2. Sistemas Tampão e Aminoácidos

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

*
Sistemas Tampão e Aminoácidos
Prof. Dr. Helotonio Carvalho
1º semestre de 2012
Unidade Curricular de Bioquímica Estrutural
UNIFESP – Campus Diadema
*
Sistemas Tampão
*
Ionização da água
A água apresenta um pequeno grau de ionização que influencia suas propriedades como solvente. 
Esta ionização pode ser medida através de sua condutividade elétrica. Íons H+ migram para o cátodo (-) e OH- migram para o ânodo (+). 
A ionização da água pode ser representada pelo equilíbrio
H2O  H+ + OH-
No entanto, íons H+ não existem em solução na forma livre, sendo prontamente hidratados para formar H3O+ (hidrônio). A presença de pontes de hidrogênio entre moléculas de água torna esta hidratação praticamente instantânea.
*
Mobilidade de íons hidrônio em solução aquosa 
A migração de íons H+ submetidos a um campo elétrico é muito maior comparada à de outros íons monovalentes como Na+ e K+. 
Isto se deve ao “salto” de prótons entre uma série de moléculas de H2O que estabelecem pontes de H entre si. Isto permite o movimento efetivo de um próton entre grandes distâncias. Um efeito similar é observado para íons OH-. 
Isto faz com que reações ácido-base em soluções aquosas sejam extremamente rápidas.
Salto de prótons
*
Constante de equilíbrio para a ionização da H2O 
A + B  C + D
Para a água tem-se:
Em água pura a 25 oC, [H2O] é:
Assim
55,5 Keq = [H+] [OH-] = Kw
Onde Kw é o produto iônico da água.
*
O valor de Keq determinado por medidas de condutividade em água pura é 1,8 x 10 –16 M. Desta maneira
Kw = [H+] [OH-] = (55,5 M) x 1,8 x 10 –16 M
Kw = 1,0 x 10 –14 M2
Em água pura, as concentrações de H+ e OH– são iguais e a solução é neutra e o pH é igual a 7,0. Nesta condição a concentração de H+ e de OH– pode ser calculada da seguinte maneira: 
a 25 oC
Kw = [H+] [OH-] = [H]2
[H+] = Kw = 1 x 10–14 M2 
[H+] = [OH-] = 10 –7 M
Como o produto iônico da água é constante, um aumento na concentração de H+ implica numa redução da concentração de OH–. 
*
 
Conceito de pH 
O produto iônico da água é a base para a
 escala de pH
Para uma solução neutra
pH = log 1,0 + log 107 = 7
*
Exercício
1 – Qual a concentração de H+ e o pH de uma solução 0,1 M de NaOH?
*
pH de algumas soluções aquosas 
O pH pode ser medido com o uso de indicadores que mudam de cor quando H+ se dissociam de sua molécula. Medidas mais precisas podem ser obtidas utilizando um pHmetro com um eletrodo de vidro sensível a íons H+. 
*
Importância de medidas e do controle do pH em Bioquímica 
Alterações de pH alteram, por exemplo, a estrutura e a atividade de enzimas por alterarem a ionização de grupos carregados em aminoácidos. Alteram também a estrutura do DNA. 
Medidas de pH do sangue e da urina são usadas em diagnóstico. O diabetes, quando não controlado, pode reduzir o pH normal do sangue para valores inferiores a 7,4 (acidose). 
*
Constantes de dissociação de ácidos fracos e bases fracas 
Ácidos fortes (HCl, H2SO4, HNO3) e bases fortes (NaOH, KOH) encontram-se totalmente ionizados em solução aquosa.
No entanto, ácidos e bases fracas encontram-se apenas fracamente ionizados em solução aquosa. Estes ácidos e bases são extremamente importantes em sistemas biológicos. 
Um ácido é um doador de prótons. Uma base é um grupo aceptor de prótons. 
O equilíbrio de dissociação do ácido acético, um ácido fraco, é descrito pela reação 
CH3COOH  H+ + CH3COO-
Um doador de prótons e seu correspondente receptor constituem um par ácido-base conjugado. No caso do ácido acético, CH3COOH e CH3COO- respectivamente, são ácido e base conjugados.
*
Constantes de dissociação de ácidos fracos e bases fracas 
Quanto mais forte um ácido maior sua tendência em perder prótons e formar sua base conjugada. A força de um ácido é medida pela sua constante de dissociação 
HA  H+ + A-
Desta equação resulta que, quanto mais forte um ácido, maior sua constante de dissociação. 
Alguns ácidos podem perder mais de um H+ (dipróticos, tripróticos...) neste caso, cada perda de próton é representada por uma constante de dissociação. 
Analogamente, define-se o pKa de um ácido
*
Exemplos de ácidos fracos importantes em bioquímica e suas respectivas constantes de dissociação 
*
Curvas de titulação 
Titular um ácido consiste em determinar sua concentração através de sua neutralização com uma base forte de concentração conhecida. Adiciona-se uma base forte, NaOH, por exemplo, aos poucos, até ocorrer neutralização do ácido, verificada por um indicador que muda de cor, ou um pHmetro.
A concentração de ácido na solução original é calculada através do volume e da concentração de NaOH utilizada.
Através de uma curva de titulação, é possível calcular o pKa de um ácido, definido pelo pH igual ao pKa do ácido. Neste momento da titulação, a concentração do ácido e de sua base conjugada é igual!! 
*
Titulação de ácidos fracos
Exemplificando para o ácido acético (HAc) titulado com NaOH...
Dois equilíbrios estão envolvidos na titulação.
No início da titulação HAc já está levemente dissociado. A extensão dessa dissociação pode ser determinada pela constante de dissociação. A adição de NaOH, consome o H+ derivado da dissociação do ácido, deslocando o equilíbrio para a dissociação de mais ácido. Na inflexão da curva, pH=pKa e HAc=Ac-. A titulação termina quando todo HAc se dissocia formando Ac-.
HAc  H+ + Ac-
H2O  H+ + OH-
*
Comparação de curvas de titulação de três ácidos fracos 
A pequena variação de pH observada numa curva de titulação de um ácido fraco tem uma implicação importante: soluções de ácidos fracos e suas bases conjugadas servem como tampões!! 
*
Sistemas tampão e Sistemas Biológicos 
Células e organismos mantêm um pH próximo de 7,0, o que ajuda a manter as biomoléculas em seu estado iônico normal. Em organismos multicelulares o pH de fluidos biológicos também é rigorosamente controlado. O controle do pH de fluidos biológicos é feito com o uso de sistemas tampão. 
Sistemas tampão são soluções aquosas que resistem a mudanças de pH quando pequenas quantidades de um ácido ou uma base são adicionados. 
Constituem misturas de ácidos fracos e suas bases conjugadas. 
*
Como funciona um tampão? 
A adição de H+ por exemplo, consome Ac-. A diminuição da [Ac-] é acompanhada por um aumento na [HAc]. Este “consumo” de íons H+ evita grandes alterações de pH. Fenômeno similar ocorre quando se adiciona OH- à solução. 
*
A equação de Henderson-Hasselbach 
Esta equação relaciona o pH de uma solução com o pKa do ácido fraco usado num tampão e a concentração do tampão. 
Por que o pH de um uma solução tampão é igual ao pKa do ácido no ponto de inflexão da curva de titulação??
HA  H+ + A-
*
Tampões biológicos - citoplasma
Proteínas: aminoácido histidina
pKa= 6,04 para histidina livre, mas ~7,0 em peptídeos e proteínas 
Tampão fosfato, pKa= 6,86
	H2PO4-  H+ + HPO42-
O pH da maioria das células se situa entre 6,9 e 7,4. Íons fosfato são abundantes nas células na forma inorgânica ou como grupo funcional de moléculas orgânicas mais complexas como ATP ou de precursores metabólicos. Proteínas também contribuem para manter o pH celular.
ATP
*
Tampões biológicos - sangue
O tampão bicarbonato regula o pH sanguíneo ao redor de 7,4. 	
O CO2 proveniente da respiração celular nos tecidos está em equilíbrio com CO2 dissolvido e forma o tampão bicarbonato.
CO2 (g)  CO2 (d)
CO2 (d) + H2O  H2CO3
H2CO3  H+ + HCO3-
Constitui um sistema aberto, em que o CO2 tampona perdas de ácido carbônico. A presença de CO2 gasoso nos alvéolos a uma pressão parcial de 40 mm de Hg é responsável por manter a concentração de CO2 dissolvido, que restitui o H2CO3.
*
Exercícios
1 – Calcule o pKa do ácido lático dados 
	[ácido lático] = 0,01 M
	[lactato] = 0,087 M
	pH = 4,80
2 – Calcule a razão de concentrações
de acetato e ácido acético necessárias para um tampão de pH 5,3. (dado pKa HAc é 4,76) 
*
Aminoácidos e Ligação Peptídica
*
Proteínas são as macromoléculas mais abundantes!
São caracterizadas por uma grande diversidade de tamanhos, formas e funções. 
São os instrumentos pelos quais a informação genética é expressa.
Todas as proteínas, de todas as formas de vida, são formadas a partir de um conjunto de 20 aminoácidos, ligados entre si numa seqüência característica. 
O mesmo conjunto de 20 aminoácidos é usado para a síntese de proteínas muito diferentes como enzimas, hormônios, anticorpos, proteínas transportadoras, fibras musculares, teias de aranha, proteínas do leite, antibióticos, etc... 
Proteínas
*
Fórmula geral de um aminoácido
Forma zwitteriônica que ocorre em pH fisiológico 
*
Identificação dos carbonos de um aminoácido
*
Estereoisomeria em aminoácidos
Todos aminoácidos encontrados em proteínas são estereoisômeros L 
Estereosisômeros D são encontrados apenas em alguns peptídeos pequenos de paredes de bactérias e em alguns antibióticos
*
*
*
A cisteína pode formar pontes dissulfeto, através da oxidação de grupos SH, de maneira reversível
Pontes dissulfeto têm papel importante na estabilização da estrutura de muitas proteínas 
*
*
*
*
*
Alguns aminoácidos incomuns
Estes aminoácidos são obtidos por modificações pós-tradução nas proteínas em que foram inseridos
Colágeno
Miosina
Protrombina
Elastina
*
Alguns aminoácidos incomuns não encontrados em proteínas
Intermediários na biossíntese de arginina e no ciclo da uréia.
*
Aminoácidos podem atuar como ácidos e bases
Substâncias com esta capacidade são chamadas de anfotéricas (ou anfólitos)
*
A carga de um aminoácido sem cadeia lateral carregada pode variar de –1 a +1, com a perda de prótons
*
Curvas de titulação de aminoácidos
*
Curvas de titulação de aminoácidos
*
Ponto isoelétrico (pI) de um aminoácido
É o valor de pH em que o aminoácido apresenta carga nula.
O ponto isoelétrico é a média aritmética dos valores de pk de um aminoácido: 
Para aminoácidos com cadeia lateral carregada, considera-se os valores de pKa dos grupos com carga de mesmo sinal.
*
Condensação de aminoácidos para formar uma ligação peptídica 
*
Nomenclatura de peptídeos
Serilgliciltirosilalanilleucina
O nome de um peptídeo começa com a extremidade amino terminal.
*
O aspartame é um dipeptídeo
*
Proteínas podem variar muito com relação ao tamanho e número de cadeias polipeptídicas
*
A composição de aminoácidos de proteínas diferentes pode variar bastante
*
Proteínas conjugadas 
*
Níveis de estrutura em proteínas