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Biofísica (BR011) Prof. Dr. Helotonio Carvalho Departamento de Biofísica e Radiobiologia – UFPE Recife, 2016 Água e soluções Importância da água em sistemas biológicos A vida surgiu provavelmente em ambiente aquoso. A água representa 70 % ou mais do peso da maioria dos organismos. Uma atividade metabólica normal só pode ocorrer em células que têm pelo menos 65 % de H2O. As propriedades físicas e químicas da água determinaram a vida como se conhece hoje. Dentre essas propriedades, são essenciais as forças atrativas entre moléculas de água (pontes de H) e a tendência da água em se ionizar, ainda que muito fracamente. As propriedades da água possibilitam a existência dos sistemas tampão, essenciais aos organismos vivos. As propriedades da molécula de água e seus produtos de ionização (H+ e OH-), influenciam profundamente a estrutura e as propriedades dos diversos componentes celulares como proteínas, lipídeos, carboidratos e ácidos nucléicos. Importância da água em organismos vivos A natureza polar da molécula de água As diferenças de eletronegatividade entre H e O conferem um momento de dipolo à água. Este momento de dipolo, e a presença de pares de elétrons não compartilhados no O, é responsável pela formação de pontes de hidrogênio entre moléculas de água. Os orbitais da molécula de água, incluindo os orbitais não-ligantes do oxigênio, possuem um arranjo aproximadamente tetraédrico. Interações fracas em sistemas aquosos Pontes de Hidrogênio Ponte de hidrogênio são responsáveis pelas forças coesivas que tornam a água líquida à temperatura ambiente e que favorecem um arranjo extremamente ordenado das moléculas de água em cristais de gelo. A água pode atuar tanto como aceptor, como doador de H em pontes de H!! As pontes de hidrogênio são isoladamente fracas Energia de ligação de H: ~23 kJ/mol Energia de ligação O-H na água: 470 kJ/mol Energia de ligação C-C: 348 kJ/mol Pontes de Hidrogênio O arranjo aproximadamente tetraédrico dos orbitais ao redor do O da molécula de H2O permite teoricamente pontes de hidrogênio com até 4 outras moléculas de H2O. No estado líquido, devido ao estado desorganizado das moléculas de água e ao seu movimento constante, uma molécula de H2O forma pontes de hidrogênio com apenas outras 3,4 moléculas em média. O gelo, ao contrário, apresenta uma estrutura muito mais organizada, com cada molécula de H2O fixa no espaço, o que permite que cada uma estabeleça pontes de H com outras 4 moléculas. Pontes de H no gelo Influência de pontes de hidrogênio nos pontos de fusão e de ebulição da água Pontes de hidrogênio importantes em sistemas biológicos Pontes de hidrogênio são direcionais Pontes de hidrogênio são mais fortes quando orientadas de maneira a permitir interação eletrostática máxima, o que ocorre quando os átomos envolvidos na ponte de H estão em linha reta. Água como solvente A solubilidade de um soluto em um determinado solvente depende da capacidade que o solvente tem de interagir com o soluto de maneira mais forte que as partículas do soluto interagem entre si. A polaridade da água faz com que esta dissolva facilmente substâncias polares (hidrofílicas). Substâncias apolares, por outro lado, não conseguem formar interações água-soluto sendo insolúveis em água e designadas hidrofóbicas. Os íons de um sal interagem de acordo com a lei de Coulomb F= Q1Q2 er2 F = força de interação entre as cargas elétricas Q1 e Q2= cargas elétricas r = distância entre as cargas e = constante dielétrica do meio Assim, quanto maior a constante dielétrica, menor a força que une as duas cargas, ou seja, a constante dielétrica de um solvente é uma medida de sua capacidade de manter cargas opostas separadas. A água é um dos solventes com maior constante dielétrica! Esta alta constante dielétrica tem reflexo direto na capacidade da água em dissolver compostos polares Exemplos de biomoléculas apolares, polares e anfifílicas Íons são solvatados pela água A dissolução de compostos polares está relacionada à sua capacidade de trocar interações eletrostáticas entre as partículas do soluto por interações entre soluto e água. Gases apolares são insolúveis em água Isso tem implicações importantes no transporte de O2 dos pulmões para os tecidos e de CO2 dos tecidos para os pulmões! O O2 é transportado através de proteínas carreadoras (hemoglobina). O transporte te CO2 é feito principalmente sob a forma de HCO3 -, bastante solúvel em água (100 g/L a 25 oC). Interação de compostos anfipáticos com a água As forças que mantêm as regiões apolares de moléculas diferentes juntas são denominadas interações hidrofóbicas, que resultam de uma maior estabilidade termodinâmica através da minimização de interações com a água. Proteínas, pigmentos, esteróis, algumas vitaminas e fosfolipídeos de membrana são anfipáticos e dependem de interações hidrofóbicas para sua estabilização. Membranas biológicas são estabilizadas por interações hidrofóbicas. Interações hidrofóbicas entre aminoácidos apolares são importantes na estabilização de proteínas. Interação de compostos anfipáticos Interações hidrofóbicas Os 4 tipos de interações fracas (não covalentes) entre biomoléculas e o meio aquoso Esses 4 tipos de interações são muito mais fracas que uma interação covalente, mas em conjunto seu efeito pode ser muito significativo! A ligação de uma enzima a seu substrato pode envolver várias pontes de H, além de interações iônicas, hidrofóbicas e de van de Waals. Para separar a enzima de seu substrato é necessário romper todas essas interações simultaneamente! Todas estas interações são de importância primordial na manutenção da estrutura de biomoléculas!! A estrutura mais estável (nativa) de proteínas e ácidos nucléicos é normalmente aquela em que as interações fracas são maximizadas. Isto determina o dobramento de proteínas em folhas b pregueadas e a-hélices por exemplo, assim como a estrutura de dupla hélice do DNA. A importância das interações fracas em sistemas biológicos Densidade: definida como a razão m/V, dada em g/mL ou kg/L. Densidade da água a 4oC é de 1 g/mL ou 1 kg/L. A densidade da água varia de acordo com a temperatura, sendo menor em temperaturas inferiores ou superiores a 4 oC. O gelo é menos denso que a água. Outras propriedades da água Calor de vaporização DHvap (em J/g): energia necessária para transformar 1 g de um líquido em sua temperatura de ebulição, à pressão atmosférica para o estado de vapor. A água apresenta um alto calor de vaporização, o que apresenta as seguintes vantagens: Para desidratar um sistema biológico é necessária muita energia. Por isso, a água é usada para controle de temperatura em organismos vivos. Transpiração serve para dissipar calor. Tensão superficial (g): atrações intermoleculares (forças coesivas) mantêm as moléculas coesas. Atrações intermoleculares entre moléculas da camada externa da interface da água com o ar são maiores devido ao fato de não possuírem moléculas iguais em todas as dimensões para interagir. Forma-se uma espécie de membrana que impede a penetração na água. Tipicamente medida em dynes/cm ou mN/m, é a força necessária para romper um filme de 1 cm de comprimento. A tensão superficial da água diminui com a temperatura. A água apresenta alta tensão superficial, importante para acompartimentalização celular através de membranas. No entanto, dificulta trocas gasosas nos alvéolos pulmonares, o que é minimizado pela síntese e liberação de surfactantes por células epiteliais alveolares. A tensão superficial está relacionada com a capilaridade: capacidade de um líquido de subir ou descer em um tubo de diâmetro muito pequeno, aparentemente violando a lei da gravidade. A água sobe por um capilar devido ao fato de as forças adesivas entre a água e as paredes do capilar de vidro serem maiores que as forças coesivas entre as moléculas de água. Sabões e detergentes reduzem a tensão superficial da água, permitindo que a água entre melhor nos tecidos. A altura que o líquido sobe e se o líquido sobe ou desce depende: Forças adesivas são mais fortes que forças coesivas. Forças coesivas são mais fortes que forças adesivas. A elevação da seiva de uma planta desde suas raízes até as folhas depende de capilaridade. A capilaridade também é observada em superfícies como papel ou sílica, sendo uma das propriedades utilizada na cromatografia em camada delgada. Da tensão superficial do líquido. Do diâmetro do tubo. Da densidade do líquido g=72 dynes/cm (20 oC) g=487 dynes/cm (15 oC) Viscosidade: resistência à deformação por forças de tensão. Quanto maiores as forças de coesão entre as moléculas, maior a viscosidade. A água deveria ter alta viscosidade devido às pontes de hidrogênio. No entanto, o fato de estas pontes se desfazerem e refazerem muito rapidamente faz com que a água tenha viscosidade muito baixa. Escala de viscosidade Viscosidade da água é de 1 cP (centi poise) = 1 mPa·s a 20 oC. Soluções Misturas contendo mais de um componente que se apresenta com apenas uma fase. Tipos: Líquido – líquido (p.e. etanol + água) Sólido – líquido (p.e. NaCl dissolvido + água) Gas – líquido (p.e. O2 + água) Solvente + soluto: p.e. água + NaCl. Solvente pode ser água ou solventes orgânicos. Em sistemas biológicos: água. Fluidos biológicos como são soluções aquosas complexas que podem conter milhares de solutos dissolvidos (ácidos nucleicos, proteínas, carboidratos, sais) Soluções M = m PM x V (L) Soluções: soluções aquosas são possíveis apenas para solutos iônicos ou polares. Para qualquer solução, a definição mais importante é sua concentração, que terá relação direta com suas propriedades físicas e químicas. A concentração de uma solução é representada pela quantidade de soluto por quantidade de solução, que pode ser expressa de diversas formas, sendo as mais comuns porcentagem e molaridade (M). % = massa do soluto (g) volume da solução (mL) Diluição de soluções: C1V1 = C2V2 Onde: m=massa PM=peso molecular V=volume Questões Dados massas atômicas: Na: 23 ,Cl: 35 , Mg: 24, H: 1 , O: 16. Densidade do HCl fumegante (comercial): 1,19 g/cm3 Concentração do HCl comercial (fumegante): 37 % 1) Qual a massa em gramas necessária para se preparar 1 litro de solução de sacarose 20%? 2) Qual a massa em gramas necessária para se preparar 100 mL uma solução de NaCl 1 M? 3) Como se pode diluir uma solução de HCl 1M para se obter 100 mL de uma solução de HCl 0,1M? 4) Qual a massa em gramas necessária para se preparar 100 mL de uma solução de MgCl2 0,1 M a partir de MgCl2. E a partir de MgCl2.6H2O? 5) Como você prepararia 100 mL de uma solução 1 M de HCl a partir de HCl fumegante?
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