BIOQ - Molécula da água

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25/02/2018
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UNIDADE II:
Molécula da água 
Profa. Dra. Deborah Moura Rebouças
BIOQUÍMICA
Conteúdo
 O que é a água?
 As ligações de hidrogênio são responsáveis pelas 
propriedades incomuns da água;
 A água forma ligações de hidrogênio com solutos polares;
 A água interage eletrostaticamente com solutos carregados;
 Gases apolares são fracamente solúveis em água;
 Compostos apolares forçam mudanças energeticamente
desfavoráveis na estrutura da água;
 Interações fracas são cruciais para a estrutura e a função
das macromoléculas;
 Solutos afetam as propriedades coligativas de soluções
aquosas;
 A água pura é levemente ionizada;
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Conteúdo
 A ionização da água é expressa pela constante de 
equilíbrio;
 A escala de pH indica as concentrações de H+ e OH-;
 Ácidos e bases fracas têm constantes de dissociação
ácidas características;
 As curvas de titulação revelam o pKa de ácidos fracos;
 Tamponamento contra mudanças no pH em sistemas
biológicos;
 Ácidos ou bases fracas tamponam células e tecidos
contra as mudanças de pH;
 Equação de Henderson-Hasselbalch;
 A água como reagente.
O que é a água?
É a substância mais abundante nos sistemas vivos, 
constituindo mais de 70% do peso da maioria dos 
organismos.
A molécula de água e seus
produtos de ionização, H+
e OH-, influenciam
profundamente a estrutura, 
a organização e as 
propriedades de todos os 
componentes celulares.
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As ligações de hidrogênio são responsáveis
pelas propriedades incomuns da água
As propriedades incomuns são consequência da atração entre as 
moléculas de água adjacentes que oferece à água líquida grande 
coesão interna. 
As ligações de hidrogênio são responsáveis
pelas propriedades incomuns da água
Estrutura da molécula de água
As ligações de hidrogênio são mais longas e mais fracas que as ligações covalentes O-H.
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As ligações de hidrogênio são responsáveis
pelas propriedades incomuns da água
Pontes de hidrogênio no gelo
•No gelo, cada molécula de água 
forma 4 ligações de hidrogênio, o 
máximo possível para uma molécula 
de água, criando uma estrutura de 
rede regular. 
•Em contraste, na água líquida em 
temperatura ambiente e pressão 
atmosférica, cada molécula de água 
faz uma média de 3,4 ligações de 
hidrogênio com outras moléculas.
•Essa rede cristalina regular faz o 
gelo ser menos denso que a água 
líquida, e, assim, o gelo flutua na 
água líquida.
A água forma ligações de hidrogênio com
solutos polares
Pontes de hidrogênio comuns em sistemas biológicos
As ligações de hidrogênio não são exclusivas para a molécula de água. 
Elas se formam prontamente entre um átomo eletronegativo (aceptor 
de H) e um átomo de H ligado covalentemente a outro átomo 
eletronegativo (doador de H).
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A água forma ligações de hidrogênio com
solutos polares
Algumas ligações de hidrogênio biologicamente importantes.
Álcoois, aldeídos, cetonas e compostos contendo ligações N—H 
formam ligações de hidrogênio com moléculas de água e tendem 
a ser solúveis em água.
A água forma ligações de hidrogênio com
solutos polares
Orientação da ligação de hidrogênio
• A atração entre as cargas elétricas parciais é maior quando os três átomos 
envolvidos na ligação (neste caso, O, H e O) estão dispostos em linha reta.
• Quando as porções ligadas por hidrogênio estão estruturalmente restritas 
(quando fazem parte de uma única molécula de proteína, por exemplo), a 
geometria ideal pode não ser possível e a ligação de hidrogênio resultante é 
mais fraca. Isso é importante para a estrutura de proteínas e ácidos nucléicos.
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A água interage eletrostaticamente com
solutos carregados
• Substâncias hidrofílicas: dissolvem-se em água
• Substâncias hidrofóbicas: não se dissolvem em água
A água interage eletrostaticamente com
solutos carregados
A água dissolve muitos sais cristalinos por hidratação de seus íons. 
A rede cristalina do NaCl é desfeita quando as moléculas de água 
se aglomeram ao redor dos íons Na+ e Cl-. As cargas iônicas são 
parcialmente neutralizadas, e as atrações eletrostáticas 
necessárias para a formação da rede são enfraquecidas.
Água como solvente
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Gases apolares são fracamente solúveis em
água
Compostos apolares forçam mudanças
energeticamente desfavoráveis na estrutura
da água
Ácidos graxos de 
cadeia longa têm 
cadeias de grupos 
alquila muito 
hidrofóbicas, cada 
qual envolta por 
uma camada de 
moléculas de água 
altamente 
ordenadas.
Compostos anfipáticos em solução aquosa
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Compostos apolares forçam
mudanças energeticamente
desfavoráveis na estrutura
da água
• Pela aglomeração conjunta em 
micelas, as moléculas de ácidos 
graxos expõem a menor área 
superficial possível na água, e 
menos moléculas de água serão 
necessárias na camada de água 
ordenada. 
• A energia ganha pela liberação das 
moléculas de água até então 
imobilizadas estabiliza a micela.
Compostos anfipáticos em solução aquosa
Compostos apolares forçam
mudanças energeticamente
desfavoráveis na estrutura
da água
A libertação de água ordenada favorece a formação de um complexo enzima-substrato
• Quando separados, enzima e 
substrato forçam moléculas de água 
vizinhas a formar uma camada 
ordenada. 
• A ligação do substrato com a enzima 
liberta uma parte da água ordenada, e 
o aumento resultante na entropia 
favorece termodinâmicamente a 
formação do complexo enzima-
substrato.
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Interações fracas são
cruciais para a 
estrutura e a função
das macromoléculas
Interações fracas são cruciais para a 
estrutura e a função das macromoléculas
A água ligada à hemoglobina
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Interações fracas são cruciais para a 
estrutura e a função das macromoléculas
A água ligada ao citocromo f 
na fotossíntese, o que fornece 
um caminho para os prótons se 
moverem através da membrana
Efeito da osmolaridade 
extracelular sobre o 
movimento da água através 
de uma membrana plasmática
Solutos afetam as propriedades coligativas
de soluções aquosas
Quando uma célula em balanço 
osmótico com o meio 
circundante – isto é, uma 
célula em a) um meio 
isotônico – é trasferida para b) 
uma solução hipertônica ou c) 
uma solução hipotônica, a 
água tende a se mover através 
da membrana na direção que 
deve igualar a osmolaridade 
nos lados externo e interno da 
célula.
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Pequenos "saltos" de prótons entre uma série 
de moléculas de água ligadas por 
hidrogênio resultam em um movimento 
líquido extremamente rápido de um 
próton em uma longa distância. Como o 
íon hidrônio (superior esquerdo) doa um 
próton, uma molécula de água a uma certa 
distância (inferior direito) adquire um, 
tornando-se um íon hidrônio. O salto de 
prótons é muito mais rápido que a difusão 
verdadeira e explica a mobilidade iônica 
incrivelmente alta dos íons H+ em 
comparação com outros cátions 
monovalentes, tais como Na+ e K+. Salto de prótons
A água pura é levemente ionizada
A ionização da água é expressa pela 
constante de equilíbrio
25°C : [H2O] = 55,5 M
Keq = 1,8 x 10
-16M
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A escala de pH indica as concentrações de 
H+ e OH-
25°C:
O pH de alguns fluidos aquosos
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Ácidos e bases fracas têm constantes de 
dissociação ácidas características
Pares conjugados ácido-base consistem de um doador de prótons e de 
um aceptor de prótons
Ácidos e bases fracas têm constantes de 
dissociaçãoácidas características
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As curvas de titulação revelam o pKa de 
ácidos fracos
• A titulação é usada para determinar a concentração de um 
ácido em uma dada solução.
• Um volume conhecido do ácido é titulado com uma 
solução de uma base forte, usualmente o hidróxido de 
sódio (NaOH), de concentração conhecida.
• O hidróxido é adicionado em pequenos volumes até que o 
ácido seja totalmente consumido (neutralizado), como 
determinado por um indicador ou pelo uso de um 
pHmetro. 
• A concentração do ácido na solução original pode ser 
calculada a partir do volume e da concentração do NaOH 
adicionado.
As curvas de titulação revelam o pKa de 
ácidos fracos
A curva de titulação de ácido acético
Após a adição de um pequeno volume 
de NaOH à solução de ácido acético, 
o pH da mistura é medido. Essa 
operação é repetida até que o ácido 
seja convertido em sua forma 
desprotonada, o acetato. O valor de 
cada edição é lançado em gráfico em 
função do pH da mistura. Dessa 
forma, os pontos obtidos constituem 
a curva de titulação. 
Região azul: região de maior capacidade 
tamponante útil
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Tamponamento contra mudanças no pH em
sistemas biológicos
• Quase todos os processos biológicos são dependentes do pH; uma 
pequena variação no pH produz uma grande variação na velocidade do 
processo.
• Tampões são sistemas aquosos que resistem às variações do pH quando 
quantidades relativamente pequenas de ácido (H+) ou base (OH-) são 
adicionadas à solução.
• Um sistema-tampão consiste de um ácido fraco (o doador de prótons) e 
sua base conjugada (o aceptor de prótons). 
Sistema-tampão ácido 
acético-acetato
Sistema-tampão do bicarbonato no plasma sanguíneo que atravessa os 
capilares alveolares
Ácidos ou bases fracas tamponam células e 
tecidos contra as mudanças de pH
Como a concentração do CO2 dissolvido pode ser ajustada rapidamente por meio 
de mudanças na velocidade da respiração pulmonar, o sistema-tampão 
bicarbonato do sangue está quase sempre em equilíbrio com um grande 
reservatório de CO2. 
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A Equação de Henderson-
Hasselbalch é utilizada para 
calcular o pH de uma 
solução-tampão a partir do 
pKa (a constante de 
dissociação do ácido) e de 
concentrações do equilíbrio 
ácido-base, do ácido ou base 
conjugada.
Equação de Henderson-Hasselbalch
Equação de Henderson-Hasselbalch: 
derivação
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Equação de Henderson-Hasselbalch: 
exercícios
1. Calcular o pKa do ácido lático, sabendo-se que, quando a 
concentração de ácido lático é 0,010M e a concentração de 
lactato é 0,087M, o pH da solução é 4,8.
Equação de Henderson-Hasselbalch: 
exercícios
2. Calcular o pH de uma mistura que contém ácido acético 0,1M e 
acetato de sódio 0,2M. O pKa do ácido acético é 4,76.
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Equação de Henderson-Hasselbalch: 
exercícios
3. Calcular a relação entre as concentrações de acetato e de ácido
acético requerida para um sistema-tampão com pH 7,3. O pKa
do ácido acético é 4,76.
Participação da água em reações biológicas
A água como reagente
Reação de condensação: os elementos da água são eliminados.
Reação de hidrólise: clivagem acompanhada pela adição de 
elementos de água.
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Referência utilizada
NELSON, D. L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de 
Lehninger. 6. ed. Porto Alegre: Artmed, 2014.
Obrigada 
pela 
atenção!