Aula2_AGUA_pH_Tampões

Prévia do material em texto

*
pH e Tampão
 Química básica de moléculas simples
 Ligações químicas
 A Química da Água  
 pH e sistema tampão
 Tamponamento do sangue
*
Água, pH e sistema tampão
Prof. Luciana Bastos Rodrigues
*
Uma revisão da química básica de moléculas simples
Os elementos que compõem a Terra e os sistemas vivos são numerosos, mas apenas quatro deles respondem por 99% da composição dos seres vivos. Esses elementos são o hidrogênio (H), o oxigênio (O), o nitrogênio (N) e o carbono (C)
*
Revisão de termos
Átomo  - a menor parte de um elemento que ainda conserva as propriedades do elemento. Consiste de um núcleo com carga positiva no interior de uma nuvem de elétrons carregados negativamente. As cargas "+" e "-" se atraem.
Próton - partícula do núcleo, possui carga positiva +1 e massa igual a 1 Dalton. 
Nêutron - partícula nuclear sem carga elétrica, com massa igual à do próton. 
Elétron - partícula carregada negativamente (-1), com massa igual a 1/1837 da massa do próton. 
*
Os elétrons determinam propriedades químicas dos elementos 
 Os elétrons estão fora do núcleo e determinam certas propriedades do átomo. 
 As reações químicas envolvem o compartilhamento ou a troca de elétrons. Os elétrons se movem em torno do núcleo em orbitais. 
 Elétrons podem ser transferidos de uma molécula para outra, carregando energia. 
 O oxigênio tem uma grande afinidade por elétrons. 
 Nas reações de óxido-redução, elétrons são transferidos de uma molécula (a que se oxida) para outra (a que se reduz). 
*
Ligações químicas
 O compartilhamento de elétrons leva à formação de uma ligação covalente. 
 As ligações contêm energia, e requerem energia para serem quebradas.
 A energia de ligação (expressa em kcal/mol) é a energia requerida para quebrar a ligação. 
 Por exemplo, uma ligação H-H requer 104 kcal/mol para ser rompida. 
Padrão de ligação dos elementos biologicamente mais importantes 
Elemento Número de Ligações 	Covalentes
H	 1
O	 2
N	 3
C	 4
S	 5
*
Ligações químicas e forças atrativas  
Ligações covalentes (Ligação FORTE !)
Uma molécula é composta por dois ou mais átomos ligados por uma ligação química. As moléculas podem conter diferentes tipos de ligações. Se os átomos estão compartilhando elétrons, a ligação entre eles é covalente. 
*
Ligações não-covalentes e outras forças fracas
São importantes nas estruturas biológicas 
 Ligações iônicas
 Pontes de hidrogênio
 Ligações de Van Der Waals
 Atrações hidrofóbicas
*
Ligações iônicas 
Numa molécula se um dos átomos doa elétrons para o outro, a ligação entre eles é iônica.
Átomos podem se ionizar para atingir um número estável de elétrons, perdendo ou ganhando elétrons. 
Por exemplo, o Na (sódio) pode doar um elétron para o Cl (cloro),  gerando os íons Na+ e Cl-. 
Ligações iônicas podem ocorrer entre os grupos carboxila (-COO-) e amino (-NH3+) de dois aminoácidos.
Em meio aquoso, essas ligações são muito fracas
*
Ligações não-covalentes e outras forças fracas 
(continuação) 
 Ligações (ou pontes) de hidrogênio - resultam da atração eletrostática entre um átomo eletronegativo (O ou N) e um átomo de hidrogênio que está ligado covalentemente a um outro átomo eletronegativo:    -N-H ----- O=C-- -O-H----- O=C-
*
Ligações não-covalentes e outras forças fracas
(continuação) 
 Ligações de Van Der Waals - são forças atrativas de curto alcance entre grupos químicos em contato. São provocadas por leves deslocamentos de carga.  
 Atrações hidrofóbicas - em meio aquoso, levam à associação entre grupos apolares. 
*
Energias das Ligações Químicas
Van der Waals
*
A Química da Água  
A molécula da água 
 A água tem uma estrutura molecular simples. 
 Ela é composta de um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio. 
 Cada átomo de hidrogênio liga-se covalentemente ao átomo de oxigênio, compartilhando com ele um par de elétrons. 
 O oxigênio também tem um par de elétrons não compartilhados. Assim, há 4 pares de elétrons em torno do átomo de oxigênio, dois deles envolvidos nas ligações covalentes com o hidrogênio e dois pares não-compartilhados no outro lado do átomo de oxigênio. O átomo de oxigênio é mais "eletronegativo" que o átomo de hidrogênio, ou seja, tem mais "afinidade" pelos elétrons. 
*
A polaridade da água 
 A água é uma molécula "polar", o que quer dizer que ela tem uma distribuição desigual da densidade de elétrons. 
 A água tem uma carga negativa parcial ( -) junto ao átomo de oxigênio, por causa dos pares de elétrons não-compartilhados, e tem cargas positivas parciais ( +) junto aos átomos de hidrogênio.
Uma atração eletrostática entre as cargas positivas parciais dos átomos de hidrogênio e a carga negativa parcial do átomo de oxigênio resulta na formação de uma ligação (ou "ponte“) de hidrogênio.
*
Solubilidade de compostos em água 
 A habilidade dos íons e de certas moléculas de se dissolver na água é devida à polaridade.
 Por exemplo, na ilustração abaixo o cloreto de sódio está mostrado na sua forma cristalina e também dissolvido em água. 
*
 O íon hidrogênio (H+) é o íon mais 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 deve estar em torno de 0,4nM (0,4x10-7)
 80mM de íons hidrogênio são ingeridos ou produzidos pelo metabolismo por dia.
Íon hidrogênio
*
Ácidos e Bases, Ionização da Água 
 em pH 7,0 a solução é neutra  
 em valores inferiores de pH , a solução é ácida  
 em valores superiores de pH, a solução é básica 
 Ácidos liberam H+
 Bases recebem H+
 O pH de uma solução é definido como o logaritmo negativo da concentração de íons hidrogênio.  pH = - log H+
Ácidos aumentam a [H+] de uma solução aquosa e bases a diminuem
*
*
Medidas de pH
Eletrométrico
Colorimétrico
pHmetro
Lavar o eletrodo e 
secar com papel absorvente
Padronização feita com soluções 
de pH abaixo e acima do que vai ser medido
Potenciômetro mede [H+]
diferença de potencial elétrico
entre duas soluções
indicadores
Indicador-H
 H+
+
Indicador
(Cor A)
(Cor B)
*
 
 
 
 
*
pH e sistema tampão
Revisão sobre pH 
Ácidos – substâncias capazes de doar prótons (H+)
Bases – substâncias capazes de receber prótons (H+)
Exemplos de ácidos:
	HCl 	 Cl- + H+
	H2SO4 	 HSO4- + H+
	H3C-COOH 	 H3C-COO - + H+
	NH4+ 	 NH3 + H+ 
*
Revisão sobre pH 
Ácido fraco – ioniza-se pouco HA A + H+
Equação de dissociação de um ácido:
HA  A + H+ onde A = base conjugada do ácido 
Ácido Forte – dissocia-se totalmente HA  A + H+
*
Um ácido fraco, em solução aquosa, resultará no equilíbrio químico entre as espécies HA, A e H+
 
A constante de equilíbrio (Keq) desta dissociação – Também chamada K a
 K eq = [A] [H+]
 [HA]
 
*
Sistema tampão
Um sistema tampão é constituído por um ácido fraco e sua base conjugada HA A + H+
Quando se adiciona um ácido forte na solução de ácido fraco
 HA  A + H+
HA A H+ A H+
*
pH e sistema tampão
Quando se adiciona um álcali (BASE) na solução de ácido fraco
 BOH  B + OH-
*
A eficiência de um tampão está restrita a uma faixa de pH
Equação de Henderson-Hasselbach 
 relaciona a Keq (Ka), [Ácido] e [Base conjugada]
*
Equação de Henderson-Hasselbach 
pH = pKa + log [A]
		 [HA] 
*
A eficiência de umtampão está restrita a uma faixa de pH
pKa = pH que provoca 50% de dissociação do ácido 
[HA] = [A]
A eficiência máxima de um tampão é no pH correspondente a seu pKa
*
*
Significado Clínico dos Níveis de pH
 O que é a acidose ou a alcalose metabólica ?
 Como ocorrem estas alterações ? 
 Quais são os mecanismos compensatórios do organismo?
 Quais as opções de tratamento? 
*
				
	Homeostasia é a constância do meio interno 
pH 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 sanguíneo, dentro da normalidade, ou seja manter a homeostasia .
pH do Sangue Arterial
7,4
7,0
7,8
Faixa de sobrevida
Acidose
Alcalose
pH normal
*
Aumento da [H+]
7,4
Acidose
Alcalose
Queda do pH
Acúmulo de ácidos
Acúmulo de bases
Perda de ácidos
Perda de bases
Diminuição da [H+]
Escala de pH
Aumento do pH
Alterações no pH
*
O íon bicarbonato é o principal responsável pelo tamponamento do sangue humano.  
 
 
 
Como se forma o íon bicarbonato ?
*
Como se forma o íon bicarbonato no sangue
No metabolismo os compostos são oxidados no interior da célula
Composto + O2 CO2 + H2O 
*
A velocidade de formação de H2CO3 a partir de CO2 e H2O, que normalmente é lenta, é muito aumentada pela enzima anidrase carbônica, encontrada nas hemácias 
Anidrase Carbônica 
*
CO2 + H2O H2 CO3 H+ + HCO3 -
O bicarbonato, HCO3-, está em equilíbrio com CO2 e H2CO3 (ácido carbônico) 
H2CO3 é um ácido fraco com pKa igual a 6,14
H2CO3 degrada-se em HCO3- e H+
*
Tampões biológicos 
A capacidade de tamponamento (ou "poder tampão") é uma propriedade importante em sistemas biológicos, para os quais uma alteração rápida de pH pode ter conseqüências desastrosas. 
O Bicarbonato, HCO3-, (pka 6,14) mantém o pH do sangue numa "faixa segura" compreendida entre 7,35 e 7,45, resistindo às variações de pH para cima ou para baixo desses valores.
*
Alterações para valores ácidos (i.e., abaixo de 7,35) são particularmente prováveis, tendo em vista a variação na produção, pelo metabolismo, de ácidos como o láctico, o pirúvico, o acético, etc. 
Durante o exercício físico intenso o pH do sangue periférico pode ir a valores inferiores a 7,0 (pois forma-se ácido lático).
Acidose leve
*
O que acontece na Acidose leve ?
pH <
Com a expiração de CO2 o pH do sangue volta ao normal
*
Na acidose metabólica aguda (ex. por ingestão de grandes quantidades de ácido) a capacidade tamponante do sangue pode não ser suficiente. 
Neste caso pode ser necessário administrar infusão de bicarbonato.  
Acidose aguda
pH <
CO2 + H2O H2 CO3 
*
Alcalose 
Ingestão de um álcali 
Episódios de vômitos repetitivos (remoção de ácido do corpo)
Hiperventilação (respirar intensamente)
Aumento do pH do sangue (ex. pH 7,55) 
*
Um homem de 19 anos chega à sala de emergência com os seguintes 
valores de gases no sangue:
Os acompanhantes relatam que ele estava "tentando estabelecer o novo
recorde mundial de segurar a respiração embaixo d'água", mas não conseguiu.
Aí ele hiperventilou por 15 minutos. 
 
Alcalose Respiratória 
*
O que aconteceu ?
*
Quais as opções de tratamento? 
Colocar um saco de papel sobre a cabeça do rapaz para ele ficar respirando dentro do saco
Alternativa mais elegante:
Colocar no rapaz uma máscara de oxigênio NÃO ligada ao bujão de oxigênio e deixá-lo respirar
Pulmão
O rapaz irá inspirar mais CO2 
*
Espero que vocês tenham entendido a importância do sistema tampão do sangue (ação do bicarbonato)
No interior das células as proteínas e o tampão fosfato (pKa = 6,8) exercem efeito tamponante
*
O organismo utiliza três mecanismos para 
controlar o equilíbrio ácido-básico do sangue 
 O excesso de ácido é excretado pelos rins, principalmente sob a forma de amônia. Os rins possuem uma certa capacidade de alterar a quantidade de ácido ou de base que é excretada, mas, geralmente, esse processo demora vários dias. 
 Em segundo lugar, o corpo utiliza soluções tampão do sangue (Tampão Bicarbonato)
 Terceiro mecanismo de controle do pH do sangue envolve a excreção do dióxido de carbono, a quantidade de dióxido de carbono que é expirado através do controle da velocidade e profundidade da respiração.