 90 mmHg 90 mmHg pH 7,4 7,2 7,32 Normal Alcalose respiratória descompensada Alcalose respiratória parcialmente compensada Bicarbonato 24 mEq/L 24 mEq/L 20 mEq/L Ác. Carbônico 1,2 mEq/L 0,6 mEq/L 0,6 mEq/L Bicarbonato/Ác. Carbônico 20:1 40:1 33,3:1 pCO2 40 mmHg 20 mmHg 20 mmHg pH 7,4 7,55 7,50Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Normal Acidose metabólica descompensada Acidose metabólica parcialmente compensada Bicarbonato 24 mEq/L 15 mEq/L 15 mEq/L Ác. Carbônico 1,2 mEq/L 1,2 mEq/L 0,75 mEq/L Bicarbonato/Ác. Carbônico 20:1 12,5:1 20:1 pCO2 40 mmHg 40 mmHg 25 mmHg pH 7,4 7,2 7,3 Normal Alcalose metabólica descompensada Alcalose metabólica parcialmente compensada Bicarbonato 24 mEq/L 38 mEq/L 34,5 mEq/L Ác. Carbônico 1,2 mEq/L 1,2 mEq/L 1,35 mEq/L Bicarbonato/Ác. Carbônico 20:1 31,6:1 25,6:1 pCO2 40 mmHg 40 mmHg 45 mmHg pH 7,4 7,6 7,55Organizado pela Profa Dra Luciana Lopes Silva Pereira Referências Bibliográficas KATZUNG, B.G. Farmacologia Básica e Clínica. 10ª edição. Rio de Janeiro: MacGraw-Hill. 2010, 1003p. LEHNINGER, A. L.; NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de Bioquímica. 4ª edição. São Paulo: Sarvier, 2004, 1119p. MOTTA, V. T. Bioquímica Básica. EDUCS. 2005, 374p. MURRAY, R. K. et al. Harper’s Illustrated Biochemistry. 27ª edição. MacGraw-Hill Companies, 2006. STRYER, L. et al. Bioquímica Fundamental, 2011
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