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Biofísica (BR011) Prof. Dr. Helotonio Carvalho Departamento de Biofísica e Radiobiologia – UFPE Recife, 2017 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 (ligações 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 ligações de hidrogênio entre moléculas de água. ➢Os orbitais da molécula de água, incluindo os orbitais não-ligantes do oxigênio, possuem um arranjo aproximadamente tetraédrico. Exemplos de biomoléculas apolares, polares e anfifílicas Interações fracas em sistemas aquosos Ligações (ou Pontes) de Hidrogênio ➢Ligações 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 ligações de H!! ➢As ligações 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 Ligações de Hidrogênio ➢O arranjo aproximadamente tetraédrico dos orbitais ao redor do O da molécula de H2O permite teoricamente ligações 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 ligações 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 ligações de H com outras 4 moléculas. Pontes de H no gelo Influência de ligações de hidrogênio nos pontos de fusão e de ebulição da água Ligações de hidrogênio importantes em sistemas biológicos Ligações de hidrogênio são direcionais ➢Ligações 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 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 ligações 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 a compartimentalização 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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