A Importância da Água e dos Tampões em Processos Biológicos

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Dentre as diversas moléculas constituintes de uma célula, sabe-se que a água é seu componente de maior importância e o mais abundante, sendo que esta representa cerca de 70% da constituição da maioria dos organismos e participa basicamente de todas as reações químicas das células. É sabido que a água é uma molécula assimétrica e que sua importância está em sua natureza dipolar, onde temos sua tendência a se combinar com íons negativos e positivos maior que a tendência desses íons se combinarem entre si. A presença de carga parcial positiva em seus átomos de hidrogênio e de carga parcial negativa no átomo de oxigênio, o qual possui dois pares de elétrons não-compartilhados, permite que a água se associe com outras quatro moléculas através de pontes de hidrogênio. Graças a capacidade que a água tem de formar pontes de hidrogênio ela possui propriedades únicas como altos pontos de fusão e ebulição, alto calor específico e elevado calor de vaporização. 
O que determina as propriedades solventes da água, em grande parte, é a sua natureza polar. Compostos iônicos com cargas inteiras e compostos polares com cargas parciais tendem a dissolver-se em água, pois estes conseguem interagir com a água através das pontes de hidrogênio, fato que não é observado quando se trata de compostos apolares, que não se dissolvem em água, pois não conseguem interagir com esta por pontes de hidrogênio e na presença destes compostos há um ordenamento energeticamente desfavorável das moléculas de água em sua superfície. As substâncias que tendem a dissolver-se em água são chamadas hidrofílicas e as substâncias que não se dissolvem em água são chamadas hidrofóbicas. Em uma mesma molécula é possível a presença de porções tanto polares (hidrofílicas) quando apolares (hidrofóbicas), nessa situação a molécula é chamada anfipática. 
É graças a esta função fundamental da água como solvente que ela desempenha um papel fundamental nos processos biológicos devido as suas propriedades ácido-básicas. Por definição, ácidos são substâncias com capacidade de ceder/doar prótons em uma reação e bases são substâncias com capacidade de receber prótons em uma reação. Existe um valor numérico conhecido como constante de dissociação ou Ka, que indica a quantidade de íons hidrogênio que um ácido libera, 8 quando dissolvida certa quantidade desse ácido em água, portanto a partir desse valor é expressa a força do ácido. É conhecida ainda, uma outra constante que determina a tendência que a água tem de dissociar-se e formar os íons hidrogênio e hidróxido, essa constante é chamada de Kw ou constante do produto iônico da água. Graças a esta definição, na água pura a concentração de íons hidrogênio é igual à concentração dos íons hidroxila, portanto é dito que a solução está em um pH neutro. O pH é a medida da concentração de íons hidrogênio em uma solução, sendo que esta medida pode ser obtida em valores aproximados, com a utilização de corantes indicadores, e em valores precisos com a utilização de um pHmetro.
Soluções tampões – também conhecidas como tampões - são soluções que diminuem a variação de pH (ácido ou básico), mantendo-o aproximadamente constante, mesmo com adição de pequenas quantidades de ácidos ou bases.
Os tampões possuem resistência à variação de pH em detrimento do equilíbrio químico entre uma espécie ácida e sua base conjugada, as quais permitem que o meio sofra pequenas perturbações pela adição de ácido ou base, já que as concentrações delas são próximas. As espécies ácidas e básicas presentes não devem reagir entre si. Deste modo, estes devem ser produzidos a partir de um ácido fraco e de um sal proveniente deste ânion ou de uma base fraca e de um cátion proveniente desta. No primeiro caso, geralmente, tem- se um tampão com pH maior que 7 e, no segundo, menor que 7.
Existe uma equação, conhecida como equação de Herdenson-Hasselbalch, que relaciona o pH com o Ka e com as concentrações de ácido e base conjugados. Esta é a equação de dissolução de um ácido fraco, que é utilizada para adiantar as propriedades de um tipo de solução que é utilizada para manter o pH de misturas de reação. Esse tipo de solução é conhecido como solução-tampão, que é constituída pela a mistura de ácidos fracos à suas bases conjugadas. Como citado anteriormente, uma solução tampão é capaz de impedir mudanças drásticas/ acentuadas de pH diante da adição de pequenas quantidades de ácido ou de base fortes. Existem certos fatores que determinam a eficiência de um tampão, sendo que esta é restrita a uma faixa de pH na qual as concentrações de ácido e base conjugada são capazes de compensar adições de ácido e base fortes. A partir da equação de Herderson-Hasselbalch observa-se, que quando há quantidades iguais nas concentrações de ácido e base conjugados o pH dessa solução é igual ao valor do pKa do ácido fraco, sendo que a melhor a atuação de um tampão se dá nessas condições. Portanto, a zona de maior eficiência de um tampão é aquela na qual existem, simultaneamente, 50% de ácido conjugado e 50% de base conjugada. Essa região de maior eficiência pode ser determinada a partir de uma curva de titulação, que é representada a partir de um gráfico de pH x os valores equivalentes de base adicionados durante a titulação de um ácido qualquer. De modo que, a eficiência de um tampão se encontra relacionada com a sua concentração. 
Existe, porém um limite para as quantidades de ácido ou de base adicionadas a uma solução tampão antes que um dos componentes seja totalmente consumido. Este limite é conhecido como a capacidade tamponante de uma solução tampão e é definido como a quantidade de matéria de um ácido ou base forte necessária para que 1 litro da solução tampão sofra uma variação de uma unidade no pH.
Quando uma gota de ácido forte é adicionada à água, o pH muda significativamente. Quando a mesma quantidade, porém, é adicionada a um tampão, o pH praticamente não muda.
Assim como uma esponja só pode absorver certa quantidade de água, um tampão também só pode tamponar certa quantidade de prótons. As fontes e ralos de prótons se esgotam quando quantidades muito grandes de ácidos ou bases fortes são adicionadas á solução. A capacidade tamponante é a quantidade máxima de ácido ou de base que pode ser adicionada sem que o tampão perca sua capacidade de resistir à mudança de pH. O tampão se exaure quando a maior parte da base fraca é convertida em ácido ou quando a maior parte do ácido fraco é convertido em base. Um tampão mais concentrado tem maior capacidade do que um tampão diluído.
A capacidade do tampão também depende das concentrações relativas do ácido fraco e da base fraca. De um modo geral, o que se verifica experimentalmente é que o tampão tem alta capacidade quando a quantidade da base presente é, pelo menos, cerca de 10% da quantidade de ácido. Se isto não acontece, a base é rapidamente consumida quando um ácido forte é adicionado. De forma semelhante, o tampão tem alta capacidade quando a quantidade de ácido presente é, pelo menos, cerca de 10% da quantidade de base. Se isso não acontece, o ácido é rapidamente consumido quando uma base forte é adicionada.
A existência de um sistema-tampão se faz necessária pelo fato de que muitas reações biológicas são extremamente sensíveis a variações de pH, e estas não ocorrem se este estiver um pouco fora de seu valor ótimo. Além disso, a estrutura e a atividade de macromoléculas biológicas importantes, como por exemplo as proteínas, são alteradas havendo perda de suas atividades em extremos de pH.
Os tampões têm um papel importante em processos químicos e bioquímicos, nos quais é essencial a manutenção do pH. Assim, muitos processos industriais e fisiológicos requerem um pH fixo para que determinada função seja desempenhada. Por exemplo, o sistema tampão HCO3 –/H2CO3 é importante fisiologicamente, uma vez que controla o transporte de CO2 no sangue e o pH do mesmo.
As soluções tampão também regulam o funcionamento do corpo humano. Para que o corpo funcione corretamente, o pH dos fluídos deve ser mantido dentrode certos limites bem próximos. O pH do sangue, por exemplo, deve ficar entre 7,35 e 7,45. Para controlar o pH sanguíneo, o principal tampão utilizado pelo organismo é o tampão de bicarbonato. Se uma base entra no sangue, os íons OH-reagem com a parte ácida do tampão; se um ácido entra no sangue, os íons H+reagem com a parte básica, sempre mantendo o pH em uma faixa muito restrita. Este sistema evita variações de 0.3 unidades de pH as quais poderiam trazer graves consequências ao ser humano.
Como exemplo destas soluções, tem-se o sangue humano e a água do mar, os quais possuem pH constante em toda a sua extensão. Assim, estas são amplamente utilizadas quando há a necessidade da manutenção do pH próximo à um valor preestabelecido.
Quando um ácido forte é adicionado a uma solução que contém íons CH3CO2- e moléculas CH3COOH, em concentrações aproximadamente iguais, os íons H3O+ recém chegados transferem prótons para os íons CH3CO2- para formar moléculas CH3COOH e H2O. Como os íons hidrônio adicionados são removidos pelos íons acetato, o pH se mantém, quase inalterado. Se, ao contrário uma pequena quantidade de base for adicionada, os íons OH- da base removem os prótons das moléculas CH3COOH para produzir íons CH3CO2- e moléculas H2O. Como uma base forte foi substituída por uma base fraca, a concentração dos íons OH- permanece praticamente inalterada. Conseqüentemente, a concentração de H3O+ (e o pH) também se mantém quase constante
Conclusão
As soluções tampão por apresentarem a capacidade de manterem pH constante, são muito importantes, em vista que, em sistemas químicos e biológicos muitas substâncias simples e quase todos as moléculas biológicas se comportam como ácidos fracos, assim, as transformações químicas realizadas por estas substâncias são muito influenciadas pelo pH do meio, portanto, o controle desse fator se torna essencial.
Com o experimento foi possível verificar que soluções tamponadas apresentam uma pequena variação de pH quando a essas são adicionadas ácidos ou bases