SLIDE 01 Água em sistemas Biológicos

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Água em sistemas biológicos
“Eu acredito que à medida que os métodos de química estrutural
forem aplicados a problemas fisiológicos, descrobriremos que a
importânica das pontes de hidrogênio para a fisiologia são maiores
do que qualquer outra característica estrutural.”
—Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 1939
• Contribui para formas/funções das moléculas 
biológicas;
• Atua como meio e transporte na maioria das reações 
bioquímicas;
• Participa ativamente em muitas reações;
• Sofre oxidação para produção de O2 na fotossíntese 
(conversão da energia solar em uma forma química 
utilizável).
Água como solvente em sistemas biológicos
A molécula de água é central para a bioquímica
Água como solvente em sistemas biológicos
Água é essencial aos organismos. Primeiros organismos vivos se desenvolveram na 
água. A conquista do ambiente terrestre é recente na história evolutiva.
A estrutura e assim a função de enzimas
como a luciferase (representada ao lado) é
estritamente dependente do solvente em
que está dissolvida.
Molécula de DNA e sua camada de hidratação
Porção do citoplasma com 3 tipos de
filamentos: microtúbulo (centro),
filamentos intermediários e dois filamentos
de actina.
Replicação do DNA.
Enzima DNA polimerase no centro. DNA
entrando uma uma fita abaixo e saindo
como duas acima (mostradas em branco).
Fibras de cromatina mostradas em cada
lado da forquilha de replicação.
Citoplasma
Núcleo
Água é ainda mais importante devido a superlotação intracelular
Propriedades físicas da água
• Estrutura tetraédrica
• Molécula polar
Água – físico-química
Pontes de H são mais fortes em
ângulos retos
-= -0,66e
+= +0,33e
Distância mais curta 
que a prevista pelo 
raio de van der 
Waals
Ponte de hidrogênio: Tipo especial de interação dipolo-dipolo entre um átomo de
hidrogênio em uma ligação polar como N-H, O-H e F-H e um átomo eletronegativo O, N ou
F.
Hidrogênio é o único elemento a usar elétrons da camada 1s para interação. Quando um
elemento mais eletronegativo atrai esse elétron, o próton fica exposto, o que favorece a
atração pelo par de elétrons livre do aceptor de ponte de H.
Pontes de hidrogênio
Potencial para 4 pontes de H/molécula
Cada molécula atua como
doador (2x) e aceptor (2x) de
pontes de H.
Energia de ligação de
~20kJ/mol (união faz a força).
Ligação C-C 348 kJ/mol
Duração média de 1 ponte de
H = 1 x 10-9s a 25°C
A 25°C, em média 3,4
ligações/molécula de H2O.
A 0°C, 4 ligações/molécula de
H2O
Água a 0°C
Anéis de 6 moléculas
Expansão do volume
Redução da densidade
Pontes de hidrogênio dão a água suas propriedades pouco convencionais
Entropia e entalpia de transição de fase
Cristais de gelo causam ruptura de
membranas e consequentemente
lise celular.
Estrutura
bipiramidal
hexagonal
Semente de cristal de gelo
O gelo como um problema para os organismos
Mar Drugs. 2013 Jun; 11(6): 2013–2041.
Pseudopleuronectes americanos
Solha-de-inverno
Doador de ponte de H!Face hidrofóbica
Peptídeos anticongelantes recobrem a semente de gelo 
e expõem uma face hidrofóbica que impede o 
recrutamento de outras moléculas de H2O.
Anti-freezing peptides!
O gelo como um problema para os organismos
Pontes de hidrogênio importantes em biomoléculas
Entre hidroxilas e água em carboidratos
Em peptídeos
Pontes de hidrogênio importantes em biomoléculas
Na estrutura do DNA
Ligações T-A são
mantidas por 2
pontes de H
Ligações G-C são
mantidas por 3
pontes de H
O DNA de bactérias hipertermofílicas tem maior conteúdo 
de G-C. Mais difícil a desnaturação.
Pyrolobus fumarii – temperatura ótima de 106°C
Aumento da hidrofobicidade
de resíduos de aminoácidos 
hidrofóbicos no core protéico.
Adaptações moleculares para 
suportar temperaturas elevadas.
Hipertermófilos
Dissolução de solutos carregados
Cargas são parcialmente neutralizadas!
Aumento da entropia do sistema (S>0)
Água tem constante dielétrica alta devido o número de dipolos presentes.
Onde F= força, Q1 e Q2, as cargas,  = cte dielétrica, r = distância 
entre cargas.
Solubiliza bem e cria ligações soluto-solvente para grupos protonados (COO-, NH3+)
Moléculas apolares em água
Interação de H2O com solutos apolares
A dissolução de compostos apolares em água é 
desfavorável devido o fator entrópico resultante 
da odernação da água em torno de solutos 
apolares, o que gera os clatratos. Moléculas de 
H2O em clatratos mantém as pontes de H por 
mais tempo (como se estivessem com 
temperatura mais baixa que o bulk da solução) e 
são menos móveis. 
Forças de 
van der 
Walls
H<0, S<0 
Moléculas anfifílicas
Minimização da superfície de contato entre água e a
porção hidrofóbica das moléculas faz com que moléculas
anfifílicas formem micelas ou bicamadas
É o efeito hidrofóbico que gera estas estruturas e 
estas são estabilizadas por forças de van der Walls
Moléculas anfifílicas
Preparação de bicamadas lipídicas é 
energeticamente favorável
Processo 
espontâneo (G<0)
Solvatação de biomoléculas e água estrutural
Água estrutural, 
intimamente 
associada à 
estrutura da 
Hemoglobina. 
Sítios de ligação 
na superfície da 
proteína.
Liberação de 
moléculas de 
água ordenadas 
favorecem a 
formação de 
complexos, com 
aumento de 
entropia (S>0). 
Entropy-driven
reactions.
Hemoglobina com água
Hemoglobina sem água
Água estrutural pode participar do mecanismo de catálise
Água no interior da enzima
participa efetivamente do
ciclo
Hidrólise da amida (ligação peptídica)
Propriedades coligativas: pressão de vapor, ponto de ebulição, ponto de fusão e 
pressão osmótica.
Variações nessas propriedades tem a mesma base: concentração de água em 
soluções é menor que na água pura.
Solutos afetam as propriedades coligativas da água
Independe das propriedades químicas 
do soluto, dependendo somente de 
concentração.
Células e a pressão Osmótica
Osmose é o movimento de água por uma membrana semi-permeável dirigida por
diferenças na pressão osmótica
A pressão osmótica é a definida como a força necessária para prevenir o movimento de
água. Quanto maior a concentração de solutos na célula, maior a pressão osmótica.
, ic = osmolaridade da solução
Constante dos gases
Temperatura
c = concentração
i = tendência à ionização{
Depende do número de solutos 
e não de sua massa.
Macromoléculas tem mesmo 
efeito que micromoléculas na 
osmolaridade.
Osmolaridade do meio x célula
Meio isotônico, hipertônico e hipotônico
Hemácias em meio 
isotônico
Hemácias em meio 
hipertônico
Hemácias em meio 
hipotônico
Solução salina = 0,9% NaCl
As células da maioria das 
plantas e bactérias é 
revestida de uma parede 
celular rígida capaz de 
suportar a pressão osmótica 
gerada no interior.
Dionaea muscipula responde a 
um leve toque de um inseto, 
sequestrando-o para digestão, 
provavelmente, devido a 
mudança de pressão nas células 
mesófilas que promovem a 
liberação de íons K+ e resulta no 
efluxo de água, por osmose.
Adaptações comuns em organismos
Ruptura do equilíbrio osmótico por peptídeos antimicrobianos
Peptídeos helicoidais anfifílicos
Ruptura do equilíbrio osmótico de E. coli leva ao influxo de água, turgor e posterior lise 
com morte celular.
Difusão
Sistema separado por uma membrana semi-permeável
Movimento de uma região de alta concentração para uma de baixa concentração
Movimento até igualar a concentração de soluto permeável em ambos os sistemas
Atinge-se o equilíbrio químico
A diálise é uma técnica importante para troca de solvente 
de amostras em um laboratório de bioquímica
Keq = [H3O
+][OH-] 
[H2O]
= 1.0 10-14 = Kw 
ou
[H3O
+][OH-] = 1.0 10-141,8.10-16 M (55,5 M) = [H3O
+][OH-] 
2 H2O H3O
+ OH-
A água pura é levemente ionizada
Experimental!
Molaridade da água
pH 7
pH 2 pH 13
pH em função da concentração de H+ e OH-
Ácidos fracos
Ácidos fracos (não ionizam completamente em água) são interessantes para a bioquímica
Conjugado ácido-base: doador e aceptor de próton correspondentes:
Ex: CH3COOH  CH3COO
- + H+ (Ác. Acético e acetato)
Curvas de titulação revelam o pKa de ácidos fracos
Adição de uma base forte (OH-), retira H+
formando H2O. Com a retirada de H
+, mais
HAc dissocia para H+ e Ac-, liberando H+ e
contrabalançando a adição de OH-. Isso
ocorre até o consumo completo do ácido
acético, que ocorre em pH 7. Após isso,
somente o equilíbrio Kw é válido.
Considere a titulação de 0,1M de Ác.
Acético HAc com 0,1M de NaOH.
2 equilíbrios reversíveis
-
10 -5 M
Tamponamento
O tamponamento é a
consequência e duas
reações reversíveis
simultâneas e que
atingem seu equilíbrio
de acordo com as
constante Kw e Ka.
Curvas de titulação revelam o pKa de ácidos fracos
Ácidos e seus pares conjugados
podem servir como tampões.
Tampões são soluções que
resistem à variação de pH
quando pequenas quantidades
de ácidos e de bases são
adicionadas a uma solução.
A faixa de tamponamento é
sempre uma unidade abaixo e
uma acima do pKa do ácido.
A forma da curva é igual para
todos os tampões e é dada pela
equação de Henderson-
Hasselbach.
Pepsina: enzima digestiva que metaboliza proteína no suco gástrico.
Tripsina: enzima digestiva que metaboliza proteína no intestino delgado.
Lisozima: encontrada no olho e muco, hidrolisa ligações glicosídicas (p.e. 
do peptideoglicano da parede celular de bactérias).
Influência do pH na atividade enzimática
A equação de Henderson-Hasselbach
Resolvida para H+
Tirando –log de ambos os lados:
O que equivale a:
Que de maneira geral:
, que corresponde a constante de equilíbrio de um ácido fraco
Dada a equação,
Usando a equação de Hasselbalch, podemos calcular a razão do par 
ácido/base conjugada em qualquer pH quando conhecemos o pKa. Por 
exemplo, se queremos um pH 8,2 para um tampão H2PO4
- e HPO4
2-, 
podemos calcular a razão. 
pKH2PO4- = 7,20
Exemplo de aplicação de Henderson-Hasselbach
Calcule o pH de uma 1L de solução contendo 0,1M de ácido fórmico (pKa = 3,75) e 0,1M de
formato de sódio antes e depois da adição de 1mL de NaOH 5M. Em quanto o pH da solução
seria alterado caso o NaOH fosse adicionado a 1L de água pura?
Exemplo de aplicação de Henderson-Hasselbach
Você quer testar a atividade de enzimas lisossomais,
organela cujo pH é 5. Se você tiver preparado 1L de tampão
acetato 10mM pH 4,76, quanto de NaOH 1M você deve
colocar para elevar o pH para 5?
Escolhendo um tampão
• Nos organismos existem alguns 
mecanismos para evitar que ocorram 
variações bruscas no pH. Estes 
mecanismos são de ordem 
fisiológica, química ou ambos. 
• Os de natureza fisiológica estão 
relacionados a alguns órgãos como os 
pulmões ou rins que eliminam 
substâncias indesejáveis ou em 
excesso, ácidas ou bases, e reservam 
outras, dependendo da necessidade 
momentânea do indivíduo. 
• Os de ordem química são aqueles 
relacionados à substâncias químicas 
que se encontram dissolvidas no 
plasma, líquido intersticial ou líquido 
intracelular e que agem como 
tampões biológicos evitando a 
variação do pH.
Tampões 
biológicos
Químico
Fisiológico
Sistema 
respiratório Sistema 
renal
Mecanismos regulatórios do pH fisiológico
Anidrase carbônica: enzima 
representativa que catalisa a 
hidratação do CO2 dissolvido ao 
íon HCO3
- e H+ (via H2CO3).
Anidrase carbônica
10.2210/pdb1ca2/pdb
Tampões biológicos e pH fisiológico
O sistema H2PO4
-/HPO4
2-
constitui-se em um efetivo 
tampão que atua 
principalmente a nível celular 
e que apresenta grande 
importância no sistema renal 
Plasma sanguíneo: bicarbonato/gás carbônico
Citoplasma das células/fluidos extracelulares
fosfato diácido/fosfato monoácido
Tampão fosfato e bicarbonato
Tampão bicarbonato no sangue
Produção de prótons
mediante atividade
metabólica desloca os
equilíbrios para a produção
de CO2 gasoso, o qual é
expelido pelos pulmões.
• Distúrbios no sistema tamponante do sangue podem levar a condições 
conhecidas como acidose (≤ pH 7,1) ou alcalose (pH ≥ 7,4).
• As concentrações de CO2 e HCO3
- podem ser reguladas pelo sistema 
respiratório e rins, respectivamente. O tampão bicarbonato mantém o 
pH do sangue numa faixa compreendida entre 7,35 e 7,45,
resistindo às variações de pH para cima ou para baixo desses valores. 
Tampão bicarbonato no sangue
Acidose metabólica devido a distúrbios genéticos
Metilmalonil-CoA Mutase
X
Acúmulo
• Acúmulo de ácido metilmalônico leva a acidez 
metabólica
• Tratamento com bicarbonato de sódio oral ou 
venoso