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Água, pH e Soluções-Tampão Profa. Ana Karine Oliveira Maio - 2018 Instituto Federal do Piauí Curso de Licenciatura em Química Diciplina: Bioquímica 2 ÁGUA - A água é a substância mais abundante nos sistemas vivos, perfazendo 70 % ou mais da massa da maioria dos organismos. ou seja: As estruturas das moléculas nas quais a vida se baseia, PROTEÍNAS, ÁCIDOS NUCLÉICOS, MEMBRANAS LIPÍDICAS e CARBOIDRATOS COMPLEXOS, resultam diretamente de suas interações com o ambiente aquoso! 3 Espécies Água-viva - 98% de água Sementes - 10% de água Espécie humana - 70% de água Variações na taxa da água 4 Quanta água precisa repor por dia: Beber água - 1,5 L. Ingerir alimentos - 1,0 L Corpo humano 70% ÁGUA Perdas diárias: Respiração - 0,4 L Urina - 1,2 L Transpiração - 0,6 L Evacuação - 0,1 a 0,3 L TOTAL - 2,5 litros 5 Propriedades incomuns da água Ponto de fusão ºC Ponto de ebulição ºC Calor de vaporização (J/g) Ponto de fusão, Ponto de ebulição e calor de vaporização de alguns solventes Água Essa propriedade é consequência das atrações entre moléculas de água adjacentes que dão à água líquida uma grande coesão interna! 6 1. Estrutura da H2O Ângulo da ligação H – O – H 104,5º Ângulo em um tetraedro perfeito 109,5º - O núcleo do oxigênio atrai elétrons mais forte do que o núcleo do hidrogênio - Isso gera um dipolo, no qual o oxigênio possui carga negativa 2δ- e o hidrogênio carga positiva δ+ 7 Estrutura da H2O - Assim existe uma atração entre o oxigênio de uma molécula e o hidrogênio de outra molécula. Essa interação é chamada Ligação de hidrogênio! Ligação de hidrogênio 0.177 nm Ligação covalente 0.0965 nm 8 As ligações de hidrogênio são mais fracas do que as ligações covalentes. Estrutura da H2O Energia de dissociação de ligação: - ligação covalente 348 KJ/mol C-C - ponte de hidrogênio 20 KJ/mol 9 Curiosidade Embora, em todo instante, a maioria das moléculas de água esteja ligada por pontes de hidrogênio, o tempo de vida de cada ponte de hidrogênio é menor que 1 x 10-9s. TEORICAMENTE – uma molécula de água pode formar até 4 pontes de hidrogênio NA ÁGUA LÍQUIDA– uma molécula de água forma 3,4 pontes de hidrogênio, devido ao constante movimento NO GELO – uma molécula de água forma 4 pontes de hidrogênio com outras moléculas de água num arranjo regular “Aglomerados oscilantes” 10 Arranjo cristalino das moléculas de água A passagem da água do estado sólido para o líquido requer a quebra de várias ligações de hidrogênio o que contribui para o alto ponto de fusão da água! O mesmo acontece com a passagem da água do estado líquido para o gasoso, o que também justifica o alto ponto de ebulição! H2O(s) H2O(l) ΔH = +5,9 KJ/mol H2O(l) H2O(g) ΔH = +44 KJ/mol 11 12 Ela é formada entre um átomo eletronegativo e um átomo de hidrogênio ligado covalentemente a outro átomo eletronegativo. Ligações de hidrogênio com solutos polares Aceptor de Hidrogênio Doador de Hidrogênio As ligações de hidrogênio não são restritas à água! Ligações de hidrogênios comuns em sistemas biológicos 13 Isso explica porque o butanol CH3CH2CH2CH2OH tem um alto ponto de ebulição (117 ºC) enquanto o butano CH3CH2CH2CH2CH3 tem um baixo ponto de ebulição (-0,5 ºC) Ponto de fusão ºC Ponto de ebulição ºC Calor de vaporização (J/g) Ponto de fusão, Ponto de ebulição e calor de vaporização de alguns solventes 14 Algumas ligações de hidrogênio de importância biológica Entre o grupo hidroxila de um álcool e água Entre o grupo carbonila de uma cetona e água Entre grupos peptídeos em polipeptídeos Entre bases complementares do DNA Timina Adenina 15 Ponte de hidrogênio forte Ponte de hidrogênio fraca As pontes de hidrogênio são mais fortes quando os átomos participantes estão alinhados Confere estruturas tridimensionais precisas às moléculas de proteínas e ácidos nucléicos 16 A água como solvente A água é um solvente polar, portanto dissolve melhor SUBSTÂNCIAS POLARES, também chamada hidrofílicas. SUBSTÂNCIAS APOLARES, não são solúveis em água e são chamada hidrofóbicas. Há substâncias com parte apolar e outra polar: são chamadas de anfipáticas: sua solubilidade em água depende de vários fatores. 17 A água dissolve rapidamente as moléculas polares ou carregadas Polar Apolar Anfipática Não - PolarPolar Cera típicaGlicose Glicina Aspartato Lactato Glicerol Fenilalanina Fosfatidilcolina Alguns exemplos de biomoléculas polares, não polares e anfipáticas 18 Os íons de um sal interagem entre si de acordo com a lei de Coulomb 2 21 Dr qkq F F = é a força das interações iônicas em uma solução r = é a distância entre as cargas K = é uma constante de proporcionalidade 8,99 x 10 9 J m C-2 D = constante dielétrica Reflete o nº de dipolos de um solvente Por quê a água dissolve sais? 19 2 21 Dr qkq F Quanto maior a constante dielétrica menor a atração entre os dois íons Formamida 110 água 78,5 Dimetilsulfóxido 48,9 Metanol 32,6 Etanol 24,3 Amônia 16,9 Acetona 20,7 Clorofórmio 4,8 Éter-dietílico 4,3 Benzeno 2,3 Tetracloreto de carbono 2,2 Hexano 1,9 Constante dielétrica de alguns solventes 20 Solubilização de sais cristalinos: hidratação dos componentes iônicos A entropia aumenta à medida que a substância cristalina se dissolve: processo termodinamicamente favorável Íons Na+ hidratados Íons Cl- hidratado Note a orientação das moléculas de H2O 21 Os gases não-polares são pouco solúveis em água Solubilidade de alguns gases na água No sangue dos animais existem proteínas carreadoras para os gases O2 e CO2 EstruturaGás Polaridade Solubilidade em água g/L 22 Solubilidade das moléculas anfipáticas “Aglomerados oscilantes” de moléculas de água na fase aquosa Moléculas de água altamente organizadas formam “gaiolas” ao redor das cadeias alquílicas hidrofóbicas “Grupo-cabeça” hidrofílico Grupo alquila hidrofóbico 23 Interação hidrofóbica 24 As micelas não são associações de moléculas anfipáticas mais importantes na célula viva Mais importantes são os agregados planares em bicamada molecular, os quais constituem a base da estrutura das membranas biológicas 25 Parte da energia de ligação de um substrato polar à superfície da enzima provém do aumento da entropia, à medida que a enzima desloca a água organizada ao redor do substrato. Água organizada interagindo com o substrato e a enzima Moléculas de água deslocadas pela interação enzima-substrato Interação enzima-substrato estabilizada por pontes de hidrogênio, interações iônicas e hidrofóbicas A remoção da água organizada favorece a formação do complexo enzima-substrato Tabela 2-5 Quatro tipos de interações não-covalentes entre biomoléculas dissolvidas em um ambiente aquoso 1) Ligação de Hidrogênio Entre grupos neutros Entre ligações peptídicas 2) Interação iônica Atração Repulsão 3) Interação hidrofóbica 4) Interação de van der Waals Quaisquer dois átomos próximos entre si Tipos de interação não-covalente (fracas) 27Interação de van der Waals Ocorre entre quaisquer dois átomos não-carregados próximos entre si As forças de van der Waals resultam da interação entre dipolos momentâneos (frações de micro-segundos) Quando os átomos se aproximam as suas nuvens eletrônicas começam a se repelir Distância ótima En e r g i a Há uma distância ótima entre dois átomos, que é o ponto a partir do qual as forças de atração e repulsão se contrabalançam exatamente 28 Raio de van der Waals do O = 1.4 Å Envoltório de van der Waals O—H covalente; distância de ligação = 0.958 Å Raio de van der Waals do H = 1.2 Å Cada átomo tem um raio de van der Waals 29 Elemento Raio de van der Waals (nm) Raio de uma ligação covalente simples (nm) H 0.11 0.030 O 0.15 0.066 N 0.15 0.070 C 0.17 0.077 S 0.18 0.104 P 0.19 0.110 I 0.21 0.133 Raio de van der Waals de alguns elementos 30 Interações fracas são cruciais para a estrutura e a função das macromoléculas Interações enzima-substrato Estrutura quaternária de proteínas Estrutura DNA e RNA Ligação antígeno-anticorpo específico Ligação de hormônio ao seu receptor 31 Os solutos afetam as propriedades coligativas das soluções aquosas Pressão de vapor - Pressão de vapor é a pressão exercida por um vapor quando este está em equilíbrio dinâmico com o líquido que lhe deu origem, ou seja, a quantidade de líquido (solução) que evapora é a mesma que se condensa. Propriedades Coligativas são aquelas que dependem apenas do número de partículas do soluto em solução e não da natureza dessas partículas. 32 Pressão osmótica- pressão gerada pelo fluxo osmótico de água através de uma membrana semipermeável para um compartimento aquoso contendo soluto a uma concentração maior Ponto de fusão – passagem do estado sólido para o estado líquido Ponto de ebulição – passagem do estado líquido para o estado gasoso Propriedades Coligativas 33 Em água pura, cada molécula na superfície é água e todas elas contribuem para a pressão de vapor. Cada molécula no corpo da solução é água e pode contribuir para a formação de cristais de gelo. Nesta solução, a concetração efetiva da água é reduzida; apenas três de quatro moléculas no corpo da solução são água e a tendência de a água líquida formar o cristal é reduzida proporcionalmente. Formação de cristal de gelo Evaporação Osmose e a medida da pressão osmótica Osmose – movimento da água através de uma membrana semipermeável impelido por diferença na pressão osmótica, é um importante fator na vida da maioria das células Água pura Solvente não-permeante dissolvido na água A equação de van`t Hoff ajuda a medir a pressão osmótica: Π = icRT Onde: R = constante dos gases T = temperatura absoluta i = medida do grau de dissociação do soluto c=concentração molar do soluto ic – osmolaridade da solução Membrana semipermeável Pistão 35 Comparação entre soluções SOLUÇÕES ISOTÔNICAS – possuem a mesma osmolaridade. Rodeada por uma solução isotônica uma célula nem ganha e nem perde água SOLUÇÕES HIPOTÔNICAS – quando uma célula é rodeada por uma solução hipotônica ela entumece e eventualmente se rompe SOLUÇÕES HIPERTÔNICAS – quando uma célula é rodeada por uma solução hipertônica ela murcha à medida que a água flui para a solução 36 O rompimento das células (lise osmótica) seria uma catástrofe para a vida! Três mecanismos de proteção foram desenvolvidos 1)Bactérias e plantas – parede celular 2)Protozoários – vacúolo contrátil que bombeia água para fora da célula 3)Animais multicelulares – o plasma sanguíneo e o fluido intersticial são mantidos com a mesma osmolaridade do citoplasma Resposta ao toque nas plantas: um evento osmótico Vênus-pega-mosca Fechamento súbito da folha (0,5s) causado pela saída de K+ e consequente efluxo da água Mimosa pudica Os folículos da planta sensitiva, em forma de pena, fecham-se e murcham, protegendo a planta contra danos estruturais causados pelo vento 38 H2O(l) H + (aq) + OH - (aq) Tendência a ionização (equilíbrio) 2H2O(l) H3O + (aq) + OH - (aq) 2. Ionização da àgua Íon hidrônio Íon hidroxila 39 A ionização da água pode ser medida pela condutividade elétrica A água pura conduz corrente elétrica à medida que o H+ migra para o cátodo e o OH- para o ânodo A mobilidade dos íons H+ e OH- em solução aquosa é anormalmente rápida quando comparada com outros íons (Na+, K+ e Cl-) Íon hidrônio doando próton Salto protônico Água aceitando próton e tornando-se íon hidrônio 40 2.1. Constante de equilíbrio (Keq) Quantifica a ionização A + B C + D ]][[ ]][[ BA DC Keq No equilíbrio 41 ][ ]][[ 2OH OHH Keq 2.1. Constante de equilíbrio (Keq) -Keq água pura (25 °C) mede o grau de ionização da H2O H2O(l) H + (aq) + OH - (aq) 42 Em soluções aquosas diluídas o valor de [H2O] é essencialmente constante e igual a 1000 g litro-1 ou seja 1000 g litro-1/18,015 g mol–1 = 55,5 M; por isto, pode-se incluir [H2O] na constante K, definindo uma nova constante Kw ]][[][ 2 OHHOHKeqKw O valor da Keq para a água pura medido por condutividade elétrica é 1,8 x 10-16M Assim: ][ 2OHKeqKw Kw = [H+] [OH-] = 1,0 x 10-14 43 [H+] = [OH-] = 1,0 x 10-14 Na água pura [H+]2 = 1,0 x 10-14 MKH w 710][ [H+] > 10-7 M soluções ácidas [H+] < 10-7 M soluções básicas ou alcalinas Nos líquidos biológicos o valor de [H+] costuma estar próximo de 107 M; no sangue, por exemplo [H+] = 4,0 108 M Há exceções, no entanto, como o suco gástrico, por exemplo. 44 Problema: 1) Qual a concentração de H+ em uma solução de NaOH 0,1 M? ]][[][ 2 OHHOHKeqKw Resolvendo para H+ ][ ][ OH Kw H 1 x 10-14 M2 0,1 M = 10-13 M 45 pH é definido como o logarítmo negativo da concentração de H+ no meio ]][[][ 2 OHHOHKeqKw Tomando logarítmo negativo do produto iônico da água ])OH][Hlog([)10log(Klog 14w ]log[]log[)10log( 14 OHH Chamando –log [H+] = pH e –log [OH-] = pOH pOHpH14 46 A escala de pH é prática e costuma ser usada entre 0 e 14 Na água pura pH = log[H+] = log(107)= 7 Também na água pura: pOH = 14 – pH = 14 – 7 = 7 Alvejante doméstico Amoníaco doméstico Solução de bicarbonato de sódio Água do mar Sangue humano Leite, saliva Café preto Cerveja Suco de tomate Vinho tinto Coca-Cola, vinagre Suco de limão Suco gástrico Importante: Note que a escala de pH é logarítmica e não aritmética, ou seja, uma solução de pH 6,0 possui 10 vezes mais prótons do que uma solução de pH 7,0. Aumenta basicidade Aumenta acidez Neutro 47 A Escala de pH 48 Atividade catalítica das enzimas; Diagnóstico de doenças (sangue e urina). Ex.: pH do plasma sanguíneo de pessoas com diabetes grave é menor que o valor normal de 7,4 (acidose) ou maior (alcalose) Importância do pH pH afeta a estrutura e a atividade de macromoléculas biológicas 49 Para regular o pH intracelular a célula utiliza a química para ajudá-la. As células utilizam o que chamamos de SISTEMA-TAMPÃO Os sistemas-tampões são constituídos de um ácido fraco e sua base conjugada. Os ácidos e bases fortes HCl H+ + Cl- H2SO4 2H + + SO4 - NaOH Na+ + OH- KOH K+ + OH- Ácidos Fortes Bases Fortes Dissociam 100% quando em solução aquosa 51 O maior interesse dos bioquímicos está nas propriedades dos ácidos e bases fracas, ou seja, aqueles que não dissociam completamente quando em solução aquosa. Os ácidos e bases fracas também possuem constantes de dissociação Teoria de Bronsted-Lowry: - Um ácido pode ser definido como um doador de próton - Uma base pode ser definida como um aceptor de próton Ácido acético Um doador de próton Ânion acetatoUm aceptor de próton 52 A tendência de um ácido ionizar-se é medida pela constante de equilíbrio (Keq) da reação reversível HA H+ + A- Ka HA AH Keq ][ ]][[ Ka = constante de dissociação – quanto mais forte o ácido maior a constante de dissociação 53 pKa = -log Ka Podemos definir o pKa de um ácido como sendo Essa definição é análoga à definição de pH. Quanto menor o pKa mais forte é o ácido. 54 55 As curvas de titulação revelam o pKa dos ácidos fracos Titulação de 0,1 M do HAc com 0,1 M de NaOH, a 25°C HAc H+ + Ac- H2O(l) H + (aq) + OH - (aq) ][ ]][[ HAc AcH Ka Kw = [H+] [OH-] = 1,0 x 10-14 =1,74 x 10-5 M • Usada para determinar a concentração de um ácido em uma solução. • Volume do ácido é titulado com uma base forte (NaOH) até a neutralização deste ácido. 56 Início da titulação molécula ligeiramente ionizada Ponto médio da Titulação Metade do ácido original dissociou-se Fim da titulação Todo ácido original dissociou-se No ponto médio da titulação o pH = pKa Região de Tamponamento Equivalentes de OH- adicionados Porcentagem da titulação 57 Equivalentes de OH- adicionados Porcentagem da titulação Regiões de tamponamentoNas extremidades das curvas o pH varia MUITO com POUCOS equivalentes de HO- adicionados Na faixa média, com pH`s próximos aos dos pKa`s, no entanto, o pH varia POUCO com MUITOS equivalentes de HO- adicionados Curvas de titulação de três ácidos fracos 58 Demonstrando matematicamente que no ponto médio da titulação o pH = pKa ]HA[ ]A][H[ Ka HA H + A+ - ]A[ ]HA[ K]H[ a Resolvendo para [H+] ]A[ ]HA[ logKlog]Hlog[ a Tomando logarítmos negativos ]HA[ ]A[ logpKpH a Como vimos: -log[H+] = pH e –logKa = pKa Portanto: equação de Henderson-Hasselbalch 59 No ponto médio da titulação [A-] = [HA], logo 1log apKpH Log 1 = 0, portanto apKpH Importante: O detalhe mais importante na curva de titulação de um ácido fraco é que ela mostra graficamente que um ácido fraco e o seu ânion – um par ácido- base conjugado – podem funcionar como um tampão 60 TAMPÕES - São sistemas aquosos que resistem às variações do pH quando quantidades relativamente pequenas de ácido (H+) ou base (OH-) são adicionados à solução =1,74 x 10-5 M =10-14 M2 61 Ácido Ka (M) pKa HCOOH (ácido fórmico) 1,78 104 3,75 CH3COOH (ácido acético) 1,74 10 5 4,76 CH3CH2COOH (ácido propiônico) 1,35 10 5 4,87 CH3CH(OH)COOH (ácido lático) 1,38 10 4 3,86 H3PO4 (ácido fosfórico) 7,25 10 3 2,14 H2PO4 (dihidrogênio fosfato) 1,38 107 6,86 HPO4 2 (monohidrogênio fosfato) 3,98 1013 12,4 H2CO3 (ácido carbônico) 1,70 10 4 3,77 HCO3 (bicarbonato) 6,31 1011 10,2 NH4 + (amônio) 5,62 1010 9,25 pKa e Ka de alguns ácidos e bases fracas 62 Exercício 1) Calcular o pKa do ácido láctico, sabendo-se que, quando a concentração de ácido láctico é 0,010 M e a concentração de lactato é 0,087 M, o pH da solução é 4,8. 63 TAMPÕES EM SISTEMAS BIOLÓGICOS Os fluídos intra e extracelulares dos organismos multicelulares apresentam pH característico e praticamente constante devido: -o citoplasma contém altas concentrações de proteínas que possuem muitos aminoácidos com grupos funcionais que são ácidos ou bases fracas e contribuem para a manutenção do pH celular. pKa = 6,0 Exemplo: Cadeia lateral da histidina 64 - Nucleotídeos como o ATP Anidrido Anidrido Éster Adenina -Ácidos orgânicos (tamponam os vacúolos de células vegetais) -Amônia (tampona a urina) TAMPÕES EM SISTEMAS BIOLÓGICOS Algumas organelas e compartimentos extracelulares contêm altas concentrações de compostos que contribuem para a capacidade tamponante 65 O sistema-tampão fosfato age no citoplasma de todas as células H2PO4 - H+ + HPO4 2- pKa = 6,86, portanto é um bom tampão entre os pH’s de 5,9 a 7,9 Nos mamíferos os fluidos extracelulares e a maioria dos compartimentos citoplasmáticos têm um pH na região entre 6,9 e 7,4 TAMPÕES EM SISTEMAS BIOLÓGICOS 66 O plasma sanguíneo é tamponado pelo sistema- tampão bicarbonato CO2(d) + H2O K ' H2CO3 Ka H + HCO3+ - ]OH][CO[ ]COH[ 'K 2)d(2 32 ]COH[ ]H][HCO[ K 32 3 a Equação 1 Equação 2 Ka HHCO COH ]][[ ][ 332 Substituindo na equação 1K ]CO[ ]HCO][H[ ]OH[K'K )d(2 3 2a ]CO[ ]HCO[ logpKpH )d(2 3 67 O valor do produto K’Ka[H2O] é igual a 7,95 10 7 e portanto pK = 6,1 Este valor não está muito próximo ao pH do sangue (7,4), mas ocorre que a capacidade de tamponamento do sistema depende muito de CO2(d), que por sua vez, está em equilíbrio com o gás carbônico gasoso, isto é, CO2(g): 2CO )d(2 eq p ]CO[ K ]CO[ ]HCO[ logpKpH )d(2 3 K ]CO[ ]HCO][H[ ]OH[K'K )d(2 3 2a 68 Sangue Pulmões CO2(g) CO2(d) H2CO3 H+ + HCO3 - H2O H2O Reação 1 Reação 2 Reação 3 Quando H+ é adicionado ao sangue, à medida que ele passa através dos tecidos, a reação 1 desloca-se para um novo equilíbrio, em que a [H2CO3] é maior. Isso aumenta a pressão parcial do CO2(g) nos pulmões. Quando o pH aumenta (produção NH3 pelo catabolismo de proteínas), ocorre eventos opostos: [H+] no plasma sanguíneo diminui, provocando a dissociação do H2CO3. Isso causa uma maior dissolução de CO2(g) dos pulmões, no plasma sanguíneo. A velocidade respiratória pode ajustar rapidamente esses equilíbrios com a finalidade de manter o pH do sangue praticamente constante. Alterações do Equilíbrio Ácido-Básico Condição Causas possíveis acidose respiratória apnéia ou capacidade pulmonar prejudicada, com acúmulo de CO2 nos pulmões. acidose metabólica ingestão de ácido, produção de cetoácidos no diabetes descompensado ou disfunção renal. (Em todas elas, há um acúmulo de H+ não decorrente de um excesso de CO2.) Condição Causas possíveis alcalose respiratória hiperventilação, produzindo diminuição do CO2 no sangue. alcalose metabólica ingestão de álcali (base), vômitos prolongados (perda de HCl) ou desidratação extrema levando a retenção de bicarbonato pelos rins. (O aspecto comum é a perda de H+ não decorrente de uma baixa do CO2 sangüíneo)
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