Aula 4 Água

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BIOQUÍMICA CELULAR
A química celular envolve dois tipos de compostos: os compostos inorgânicos e os compostos orgânicos.
célula
Componentes inorgânicos: compostos formados por moléculas simples, encontradas livremente na natureza. São eles: a água e os sais minerais.
é a substância em maior quantidade presentes em uma célula, consequentemente, no ser vivo. Sua quantidade varia de espécie para espécie; na água viva a quantidade de água chega a 90%, no ser humano chega a 65% e em certas sementes apenas 5%. 
ÁGUA:
A quantidade de água nas células humanas varia de acordo: com a atividade celular, quanto mais a célula trabalha mais água ela tem, os adipócitos possuem 20% de água, os osteócitos tem 40%, as células musculares 65% e os neurônios 80%; 
A quantidade de água varia com a idade dá célula, quanto mais jovem for a célula maior é a quantidade de água. Nas células de um embrião existe cerca de 85% de água, nos adultos jovens cerca de 65% e no adulto idoso cerca de 55%, o que explica o enrugamento da pele. 
As principais funções da água para as células são:
Indispensável ao metabolismo: grande parte das reações metabólicas são de hidrólise ( hidro = água e lise = quebra) onde a água é um reagente indispensável.
Regulação térmica: a água representa ganho ou perda de calor, comparada com outras substâncias. Os homeotérmicos eliminam água para eliminar o excesso de calor.
Veículo de transporte: os nutrientes e os resíduos metabólicos são transportados através da água (principalmente pelo plasma sanguíneo e pela linfa).
Lubrificante: todas as células, órgãos e cavidades apresentam grande quantidade de água para lubrificar e diminuir o atrito. 
Agente passivo da osmose é a tendência do solvente passar do meio menos concentrado para o mais concentrado.
Solvente universal: a grande maioria das substâncias biológicas são dissolvidas (solubilizadas) na água.
Osmose e Pressão osmótica
Osmose é o movimento de água através de uma membrana semipermeável causado por diferença na pressão osmótica entre os lados da membrana
Água pura
Soluto não permeante dissolvido em água
Membrana semipermeável
Embolo
Estado inicial
Estado final
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Efeito da osmolaridade do meio no movimento da água através da membrana de uma célula
Solutos extracelulares
Solutos intracelulares
Meio hipertônico – a água sai, a célula fica plasmolisada (murcha)
Meio isotônico - a quantidade de água que entra é igual a que sai
Meio hipotônico – a água entra, a célula incha até arrebentar
A membrana celular é mais permeável a água do que aos seus solutos
Plantas usam pressão osmótica para conseguir rigidez mecânica
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Os solutos alteram as propriedades coligativas da água
Pressão de vapor
Ponto de ebulição
Ponto de fusão
Pressão osmótica
Tensão superficial
1molal 1mol de soluto/ Kg de água (Abaixa o ponto de fusão em 1,9oC e aumenta o ponto de ebulição em 0,5oC)
Formação de gelo
evaporação
evaporação
Na água pura todas as moléculas na superfície contribuem para a pressão d vapor, e todas as moléculas da fase líquida contribuem para a formação de gelo
Nessa solução a concentração efetiva de água é reduzida. O soluto (de alto ponto d e ebulição ex.: Na+) segura as moléculas de água de sua camada de solvatação, dificultando tanto a evaporação quanto a formação de gelo
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Tipos de interações químicas
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Interações fracas em sistema aquoso
Interações iônicas (eletrostáticas)
Interações de Van der Waals
Interações hidrofóbicas
Tendência das moléculas hidrofóbicas a se agruparem quando num ambiente aquoso
Pontes de hidrogênio:
Força coesiva que mantém a água no estado líquido nas CNTPs
Organização da água (gelo)
Soluto para moléculas polares 
Misturas azeotrópicas
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Estrutura da molécula de água
Carga parcial
negativa no O
Cargas parciais
positivas nos Hs
Modelo 
bastão-e-bola
Modelo de
preenchimento espacial
O oxigênio é mais eletronegativo que o hidrogênio atraindo a nuvem eletrônica mais para si, essa distribuição desigual faz com que a água se comporte como um dipolo
Oxigênio: parcialmente negativo (d-)
Hidrogênio: parcialmente positivo (d+)
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Estrutura da molécula de água: 
ponte de hidrogênio
Ponte de hidrogênio
0.177 nm
Ligação covalente
0.0965 nm
Símbolo para 
ponte 
de hidrogênio
A forma da molécula de água é determinada pela geometria dos orbitais externos do átomo de oxigênio que (ocupa uma posição central) similar a um carbono sp3
Os orbitais não ligados comprimem as ligações O—H fechando ligeiramente o ângulo formado entre elas 109,5o g 104,5o
carbono sp3
(tetraedro)
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Pontes de hidrogênio na estrutura do gelo
No gelo, cada molécula faz quatro pontes de hidrogênio
No estado liquido cada molécula está ligada, em média, a 3, 4 outras moléculas de água , ou seja, a água líquida tem um alto grau de organização cuja estrutura se assemelha muito a do gelo.
Na fusão do gelo são quebradas somente o mínimo de pontes de hidrogênio para que a água se torne líquida
H2O(solida) g H2O(liquida)	 DH 5.9 kJ/mol
H2O(liquida) g H2O(gasosa)	 DH 44.0 kJ/mol
Já na passagem para o estado gasoso a (quase) totalidade das pontes de hidrogênio são quebradas .
Misturas azeotrópicas (são misturas de duas ou mais substâncias que, possuem um ponto de ebulição constante e fixo, como se fosse uma única substância pura, não podendo, por isso, seus componentes serem separados por processo de destilação simples).
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Azeótropos
 Um exemplo comum de azeótropo é a mistura de álcool etílico e água (95%v/v). O ponto de ebulição desse azeótropo é de 78,2 °C. Compare com os pontos de ebulição da água e do álcool etílico puros:
 Outra característica de um azeótropo é que a composição do líquido azeótropo e do vapor em equilíbrio com tal líquido é a mesma. Por exemplo, se um azeótropo é composto de duas substâncias, A e B, com proporções respectivas de 60% e 40%, quando vaporizado resulta em um vapor com os mesmos 60% de A e 40% de B.
Substância
Pontode ebulição(°C)
Água pura
100
Álcool etílico puro
78,4
Álcool etílico (95%) / água
78,2
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Polaridade da água
 Na química, observa-se uma generalização: a tendência das substâncias semelhantes dissolverem as semelhantes. No entanto, as moléculas da água (H2O) são diferentes das do álcool comum (C2H5OH) e se misturam, formando mistura homogênea. Isto porque são substâncias semelhantes quanto à polaridade. 
Ex: Em uma questão da Unicamp/2001, que pedia ao candidato que considerasse duas buretas lado a lado. Numa se colocava água e na outra n-hexano. Utilizando um bastão de plástico atritado em uma flanela e abrindo as torneiras, os líquidos escorriam formando fios. Posicionando o bastão entre os fios, indagava-se se era possível identificar qual das duas buretas continha o n-hexano. 
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Polaridade da água
Como as moléculas de água são polares e as de n-hexano são apolares, a aproximação do bastão eletricamente carregado causa desvio apenas no fio de água.
Veja uma questão da Fuvest/ 2001: "Azeite e vinagre, quando misturados, separam-se logo em duas camadas. Porém, adicionando-se gema de ovo e agitando-se a mistura, obtém-se a maionese, que é uma dispersão coloidal. Nesse caso, qual foi o papel representado pela gema de ovo?". 
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Polaridade da água
O vinagre (ácido acético) é uma substância polar, e o óleo, apolar, com tendência de não se misturarem. Mas a gema age como um emulsificador, estabilizando a mistura coloidal.
De forma diferente, o sabão e o detergente, por possuírem em suas estruturas uma extremidade polar e outra apolar, agem como uma ponte entre a água (polar) e o óleo (apolar), possibilitando, por exemplo, a remoção da oleosidade de uma panela.
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A água forma pontes de hidrogênio com solutos polares
Aceptor de hidrogênio
Doador de hidrogênio
O aceptor de hidrogênio é, geralmente, um oxigênio ou nitrogênio
O hidrogênio doador está sempre ligado a um átomo eletronegativo (O, N, S)
A ligaçãoC—H não é suficientemente polar para formar pontes de hidrogênio
Alcoóis, aldeídos, cetonas e compostos que contenham o grupamento N—H e tendem a ser solúveis
Molécula
Ponto de
ebulição (oC)
Butanol
117
Butano
-0,5
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Pontes de hidrogênio comuns em sistemas biológicos
Entre grupamentos peptídicos em polipeptídeos
adenina
Entre bases complementares do DNA
Entre hidroxila de um álcool e a água
Entre a carbonila de uma cetona e a água
timina
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As pontes de hidrogênio conferem à água propriedades incomuns
Altos ponto de fusão, ebulição e calor de evaporação
Ponto de 
fusão (o C)
Ponto de 
ebulição (o C)
Calor de 
evaporação(J/g)*
* A energia requerida para converter 1.0 g da substância do estado líquido para o estado gasosos à pressão atmosférica sem aumentar a temperatura. É uma medida direta da energia necessária para superar as forças de atração entre as moléculas na fase líquida.
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Q - carga elétrica
r – distância
e – constante dielétrica 
Lei de Coulomb
A água interage eletrostáticamente com solutos carregados
ex.: a dissolução do NaCl
Na+ hidratado
(solvatado)
Cl- hidratado
(solvatado)
Cristal de NaCl anidro
Formação de uma camada de solvatação
eH20: 78,5
ebenzeno: 4,6
Constante dielétrica: capacidade de separar cargas
O oxigênio da água (d-) interage com Na+
O hidrogênio da água (d-) interage com o Cl-
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Um ácido graxo no meio aquoso
As moléculas de água em contato com a cauda apolar de (hidrocarboneto) ficam com sua capacidade de formar pontes de H sub-otimizada.
Isso leva a um aumento da quantidade de pontes de H água—água na região circundante a cauda apolar
Ou seja, nessa região a água se torna mais organizada, mais parecida com o gelo.
Cauda 
Hidrofóbica
(alquila)
Moléculas de água à volta da cauda hidrofóbica
Agregados de moléculas de água na “bulk phase”
“Cabeça”
hidrofílica
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Lipídeos dispersos em água
Agregados de moléculas lipídicas
(monocamada)
Micela
Regiões apolares se agregam enquanto regiões polares interagem com a água do meio
Agrupando-se em monocamadas e/ou em micelas as moléculas de ácido graxo minimizam a exposição de sua cauda apolar à água. A otimização nas pontes de hidrogênio água-água estabiliza os agregados lipídicos formados.
Na estrutura da micela apenas as cabeças polares ficam expostas á águam, todas as caudas apolares se escondem no cerne de sua estrutura (interações hidrofóbicas) 
Comportamento de lipídios em meio aquoso
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Gases apolares são pouco solúveis em água
Solubilidade de alguns gases na água
Gas
Estrutura
Polaridade
Solubilidade em água (g/L)
Nitrogênio
Apolar
0.018 (40 °C)
Oxigênio
Apolar
0.035 (50 °C)
Dióxido de carbono
Polar
0.97 (45 °C)
Amônia
Polar
900 (10 °C)
Sulfeto de hidrogênio
Polar
1,860 (40 °C)
Reações dos gases polares com a água
CO2 + H2O n H2CO3(aq) n
 n HCO3-(aq) + H+ n
n CO32-(aq) + H+ 
NH3 + H2O n NH4+(aq) + OH- 
H2S + H2O n HS-(aq) + H+
 
Capacidade de reagir com a água aumenta em muito a solubilidade
Sistemas biológicos utilizam proteínas transportadoras para aumentar a solubilidade dos gases. Ex.: hemoglobina-O2
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Alguns exemplos de moléculas polares, apolares e anfipáticas (pH: 7,0)
Grupamentos polares
Grupamentos apolares
Glicose
(açúcar de 6 carbonos)
Glicina (aminoácido)
Aspartato
(aminoácido)
Lactato
Glicerol
Uma cêra típica
Fenilalanina
(aminoácido)
Fosfatidil colina
(fosfolipídio 
de membrana)
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Resumo- 
interações fracas em meio aquoso
A grande diferença de eletronegatividade entre H e O torna a água altamente polar e capaz de formar pontes de hidrogênio consigo mesma e com solutos
A água é um bom solvente para moléculas polares (hidrofílicas) com as quais forma pontes de H e carregadas com as quais interage eletrostáticamente
Compostos apolares (hidrofóbicos) não formam pontes de H, dissolvem pouco na água. 
Para minimizar sua exposição a água os lipídeos se agregam na forma de membranas e micelas onde as porções hidrofóbicas se escondem da água
Numerosas interações fracas não covalentes influenciam no enovelamento de macromoléculas como proteínas e ácidos nucléicos
Nas macromoléculas, a conformação mais estável é a que maximiza as pontes de H intramoleculares e com a água, e com as porções hidrofóbicas escondidas no interior de macromolécula
As propriedades físicas das soluções aquosas são muito influenciadas pelas concentrações dos solutos
A tendência da água de se mover através de uma membrana semipermeável no sentido de menor osmolaridade para o de maior é chamado osmose.
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