VIDA - Cap 02-b

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apoIares com hidrogênio (eletronegatividade 2,1). A molécula de
hidrocarboneto resultante - molécula com somente átomos de hi-
drogênio e carbono - é apoIar, e na água tende a se agregar com
outras moléculas apoIares mais do que com a água polar. Taismo-
léculas apoIares são chamadas de hidrofóbicas ("odeiam a água")
e as interações entre elas são chamadas de interaçães hidrofóbicas.
É importante compreender que as substâncias hidrofóbicas
não"odeiam"realmente a água: podem formar interações fracas,
uma vez que as eletronegatividades de carbono e hidrogênio não
são exatamente as mesmas. Mas essas interações são muito mais
fracas do que as pontes de hidrogênio entre as moléculas de água,
então as substâncias apoIares se mantêm entre si.
As interações hidrofóbicas entre substâncias apoIares aumen-
tam por forças de van der Waals, que ocorrem quando dois áto-
mos de uma molécula apoIar estão muito próximos. Essas breves
interações resultam de variações aleatórias na distribuição ele-
trônica em uma molécula, o que cria uma distribuição de cargas
opostas na molécula adjacente. Embora uma única interação de
van der Waals seja breve e fraca em um dado lugar, a soma de
muitas interações ao longo de uma grande molécula apoIar pode
produzir substancial atração.
2.2 RECAPITULAÇÃO
Ligações químicas unem átomos para formar moléculas.
Ligações cova lentes fortes são importantes em estabele-
cer estruturas biológicas, como as interações iônicas na
formação de um sal. Polaridade e interações hidrofóbicas
fracas permitem que as moléculas interajam.
• Como as eletronegatividades de dois átomos resultam em
compartilhamento desigual de elétrons em moléculas pola-
res? Verp. 27 e Figura 2.9.
• Você pode explicar porque uma ligação covalente é mais
forte que uma ligação iônica? Verp. 27-28 e Tabela 2.1.
• O que é uma ponte de hidrogênio e como ela é importante
em sistemas biológicos? Verp. 29 e Figura 2.12.
A ligação de átomos em moléculas não é neces-
sariamente uma união permanente. A dinâmica da
vida envolve constante mudança, mesmo ao nível
molecular.Vamos ver como as moléculas interagem
umas com as outras - como são quebradas, como
encontram novos parceiros e quais podem ser as
conseqüências dessas mudanças.
2.3 Como os átomos mudamde parceiros nas reações
químicas?
téria muda e o gás oxigênio e o propano se convertem em dióxido
de carbono e água. Essa reação química pode ser representada
pela equação
C3H8+ 5 02 -7 3 CO2 + 4Hp + Energia
Reagentes -7 Produtos
Nessa equação, o propano e oxigênio são reagentes e o dióxido
de carbono e água são os produtos. Neste caso, a reação é com-
pleta: todo o propano e oxigênio são usados para formação dos
dois produtos. A flecha simboliza a direção da reação química. Os
números precedendo as fórmulas moleculares indicam quantas
moléculas são usadas ou produzidas.
Nessa e em todas as outras reações químicas, a matéria não
é criada nem destruída. ° número total de átomos de carbono
na esquerda (3) é igual ao número total de átomos de carbo-
no na direita (3). Em outras palavras, a equação é equilibrada.
Entretanto, existe outro aspecto dessa reação: o calor e a luz da
chama do fogão revelam que a reação de propano e oxigênio
libera grande quantidade de energia. A energia é definida como
a capacidade de produzir trabalho, mas em um nível mais in-
tuitivo pode ser considerada como a capacidade para mudança.
As reações químicas não criam ou tampouco destroem energia,
mas mudanças na forma de energia geralmente acompanham as
reações químicas.
Na reação entre propano e oxigênio, grande quantidade
de energia na forma de calor foi liberada. Essa energia esta-
va presente nas ligações covalentes dos gases em outra forma,
chamada energia química potencial. Nem todas as reações libe-
ram energia; sem dúvida, muitas reações químicas precisam
de energia suprida do ambiente; parte dessa energia suprida é
armazenada como energia química potencial nas ligações for-
madas nos produtos. Veremos nos próximos capítulos de que
forma as reações que liberam energia e as reações que precisam
de energia podem estar ligadas.
C3Hs + 5 O2 3C02 + 4 H20 + Calore Luz
Propano + GásOxigênio ~ Dióxidode + Água + Energia
Carbono
\ ) "- .)y y
Reagentes Produtos
Uma reação química ocorre quando os átomos se
combinam ou mudam seus parceiros de ligação.
Considere a reação de combustão que ocorre na
chama de um fogão à base de propano. Quando o
propano (C3HJ reage com o gás oxigênio (02), os
átomos de carbono se ligam aos átomos de oxigê-
nio e não aos de hidrogênio, e os átomos de hidro-
gênio se ligam ao oxigênio, em vez de ao carbono
(Figura 2.13). Como os átomos ligados covalente-
mente mudam de parceiros, a composição da ma-
Figura 2.13 Parceiros de ligação e energia podem mudar em uma reação
química Umamolécula de propano reage com cinco moléculas de gás oxigênio
a fimde produzirtrês moléculas de dióxidode carbono e quatro moléculas de
água. Essa reação liberaenergia na forma de calor e luz.
Muitas reações ocorrem em células vivas, e algumas têm mui-
to em comum com a combustão do propano. O combustível é
outro - é o açúcar glicose, em vez do propano -, e as reações pro-
cedem por meio de muitos passos intermediários que permitem
que a energia liberada, a partir da glicose, seja captada e colocada
em uso pela célula. Mas os produtos são os mesmos: dióxido de
carbono e água. Essas reações, que estudaremos em detalhes no
Capítulo 7, são a chave para a origem da vida tendo por base mo-
léculas mais simples.
2.3 RECAPITULAÇÃO
Reações químicas envolvem a produção e a quebra das
ligações entre os átomos. Muitos desses processos envol-
vem mudanças na forma de energia.
• Quais são os componentes de uma reação química? Ver Fi-
gura 2.13.
• Você compreende como a forma da energia pode mudar
durante uma reação química?
Apresentaremos e discutiremos as mudanças energéticas, rea-
ções de oxidação-redução e diversos outros tipos de reações
químicas prevalentes em sistemas vivos na Parte 2 deste livro.
Primeiramente, entretanto, devemos compreender as proprieda-
des únicas da substância em que a maioria das reações químicas
ocorre: a água.
2.4 Quais propriedades da águaa tornam tão importante na
biologia?
Do mesmo modo que a maioria da matéria, a
água pode existir em três estados: sólido (gelo),
líquido ou gasoso (vapor). Como mencionamos
no começo deste capítulo, a água líquida é pro-
vavelmente o meio em que a vida se originou e
foi nela que a vida na Terra evoluiu, nos primei-
ros bilhões de anos. Nesta seção, exploraremos
como a estrutura e as interações das moléculas de
água a tornam essencial para a vida.
A água tem estrutura única e
propriedades especiais
A molécula de HzO apresenta características quí-
micas únicas. Conforme já aprendemos, a água é
uma molécula polar que pode formar pontes de hi-
drogênio. Além disso, os quatro pares de elétrons
Figura 2.14 As pontes de hidrogênio mantêm as moléculas de
água unidas As pontes de hidrogênio existem entre moléculas de água
nos estados líquido e sólido. O gelo é mais estruturado, mas menos den-
so que a água líquida, por isso o gelo flutua. A água forma um gás quan-
do suas pontes de hidrogênio são quebradas e as moléculas de água se
distanciam.
na camada externa do átomo de oxigênio se repelem, produzin-
do uma forma tetraédrica:
Pares de elétrons
compartilhados õ+
Estas características químicas explicam algumas das propriedades
interessantes da água, tais como a habilidade do gelo flutuar, as
temperaturas de fusão e congelamento da água, de armazenar ca-
lor e de se formar gotas de água .
o GELO FLUTUA No seu estado sólido (gelo), moléculas de
água individuais são unidas por pontes de hidrogênio. Cada mo-
lécula de água liga-se por meio de pontes de hidrogêniO com qua-
tro outras moléculas de água em uma estrutura rígida e cristalina
(Figura 2.14).Embora as moléculas sejam mantidas com firmeza
no lugar, elas não são tão fortemente empacotadas como as da
água líquida. Em outras palavras, a água sólida é menos densa que a
água líquida, motivo pelo qual o gelo flutua.
No gelo, as moléculas
de água são mantidas
em estado rígido por
pontes de hidrogênio.
No estado gasoso,
a água não forma
pontes de
hidrogênio.
Pontes de hidrogênio
continuamente se quebram e
se formam à medida que as
moléculas de água se movem.
Imagine as conseqüências biológicas se o gelo afundasse na
água. Um lago congelaria a partir do fundo, tornando-se um sóli-
do bloco de gelo e matando a maioria dos organismos vivos. Uma
vez que todo o lago estivesse congelado, sua temperatura poderia
cair bem abaixo do ponto de congelamento da água. Na verdade,
o gelo flutua, formando uma camada isolante protetora no topo
do lago, reduzindo o fluxo de calor para o ar gelado da superfície.
Assim, peixes, plantas e outros organismos no lago não estão su-
jeitos a temperaturas menores que O°C,o ponto de congelamento
da água pura. A recente descoberta do satélite Global Surveyor de
água líquida abaixo do gelo polar marciano, criou especulações de
que a vida poderia existir lá.
FUSÃO, CONGELAMENTO E CAPACIDADE DE AQUECI-
MENTO Comparado com muitas outras substâncias de mesmo
tamanho molecular, o gelo adquire grande quantidade àe calor
para derreter, porque as pontes de hidrogênio devem ser que-
bradas para que a água mude do estado sólido para o líquido.
No processo oposto - congelamento - grande quantidade de
energia é perdida quando a água transforma-se do estado líqui-
do para o sólido.
A água contribui para a surpreendente estabilidade das tem-
peraturas encontradas nos oceanos e em outros grandes corpos de
água ao longo do ano. As mudanças de temperatura das massas
litorâneas são também moderadas por grandes porções de água.
Além disso, ela ajuda a minimizar as variações na temperatura at-
mosférica do planeta. Esta característica moderadora é resultado
da alta capacidade de aquecimento da água líquida, que, por sua vez,
resulta do seu alto calor específico. O calor específico de uma
substância é a quantidade de energia, na forma de calor,necessária
para aumentar a temperatura de 1 g de determinada substância
em 1°C. O aumento da temperatura da água líquida gasta uma
quantidade relativamente grande de calor, porque muito da ener-
gia é usada para quebrar as pontes de hidrogêniO que mantêm o lí-
quido unido. Comparada com outras pequenas moléculas líquidas,
a água possui um alto aquecimento específico.
A água também tem um alto calor de vaporização, ou seja,
muita energia é necessária para mudar a água do estado líqui-
do para o estado gasoso (o processo de evaporação). Novamen-
te, grande parte da energia de aquecimento é usada para romper
pontes de hidrogênio. Esse calor deve ser absorvido do ambiente
em contato com a água. A evaporação tem um efeito de resfria-
mento no ambiente - seja para uma folha, uma floresta ou uma
massa de terra inteira. Esse efeito explica porque o suor resfria
o corpo humano; como o suor evapora na pele, ele usa parte do
calor corporal adjacente.
COESÃO ETENSÃO SUPERFICIAL Na água líquida, moléculas
individuais são livres para se movimentarem. As pontes de hidro-
gênio, entre as moléculas, continuamente se formam e se rom-
pem. Os químicos estimam que isto ocorra cerca de um trilhão de
vezes por minuto em uma única molécula de água, tornando-a
uma estrutura dinâmica. Em média, uma molécula de água for-
mará 3,4 pontes de hidrogênio com outras moléculas do mesmo
tipo. Essas pontes de hidrogênio explicam a força coesiva da água
líquida. Essa força coesiva ou coesão é definida como a capacida-
de de moléculas de água em resistir de se separar umas das outras
quando colocadas sob tensão. A força coesiva da água permite que
estreitas colunas do líquido se movam por mais de 100 metros de
altura, das raízes para as folhas das árvores. Quando a água eva-
pora das folhas, a coluna inteira se move para cima, em resposta
ao chamado das moléculas no topo.
Figura 2.15 Tensão superficial Gotículas de água formam "go-
tas" na superfície da folha porque as pontes de hidrogênio mantêm
juntas as moléculas de água.
É difícil determinar a superfície de água líquida exposta ao ar,
pois as moléculas de água na camada superficial são unidas por
pontes de hidrogênio a outras abaixo delas (Figura 2.15). Essa
tensão superficial da água permite que um recipiente seja preen-
chido levemente acima da sua borda sem transbordar e que inse-
tos caminhem na superfície de um lago.
Existem pelo menos 20 trilhões de galáxias no universo e
uma média de 100 bilhões de estrelas em cada galáxia.
As análises de probabilidade desses números sugerem
que muitos planetas desconhecidos devam existir e que
alguns provavelmente possuam água; sendo assim, a
possibilidade de vida é uma hipótese plausível.
O corpo humano constitui-se em mais de 70% de água pelo peso,
excluindo os minerais contidos nos ossos. A água é o componente
dominante de virtualmente todos os organismos vivos, e a maio-
ria das reações ocorre nesse ambiente aquoso.
Uma solução é produzida quando uma substância (o soluto)
é dissolvida em um líquido (o solvente). Se o solvente for água,
então é uma solução aquosa. Grande parte das importantes molé-
culas dos sistemas biológicos são polares e, portanto, solúveis em
água. Muitas reações bioquímicas relevantes ocorrem em soluções
aquosas. Os biólogos estudam o que acontece nessas reações, em
termos da natureza dos reagentes e dos produtos e em termos de
suas quantidades.
• Análises qualitativas avaliam substâncias dissolvidas em água
e as reações químicas que ocorrem. Por exemplo, investiga-
riam os passos envolvidos e os produtos formados durante
a combustão da glicose em tecidos vivos. As análises quali-
tativas configuram-se no assunto de alguns dos próximos
capítulos.
.-wálises quantitativas determinam concentrações ou a quanti-
jade de uma substância em uma dada quantidade de solução.
Por exemplo, procurariam descrever quanto de certo produto
:orma -se durante a combustão de uma dada quantidade de
_ 'cose. °que segue é uma breve introdução de alguns dos
:errnos químicos quantitativos que você verá neste livro,
=-_ ':;amental para o pensamento quantitativo, na química e na
_ ::ügia, é o conceito de moI. Um mal é a quantidade de uma
~::::àI1Cia (em gramas), a massa da qual é numericamente
:: =' ao seu peso molecular. Então, um moI de açúcar de mesa=-=:-:,::Dn) pesa 342 g; um moI de íon sódio (Na+)pesa 23 g; e um
- -: ':;egás hidrogênio (H;J pesa 2 g.
.-"..'"1álisesquantitativas não produzem contagem direta de mo-
-"=5, Os químiCOSusam uma constante que relaciona o peso de
~:J.er substância ao número de moléculas dela. Essa constan-
- ::'~ amada de número de Avogadro, que é 6,02 x 1023 molé-
=~ ?or moI. Isso permite aos químiCOStrabalharem com moles
.- :::::>tâncias (que podem ser pesadas em laboratório) ao invés
- =-.0Iéculas reais (as quais são muito numerosas para serem
~ 'as), Considere 34,2 g de açúcar de mesa, C12H220n. Isso
__ .:ié imo de um moI, ou como Avogadro coloca, 6,02 x 1022
-- -: as.
~-="ocê tiver problema para compreender a idéia de um moI,
_..5-C :10 conceito de moi da forma que você compreende a idéia
- _ - dúzia: compramos uma dúzia de ovos ou uma dúzia de
--.::05, sabendo que conseguiremos 12 de qualquer um que
:::-=mos, mesmo que eles não pesem igual, nem ocupem a
uantidade de espaço.
..•.=do um médico injeta certa concentração molar de uma
~ ::a circulação de um paciente, um cálculo aproximado pode
:=::0 o número real de moléculas de droga que vão interagir
?S células. Da mesma forma, um químico pode dissolver um
::e açúcar em água Rara fazer 1litro de solução, sabendo que
- -_ 'ontém 6,02 x 10 3 moléculas de açúcares individuais. Esta
--= Q - 1moI de uma substância dissolvidaem água para fazer
- é chamada de uma solução 1molar (1M).
.-~ uitas moléculas dissolvidas na água dos tecidos vivos
• _"';0 presentes em nada próximo a concentrações de 1molar.
-.=.:.~~aestá na faixa micromolar - milionésimos de um moI
_ (u:vI).Algumas, tais como moléculas dos hormônios, são
-~ =:e:lOS concentradas. Enquanto essas molaridades parecem
----o=- -oncentrações muito baixas, lembre que mesmo uma solu-
- ~ -:.ll--\i[possui 6,02 x 1017 moléculas de soluto por litro.
• ões aquosas podem ser
s ou básicas
--:;)algumas substâncias se dissolvem em água, elas liberam
':r'.:,ênio (H+),prótons carregados positivamente. Íons hi-
=- ":'0. odem se ligar a outras moléculas e mudar suas proprie-
- - Rr exemplo, os prótons na"chuva ácida"podem danificar
= ~. e você, provavelmente, experimentou o excesso de íons
=~":'oque conhecemos como"indigestão ácida" .
. -..::examinaremos as propriedades dos ácidos, que liberam
= =--es que aceitam H+ Distinguiremos entre os ácidos e ba-
__ e fracas, e forneceremos uma medida quantitativa para
_:li a concentração de H+nas soluções: a escala de pH.
LIBERAM H+, BASES ACEITAM W Quando o ácido
--Q 'HCI) é adicionado à água, ele se dissolve, liberando os
_=-:: cr:
Como sua concentração de H+aumentou, tal solução é ácida. As-
sim como a reação de combustão de propano e oxigênio demons-
trada na Figura 2.13, a dissolução de HCI, para formar íons, é uma
reação completa. HCI é, portanto, chamado de um ácido forte.
Os ácidos são substâncias que liberam íons H+ em solução.
HCl é um ácido, assim como o H2S04 (ácido sulfúrico). Uma mo-
lécula de ácido sulfúrico pode se ionizar para produzir dois H+ e
um S04-2 Os compostos biológicos que contêm -COOH (grupo
carboxila) são também ácidos, pois:
Entretanto, nem todos os ácidos se ionizam completamente na
água. Por exemplo, se o ácido acético é adicionado à água, ao final
da reação existirão dois íons, mas parte do ácido acético original
permanecerá como tal. Como a reação não é completa, o ácido acé-
tico é um ácido fraco.
As bases são substâncias que aceitam H+ na solução. Assim
como com os ácidos, existem bases fortes e fracas. Se o NaOH
(hidróxido de sódio) é adicionado à água, ele se dissolve e ioniza,
liberando íons On e Na+:
Como a concentração de On aumenta e On absorve H+,para
formar água, tal solução é básica. Como essa reação é completa,
NaOH é uma base forte .
As bases fracas incluem o íon bicarbonato (HC03-), que pode
aceitar um íon H+ e produzir ácido carbônico (H2C03) e amônia
(NHJ, que pode aceitar um H+e se transformar em um íon amô-
nio (NH/). Compostos biológicos que contêm - NH2 (o grupo
amino) são também bases, pois
REAÇÕES ÁCIDO-BASE PODEM SER REVERSíVEIS Quan-
do o ácido acético é dissolvido em água, duas reações acontecem.
Primeiro, o ácido acético forma seus íons:
Então, uma vez que os íons são formados, eles constituem nova-
mente o ácido acético:
Esse par de reações é reversível. Uma reação reversível pode
proceder em qualquer direção - esquerda para direita e direita
para esquerda - dependendo das relativas concentrações iniciais
de reagentes e produtos. A fórmula de uma reação reversível pode
ser escrita usando uma flecha dupla:
Em termos de ácidos ou bases, existem dois tipos de reações, de-
pendendo da extensão da reversibilidade:
• A ionização de ácidos e bases fortes é virtualmente irreversível.
• A ionização de ácidos e bases fracas é de alguma forma re-
versível.
A ÁGUA É UM ÁCIDO FRACO A molécula de água possui uma
pequena, mas significativa tendência a se ionizar a um íon hidró-
xido (OH-) e um íon hidrogênio. Duas moléculas de água parti-
cipam nesta reação. Uma das duas moléculas "captura" um íon
hidrogênio da outra, formando um íon hidróxido e um hidrônio:
Molécula de água
(H20)
Molécula de água
(H20)
íon hidróxido
OH-, uma base
íon hidrônio
H30+, um ácido
o íon hidrônio é, de fato, um íon hidrogênio ligado a uma molé-
cula de água. Para simplificar, os bioquímicos tendem a usar uma
representação modificada da ionização da água:
A ionização da água é importante para todas as criaturas vivas.
Este fato pode ser surpreendente, já que somente cerca de uma
molécula de água em 500 milhões é ionizada em um dado pe-
ríodo. Mas ficaremos menos surpresos se pensarmos na abundân-
cia nos organismos vivos e na natureza reativa do H+, produzido
por ionização.
o pH é a medida da concentração
de íons hidrogênio
As soluções são ácidas ou básicas; os compostos ou íons podem
ser ácidos ou bases. Podemos medir o quanto uma solução é ácida
ou básica por meio da concentração de H+ em moles por litro, ou
molaridade (ver p. 33). Aqui estão alguns exemplos:
• Água pura tem uma concentração de H+ de 10-7 M.
• Uma solução de 1 M de HCl tem uma concentração de H+ de
1 M (lembre gue todo o HCl se dissolve em seus íons).
• Uma solução de 1 M de NaOH tem uma concentração de
10-14M.
Essa é uma ampla faixa de números para se analisar (pense nos
decimais!). É mais fácil trabalhar com o logaritmo da concen-
tração de H+, porque os logaritmos compreendem esta faixa:
o log,o de 100, por exemplo é 2, e o log,ü de 0.01 é -2. Como a
maioria das concentrações de H+ nos organismos vivos é menor
do que 1, convertemos esses números negativos em positivos,
usando o negativo do logaritmo da concentração molar de H+
(designado por colchetes: [H+]). Esse número é chamado de pH
da solução.
Desde que a concentração de H+ da água pura é 10-7 M, seu
pH é -log(10-7)=-(-7) ou 7. Um logaritmo negativo menor sig-
nifica um núm,ero maior. Em termos práticos, um pH mais baixo
significa uma concentração de H+ maior ou alta acidez. Em 1 M
de HCl, a concentração de H+ é 1 M, então o pH é o logaritmo
negativo de 1 (-log100), ou O. O pH do NaOH 1 M é o logaritmo
negativo de 10-14 ou 14.
Uma solução com pH menor de 7 é ácida - contém mais íons
H+ do que OH-. Uma solução com pH 7 é neutra e com pH maior
que 7 é básica. A Figura 2.16 demonstra os valores de pH de algu-
mas substâncias comuns.
A manutenção de estabilidade interna - homeostase - é uma ca-
racterística de todos os organismos vivos, estendendo-se ao pH.
Como mencionamos anteriormente, quando o H+ é adicionado
a muitas moléculas, eles mudam suas propriedades, mantendo
a estabilidade. A manutenção da estabilidade interna pode ser
obtida pelos tampões: soluções que mantêm o pH relativamente
constante, mesmo quando quantidades substanciais de um ácido
ou base são adicionadas ao sistema. Como isso pode funcionar?
O tampão é uma solução de um ácido fraco e sua base corres-
pondente - por exemplo, o ácido carbônico (H2C03) e íons bicar-
bonato (HC03-). Se um ácido é adicionado a uma solução conten-
do este tampão, nem todos os íons H+ provenientes daquele ácido
ficam em solução. Ao invés disso, muitos deles se combinam com
os íons bicarbonato para produzir mais ácido carbônico. Essa rea-
ção gasta alguns dos íons H+ em solução e diminui o efeito acidi-
ficante do ácido adicionado:
Se uma base é adicionada, a reação se reverte essencialmente.
Algumas moléculas de ácido carbônico se ionizam para produzir
íons bicarbonato e mais H+, o que contrabalança parte da base
adicionada. Dessa forma, o tampão minimiza os efeitos de um
ácido ou base adicionado sobre o pH. Isso acontece no sangue,
onde o sistema de tamponamento é importante na prevenção de
mudanças significativas no pH, que poderiam prejudicar a habi-
lidade do sangue de transportar o oxigênio vital para os tecidos.
Uma determinada quantidade de ácido ou base causa mudança
menor no pH em solução tamponada do que não-tamponada
(Figura 2.17).
Como você explica o alívio? A parede estomacal cons-
tantemente secreta ácido clorídrico, tornando ácido o
conteúdo estomacal. Excessivo ácido estomacal inibe a
digestão e causa desconforto, mas pode ser aliviado por
ingerir um sal como NaHC03 (bicarbonato de sódio), que
age como tampão.Os tampões ilustram um importante princípio químico das rea-
ções reversíveis, chamada lei de ação das massas. A adição de rea-
gente de um lado de um sistema reversível desloca a reação na
direção que utiliza aquele composto. No caso dos tampões, a adi-
ção de ácido desloca a reação em uma direção; a adição de base
desloca a reação em outra direção.
Como enfatizamos ao longo deste capítulo, a presença de água
em um planeta - Marte, Terra ou qualquer outro - é um pré-requi-
sito necessário para a vida como a conhecemos. Os astrônomos
acreditam que nosso sistema solar começou a se formar há 4,6
bilhões de anos, quando uma estrela explodiu para formar o sol e
cerca de 500 corpos chamados de planetesimais. Esses planetesi-
mais colidiram com outros para formar os planetas mais internos,
incluindo Terra e Marte. Os primeiros sinais químicos indicando a
presença de vida na Terra parecem ter cerca de 4 bilhões de anos.
Foram necessários 600 milhões de anos, durante o período geoló-
gico chamado de Hadeano, para as condições químicas da Terra se
tornarem adequadas para a vida. O ponto-chave para essas con-
dições foi a presença de água.
Figura 2.16 Valores de pH de algu-
mas substâncias familiares Um
instrumento eletrônico pode ser usado
para medir o pH de uma solução.
pH metro
digital
/
Amostra -------------~
sendo medida
A Terra antiga provavelmente tinha muita água na atmosfera.
Contudo, o novo planeta era quente, e esta água evaporou para o
espaço. Quando a Terra resfriou, foi possível que a água permane-
cesse na superfície, mas de onde veio essa água? Uma visão co-
mum é que os cometas - aglomerações perdidas de poeira e gelo
que orbitaram no sol desde que os planetas se formaram - colidi-
ram com a Terra e Marte repetidamente e trouxeram não-somente
água, mas outros componentes químicos vitais, como o nitrogê-
nio. Assim que os planetas resfriaram, os compostos químicos,
das suas crostas, se dissolveram na água e reações químicas sim-
ples poderiam ter acontecido. Algumas dessas reações poderiam
conduzir à vida, mas impactos por grandes cometas e meteoritos
rochosos teriam liberado energia para aquecer os oceanos em de-
senvolvimento quase até a ebulição, destruindo, assim, qualquer
vida recente. Na Terra, esses grandes impactos finalmente dimi-
nuíram, e a vida ganhou um suporte cerca de 3,8 a 4 bilhões de
anos atrás. A prebiótica Hadeana tinha acabado. A Archeana co-
meçou e há vida na Terra desde então.
Na Seção 3.6, retomaremos a questão de como a vida pode ter
surgido de compostos químicos inanimados.
Ácido
(altoW)
2
3
4
pH
5
6
7
8
Básico
(baixoW)
Nafaixade tamponamento,adições
oumesmograndesquantidadesde
base resultamem pequenas
mudançasrelativasno pH.
Quandoa capacidadede
tamponamentoestá
esgotada,a base adicionada
aumentamuitoo pH.
o 1 2 3 4 5
Quantidade de base adicionada (unidadesarbitrárias)
Figura 2.17 Os tampões minimizam as mudanças de
pH Com crescentes quantidades de base adicionada, a inclina-
ção geral de um gráfico de pH é descendente. Dentro de uma faixa
de tamponamento, entretanto, a inclinação é gradual. Em valores
muito altos ou muito baixos de pH, onde o tampão é ineficaz, as
inclinações são muito íngremes.
Ácido
Concentração de H+
Valor de pH (moles por litro)
O 1
Ácido estomacal 1 10-1
Umbaixo pH indica
Suco de limão 2 10-2
ácido forte.
Vinagres,refrigerantes
tipo cola 3 10-3Cerveja
Tomates 4 10-4
)o Café preto 5 10-5
6 10-{)
Urina humana
Água destilada 7 10-7 _ pH neutro
Sangue humano
Água do mar 8 10~ } Umamudança de 1
unidadede pH
Soda cáustica 9 10-9 significauma
mudança de dez
Leite de 10 10-10 vezes na
magnésia concentração de H+
Amônia 11 10-11
caseira
12 10-12
Limpador 13 10-13
de forno UmpH alto indica
14 10-14 uma base forte.
Básico
2.4 RECAPITULAÇÃO
A maior parte da química da vida ocorre na água, que tem
propriedades moleculares que a tornam desejável para
seus importantes papéis bioquímicos. Uma propriedade
especial da água é a sua habilidade de se ionizar (liberar
íons hidrogênio). A presença de íons hidrogênio em solução
pode mudar as propriedades das moléculas biológicas.
• Quais são algumas das propriedades biologicamente im-
portantes da água que surgem da sua estrutura molecular?
Ver p. 31-32 e Figura 2.14.
• Você compreende o que é uma solução e por que chama-
mos a água de "sol vente da vida"? Ver p.32-33.
• Você observa a relação entre íons hidrogênio. ácidos e ba-
ses? E pode explicar o que mede uma escala de pH? Ver p.
33-34 e Figura 2.16.
• Você pode explicar como um tampão funciona e por que o
tamponamento é importante para os organismos vivos? Ver
p. 34 e Figura 2.17.
Agora que descobrimos as principais propriedades dos átomos e
moléculas, vamos revisá-Ias e ver como serão aplicadas no próxi-
mo capítulo, que tem como foco as principais moléculas dos sis-
temas biológicos.
• As moléculas variam quanto ao tamanho Algumas são pequenas,
tais como H2 e CH4. Outras são maiores, como molécula do
açúcar de mesa (C12Hn0ll)' que tem 45 átomos. Ainda outras,
especialmente proteínas, como a hemoglobina (o transporta-
dor de oxigênio nos eritrócitos), são gigantes, algumas vezes,
contendo dezenas de milhares dos átomos.
• Todas as moléculas têm uma forma tridimensional específica Por
exemplo, a orientação dos orbitais de ligação ao redor do áto-
mo de carbono dá à molécula de metano (CH4) a forma de
um regular tetraedro (ver Figura 2.8B). Moléculas maiores têm
formas complexas que resultam dos números e tipos de áto-
mos presentes e as formas nas quais elas estão ligadas. Algu-
mas moléculas grandes, como a hemoglobina, possuem for-
mas compactas em formato de esfera. Outras, como a proteína
chamada queratina, que compõe seu cabelo, possuem estru-
turas longas e fortes em forma de corda. Suas formas estão
relacionadas aos papéis que essas moléculas desempenham
nas células vivas.
• As moléculas são caracterizadas por certas propriedades químicas
que determinam seus papéis biológicos. Os químicos usam as
características de composição, estrutura (forma tridimensio-
nal), reatividade e solubilidade, a fim de distinguir uma amos-
tra pura de uma molécula de uma amostra de uma molécula
diferente. A presença de certos grupos de átomos pode confe-
rir distintas propriedades químicas para uma molécula.
Entre as moléculas pequenas discutidas neste capítulo e o mundo
das células vivas, estão as maeromoléculas. Estas moléculas gi-
gantes - proteínas, lipídeos, carboidratos e ácidos nucléicos - são
o assunto do próximo capítulo.
RESUMO DO CAPíTULO
m Quais elementos químicos constituem os organismosvivos?
A matéria é composta de átomos. Cada átomo consiste em um
núcleo positivamente carregado constituído de prótons e
nêutrons, rodeados por elétrons com cargas negativas. Re-
ver a Figura 2.1.
O número de prótons no núcleo define um elemento. Existem
muitos elementos no universo, mas somente alguns deles
constituem a maioria dos organismos vivos. Rever a Figura 2.2.
Isótopos de um elemento diferem nos seus números de nêu-
trons. Os radioisótopos são radioativos, emitindo radiação
quando se decompõem.
Os elétrons distribuem-se em camadas, que são volumes de
espaço definido por específicos números de orbitais. Cada or-
bital contém o máximo de dois elétrons. Rever a Figura 2.6.
Ao perder, ganhar ou compartilhar elétrons para se tornar mais
estável, um átomo pode se combinar com outros átomos a fim
de formar moléculas.
m Como os átomos se ligam para formar as moléculas?
Uma ligação química é uma força atrativa que liga dois átomos
em uma molécula. Rever a Tabela 2.1.
Um composto é uma molécula constituída de átomos de dois ou
mais elementos ligados em uma razão fixa, tais como a água
(HP) ou o açúcar de mesa (C6H,Psl.
As ligações covalentes constituem-se em ligações fortes forma-das quando dois átomos compartilham um ou mais pares de
elétrons. Rever a Figura 2.7.
Quando dois átomos de eletronegatividade desigual se unem,
uma ligação covalente polar. é formada. As duas extremidades
ou pólos da ligação têm cargas parciais (õ+ ou õ-). Rever a
Figura 2.9.
Os íons são corpos eletricamente carregados que se formam
quando um átomo ganha ou perde um ou mais elétrons.
Ânions e cátions são íons com carga negativa e positiva, res-
pectivamente.
As ligações iônicas são atrações elétricas entre íons carregados
opostamente. São fortes em sólidos (sais), mas enfraquecem
quando os íons são separados uns dos outros em solução.
Rever a Figura 2.10.
As pontes de hidrogênio são atrações elétricas que se for-
mam entre um átomo de hidrogênio õ+ em uma molécula e
um átomo õ- em outra molécula (ou em outra parte de uma
molécula grande). Pontes de hidrogênio são abundantes na
água.
Moléculas apoiares interagem muito pouco com moléculas pola-
res, incluindo a água. São atraídas a outras por ligações fracas
chamadas forças de van der Waals.
.:n Como os átomos mudam de parceiros nas reações
~ químicas?
Em uma reação química, os átomos se combinam e mudam
seus parceiros de ligação. Os reagentes são convertidos em
produtos.
Algumas reações químicas liberam energia como um de seus
produtos; outras podem ocorrer somente se energia é forneci-
da para os reagentes.
Nem a matéria nem a energia é criada ou destruída em uma
reação química, ainda que ambas mudem de forma. Rever a
Figura 2.13.
Algumas reações químicas, especialmente na biologia, são rever-
síveis. Ou seja, os produtos formados podem ser convertidos
novamente aos seus reagentes.
Nas células vivas, as reações químicas acontecem em múltiplos
passos, de forma que a energia liberada pode ser capturada
para atividades celulares.
.:a Quais propriedades da água a tornam tão importante
UJI na biologia?
A estrutura molecular da água e sua capacidade de formar pon-
tes de hidrogênio conferem propriedades únicas e significati-
vas para a vida. Rever a Figura 2.14.
RESUMO DO CAPíTULO
o elevado calor específico da água significa que ela ganha ou
perde grande porção de calor quando muda seu estado. O
alto calor de evaporação assegura o efetivo resfriamento
quando a água evapora.
A coesão das moléculas de água refere-se a sua capacidade de
resistir à separação de outras moléculas.
As soluções são produzidas quando substâncias sólidas (so-
lutos) se dissolvem em um líquido (o solvente). A água é o
solvente fundamental para a vida.
Os ácidos são solutos que liberam íons hidrogênio em solução
aquosa. As bases aceitam íons hidrogênio.
O pH de uma solução é o logaritmo negativo da sua concentra-
ção de hidrogênio. Os valores mais baixos que pH 7 indicam
que solução é ácida; valores acima de pH 7 indicam solução
básica. Rever a Figura 2.16.
Os tampões são misturas de ácidos e bases fracas que limitam
a mudança no pH de uma solução, no momento em que os
ácidos e as bases são adicionados.
------~EmmII-------
1. O número atômico de um elemento é:
a, Igual ao número de nêutrons em um átomo.
b. Igual ao número de prótons em um átomo.
c. Igual ao número de prótons menos o número de nêutrons.
d. Igual ao número de nêutrons mais o número de prótons.
e. Depende do isótopo.
2. O peso atômico (massa atômica) de um elemento é:
a. Igual ao número de nêutrons em um átomo.
b. Igual ao número de prótons em um átomo.
c. Igual ao número de elétrons em um átomo.
d. Igual ao número de nêutrons mais o número de prótons.
e. Depende das relativas abundâncias de seus elétrons e nêutrons.
3. Qual das seguintes afirmativas sobre os isótopos de um elemento não
é verdadeira?
a, Todos têm o mesmo número atômico.
b. Todos têm o mesmo número de prótons.
c. Todos têm o mesmo número de nêutrons.
d. Todos têm o mesmo número de elétrons.
e. Todos têm propriedades químicas idênticas.
4. Qual das seguintes afirmativas sobre ligações covalentes não é verda-
deira?
a. Uma ligação covalente é mais forte que uma ponte de hidrogênio.
b. Uma ligação covalente pode formar-se entre átomos do mesmo
elemento.
c. Somente uma ligação covalente pode formar-se entre dois átomos.
d. Uma ligação covalente resulta do compartilhamento de elétrons
por dois átomos.
e. Uma ligação covalente pode formar-se entre átomos de diferentes
elementos.
J. Interações hidrofóbicas:
a. São mais fortes que pontes de hidrogênio.
b. São mais fortes que ligações covalentes.
c. Pode manter dois íons unidos.
d. Pode manter duas moléculas apoIares unidas.
e. São responsáveis pela tensão superficial de água.
6. Qual das seguintes afirmativas sobre a água não é verdadeira?
a. Ela libera grande quantidade de calor quando muda do estado lí-
quido para o vapor.
b. Sua forma sólida é menos densa que sua forma líquida.
c. É o solvente mais efetivo de moléculas polares.
d. É tipicamente a substância mais abundante em um organismo
vivo.
e. Participa de algumas reações químicas importantes.
7. A reação HO--7 H++ cr no estômago humano é um exemplo de:
a. Oivagem de uma ligação hidrofóbica.
b. Formação de uma ponte de hidrogênio.
c. Elevação do pH do estômago.
d. Formação de íons por dissolução de um ácido.
e. Formação de ligações covalentes polares.
8. A ponte de hidrogênio entre duas moléculas de água se origina por-
que a água é:
a. Polar.
b. Apolar.
c. Um líquido.
d. Pequena.
e. Hidrofóbica.
9. Quando o sal de mesa (NaCI) é adicionado à água,
a. Uma ligação covalente é quebrada.
b. Uma solução ácida é formada.
c. Os íons Na+e cr são separados.
d. Na+ é atraído aos átomos de hidrogênio da água.
e. Moléculas de água rodeiam os átomos de Na (mas não CI).
10. Os três elementos mais abundantes em uma célula epitelial humana
são:
a. Cálcio, carbono e oxigênio.
b. Carbono, hidrogênio e oxigênio.
c. Carbono, hidrogênio e sódio.
d. Carbono, nitrogênio e potássio.
e. Nitrogênio, hidrogênio e argônio.
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1. Usando a informação na tabela periódica (Figura 2.2), desenhe um 3. Escreva uma equação descrevendo a combustão de glicose (C6H120~
modelo Bohr (ver Figura 2.8) de dióxido de silício,demonstrando elé- para produzir dióxido de carbono e água.
trons compartilhados em ligações covalentes. 4. O pH do estômago humano é cerca de 2, enquanto o pH do intestino
2. Compare uma ligação covalente entre dois átomos de hidrogênio e uma delgado é em torno de 10. Quais são as concentrações de íon hidrogê-
ponte de hidrogênio entre os átomos de hidrogêniOe oxigênio com res- nio (H+)no interior destes órgãos?
peito aos elétrons envolvidos,o papel da polaridade e a forçada ligação.-------------