Aula Água e Soluções

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Biofísica (BR011)
Prof. Dr. Helotonio Carvalho
Departamento de Biofísica e Radiobiologia – UFPE 
Recife, 2016
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 (pontes 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 pontes 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
Pontes de Hidrogênio
Ponte 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 pontes de H!!
As pontes 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
Pontes de Hidrogênio
O arranjo aproximadamente tetraédrico dos
orbitais ao redor do O da molécula de H2O
permite teoricamente pontes 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 pontes 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 pontes de H com outras 4 moléculas.
Pontes de H no gelo
Influência de pontes de hidrogênio nos pontos 
de fusão e de ebulição da água
Pontes de hidrogênio importantes em 
sistemas biológicos
Pontes de hidrogênio são direcionais
Pontes 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 pontes 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 oudescer 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?