Bioquímica da Água

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Bioquímica: Água 
Profa. Raiana Luz
ÁGUA
Substância mais abundante nos seres vivos.
É uma substância líquida, incolor, inodora e insípida (sem paladar), essencial e composta apenas por H (2) e O (1).
Principais Átomos :C, H, O, N, P, S
(Composiçãoda Matéria Viva)
Molécula
Proporção
Água
70 a 80%
Proteínas
10 a 15%
Lipídeos
2a 3%
Glicídios
1 %
Ácidos Nucléicos
1%
Sais Minerais
1%
70% da massa da maioria dos organismos é formada de água
TRANSPORTE DE SUBSTÂNCIAS
Organismos evoluíram e apresentam sistemas circulatórios a base de água para transporte (linfa, sangue e seiva vegetal).
A urina é uma maneira de eliminar toxinas.
As células apresentam-se em estado colóidal (rico em água) o que facilita transporte de substâncias.
FACILITA REAÇÕES QUÍMICAS
TERMORREGULAÇÃO
Seres vivos só podem existir em uma estreita faixa de temperatura.
A água evita variações bruscas de temperatura dos organismos.
A transpiração diminui a temperatura corporal de mamíferos.
LUBRIFICANTE
Nas articulações e entre os órgãos a água exerce um papel lubrificante para diminuir o atrito entre essas regiões.
A lágrima diminui o atrito das pálpebras sobre o globo ocular.
A saliva facilita a deglutição dos alimentos.
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VARIAÇÕES NA TAXA DE ÁGUA
ESPÉCIE
Água-viva - 98% de água
Sementes - 10% de água
Espécie humana - 70% de água (valor relativo) 
VARIAÇÕES NA TAXA DE ÁGUA
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56% de um corpo adulto é LÍQUIDO
Maior parte dessa fração (2/3) fica DENTRO das células
(LÍQUIDO INTRACELULAR)
Os demais 1/3 se localizam FORA das células
Movimentação constante – sangue
(LÍQUIDO EXTRACELULAR)
LÍQUIDOS EXTRACELULARES
X
LÍQUIDOS INTRACELULARES
GUYTON, A. Fisiologia Humana. 
METABOLISMO
A quantidade de água é diretamente proporcional à atividade metabólica da célula.
Neurônio – 80% de água
Célula óssea – 50% de água
Tensão superficial 
Porque a coisa mais importante para se conhecer bioquímica é a água ?
Estritamente restritos a desidratação 
Pontes de Hidrogênio
ESTRUTURA ELETRÔNICA DA ÁGUA
(a) geometria: tetraedro grosseiro;
(b) oxigênio mais eletronegativo atrai
 a nuvem eletrônica (dipolo elétrico)
	- átomo de H: carga parcial positiva
	- átomo de O: duas cargas parciais negativas
(c) o ângulo de ligação H-O-H (104,5°).
RESULTADO: atração eletrostática entre o oxigênio
 de uma molécula e o hidrogênio de outra.
Estrutura da molécula de água
Carga parcial
negativa no O
Cargas parciais
positivas nos Hs
Modelo 
bastão-e-bola
Modelo de
preenchimento espacial
O oxigênio é mais eletronegativo que o hidrogênio atraindo a nuvem eletrônica mais para si, essa distribuição desigual faz com que a água se comporte como um dipolo
Oxigênio: parcialmente negativo (d-)
Hidrogênio: parcialmente positivo (d+)
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Pontes de Hidrogênio
“Ligação” (interação) relativamente fraca.
A soma de todas as pontes de Hidrogênio confere coesão a molécula de água.
10% covalente
90% eletrostática
Ligação H-O covalente
Quebra: 470Kj/mol
Ponte de Hidrogênio
Quebra: 23Kj/mol
Estrutura da molécula de água: 
ponte de hidrogênio
Ponte de hidrogênio
0.177 nm
Ligação covalente
0.0965 nm
Símbolo para 
ponte 
de hidrogênio
A forma da molécula de água é determinada pela geometria dos orbitais externos do átomo de oxigênio que (ocupa uma posição central) similar a um carbono sp3
Os orbitais não ligados comprimem as ligações O—H fechando ligeiramente o ângulo formado entre elas 109,5o g 104,5o
carbono sp3
(tetraedro)
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Polaridade da água
A diferença de eletronegatividade faz com que a água seja um composto POLAR.
“Regra dos semelhantes”.
Semelhante dissolve semelhante;
Polar – polar ; Apolar – apolar;
Biomoléculas polares (açúcares) têm elevada dissolução;
Efeito estabilizante das pontes de hidrogênio;
Outros solúveis em água:
Álcoois
Aldeídos
Cetonas 
Compostos nitrogenados (N-O ; ex.: bases do DNA)
Hidrofílicos X Hidrofóbicos
HIDROFÍLICO
(aquele que tem afinidade por água)
(POLAR)
(se dissolvem facilmente na água)
Ex.: proteínas, bases nitrogenadas, sais NaCl
HIDROFÓBICO
(aquele que tem medo da água)
(APOLAR)
(NÃO se dissolvem facilmente na água)
Ex.: clorofórmio, benzeno, lipídios
A água é capaz de formar outras pontes de hidrogênio com outras moléculas que são polares
Citoplasma celular é composto por água e todas as reações químicas que ocorrem nele, só funcionam porque a água é um solvente muito poderoso
As pontes de hidrogênio conferem à água propriedades incomuns
Altos ponto de fusão, ebulição e calor de evaporação
Ponto de 
fusão (o C)
Ponto de 
ebulição (o C)
Calor de 
evaporação(J/g)*
* A energia requerida para converter 1.0 g da substância do estado líquido para o estado gasosos à pressão atmosférica sem aumentar a temperatura. É uma medida direta da energia necessária para superar as forças de atração entre as moléculas na fase líquida.
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	COMO O ESTADO SÓLIDO DA ÁGUA CONSEGUE SER 
MENOS DENSO E FLUTUAR SOBRE O ESTADO LÍQUIDO?
Pontes de Hidrogênio
Pontes de Hidrogênio
O arranjo tetraédrico permite a interação com até 4 outras moléculas. 
Água líquida: moléculas desorganizadas.
Água sólida: molécula fixa (4 pontes).
Pontes no gelo: treliça cristalina
Espaços intermoleculares bem organizados
Menor densidade
Gelo flutua sobre a água
Pontes de Hidrogênios
Não são exclusivamente da água.
Presentes entre:
Um átomo eletronegativo (receptor de hidrogênio – O, N)
Com outro átomo de H que já seja ligado em átomo eletronegativo
A presença da ponte de hidrogênio varia propriedades físico-químicas da molécula.
A água forma pontes de hidrogênio com solutos polares
Aceptor de hidrogênio
Doador de hidrogênio
O aceptor de hidrogênio é, geralmente, um oxigênio ou nitrogênio
O hidrogênio doador está sempre ligado a um átomo eletronegativo (O, N, S)
A ligação C—H não é suficientemente polar para formar pontes de hidrogênio
Alcoóis, aldeídos, cetonas e compostos que contenham o grupamento N—H e tendem a ser solúveis
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Pontes de Hidrogênio
Ponte de hidrogênio sendo induzida entre a H2O e o HCl.
Aceptor de életrons
Doador de életrons
Pontes de hidrogênio comuns em sistemas biológicos
Entre grupamentos peptídicos em polipeptídeos
adenina
Entre bases complementares do DNA
Entre hidroxila de um álcool e a água
Entre a carbonila de uma cetona e a água
timina
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Alguns exemplos de moléculas polares, apolares e anfipáticas (pH: 7,0)
Grupamentos polares
Grupamentos apolares
Glicose
(açúcar de 6 carbonos)
Glicina (aminoácido)
Aspartato
(aminoácido)
Lactato
Glicerol
Uma cêra típica
Fenilalanina
(aminoácido)
Fosfatidil colina
(fosfolipídio 
de membrana)
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Água solubiliza íons
Cristal de NaCl sendo dissolvido e solvatado por moléculas de água.
Mudança do ângulo da água
Estabilização dos íons do cristal
A água interage eletrostáticamente com solutos carregados
ex.: a dissolução do NaCl
Na+ hidratado
(solvatado)
Cl- hidratado
(solvatado)
Cristal de NaCl anidro
Formação de uma camada de solvatação
O oxigênio da água (d-) interage com Na+
O hidrogênio da água (d-) interage com o Cl-
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Isso é importante para a Bioquímica ?
A maioria das reações estão dissolvidos em água
70% do nosso corpo é água 
Essas interações determinam não só a estrutura como a função de quase tudo em sistemas biológicos, inclusive a solubilidade de gases que são biologicamente muito relevantes. 
Gases apolares são pouco solúveis em água
Solubilidade de alguns gases na água
Gas
Estrutura
Polaridade
Solubilidade em água (g/L)
Nitrogênio
Apolar
0.018 (40 °C)
Oxigênio
Apolar
0.035 (50 °C)
Dióxido de carbono
Apolar
0.97 (45 °C)
Amônia
Polar
900 (10 °C)
Sulfeto de hidrogênio
Polar
1,860 (40 °C)
Capacidadede reagir com a água aumenta em muito a solubilidade
Sistemas biológicos utilizam proteínas transportadoras para aumentar a solubilidade dos gases. Ex.: hemoglobina-O2
O gás mais importante do organismo é NÃO POLAR.
Ele é HIDROFÓBICO!
Como ele é carreado pelo sangue?
O CASO DO GÁS CO2
Principal produto de degradação de substratos energéticos em organismo aeróbico que produz CO2 como resultado do metabolismo.
CO2 é produzido nas nossas células e precisa ser transportado em algum sistema para expelir, e tem que ser em solução aquosa.
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Como O2 (gás não-polar) encontra-se solúvel no sangue (polar)?
Proteína polar que transporta 
O2 na corrente sanguínea.
Porque óleo não dissolve em água ?
Um ácido graxo no meio aquoso
As moléculas de água em contato com a cauda apolar de (hidrocarboneto) ficam com sua capacidade de formar pontes de H sub-otimizada.
Isso leva a um aumento da quantidade de pontes de H água—água na região circundante a cauda apolar
Ou seja, nessa região a água se torna mais organizada, mais parecida com o gelo.
Cauda 
Hidrofóbica
(alquila)
Moléculas de água à volta da cauda hidrofóbica
Agregados de moléculas de água na “bulk phase”
“Cabeça”
hidrofílica
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Lipídeos dispersos em água
Agregados de moléculas lipídicas
(monocamada)
Micela
Regiões apolares se agregam enquanto regiões polares interagem com a água do meio
Agrupando-se em monocamadas e/ou em micelas as moléculas de ácido graxo minimizam a exposição de sua cauda apolar à água. A otimização nas pontes de hidrogênio água-água estabiliza os agregados lipídicos formados.
Na estrutura da micela apenas as cabeças polares ficam expostas á águam, todas as caudas apolares se escondem no cerne de sua estrutura (interações hidrofóbicas) 
Comportamento de lipídios em meio aquoso
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Só as ligações de hidrogênio contribuem para a manutenção da estrutura das biomoléculas? 
Existem outras interações não covalentes entre grupos funcionais de biomoléculas que contribuem para a estrutura e função dessas moléculas.
Quatro tipos de interações não covalentes (“fracas”) entre biomoléculas em meio aquoso
Ponte de Hidrogênio
Interações iônicas
Atrativa
Repulsiva
Interações hidrofóbicas
Interações de vander Waals
Quaisquer átomos em estreita proximidade
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Água e Osmose
OSMOSE:
 Movimento da água;
Meios com concentrações diferentes de solutos;
Através de uma membrana semipermeável.
Processo físico importante na sobrevivência das células.
H2O
H2O
Meio menos concentrado
(menor quantidade de soluto)
Meio mais concentrado
(maior quantidade de soluto)
H2O
H2O
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Osmose e pressão osmótica 
Osmose é o movimento de água através de uma membrana semipermeável causado por diferença na pressão osmótica entre os lados da membrana
Água pura
Soluto não permeante dissolvido em água
Membrana semipermeável
Embolo
Estado inicial
Estado final
Água e Osmose
Membrana plasmática – permeável
 íons, macromoléculas
Bicamada lipídica possui canais protéicos
Permite-se a passagem da água (canais chamados de aquaporinas)
Soluções Isotônica
Soluções Hipertônicas
Soluções Hipotônicas
Dependente da concentração
de moléculas do soluto.
Efeito da osmolaridade do meio no movimento da água através da membrana de uma célula
Solutos extracelulares
Solutos intracelulares
Meio hipertônico – a água sai, a célula encolhe
Meio isotônico - a quantidade de água que entra é igual a que sai
Meio hipotônico – a água entra, a célula incha até arrebentar
A membrana celular é mais permeável a água do que aos seus solutos
Plantas usam pressão osmótica para conseguir rigidez mecânica
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Água e Osmose
Solutos extracelulres
Solutos 
 intracelulres
Meio Isotônico: nenhuma 
movimentação de água.
Meio Hipertônico: saída de
água. A célula murcha. 
Meio Hipotônico: entrada excessiva
de água. A célula se distende e 
eventualmente pode romper 
a membrana.
Hora de Pesquisar !!!
Sobre a cetoacidose diabética:
Aponte as complicações para o paciente.
pH e a água
pH 7,0 (neutro) – solução contém [H+] = [OH-]
pH abaixo de 7,0 (ácido) – solução com maior [H+]
pH acima de 7,0 (básico) – solução com maior [OH-]
Variações no pH afetam o funcionamento de macromoléculas.
Cada enzima (catalisador) possui uma faixa de pH ideal para funcionamento;
As células do organismo mantém-se em pH próximo a neutralidade;
O pH sanguíneo é controlado para média de 7,4:
Casos de diabetes descontrolado
pH sangue abaixo de 7,4
Acidose diabética (morte celular, pode ser fatal)
pH até menores que 6,8
Cetoacidose 
Poliúria (↑ vol. Urinário)
Náusea, vômito
Fadiga muscular
Coma, morte
pH e água
O pH de alguns fluidos aquosos.
Observe:
 A faixa de neutralidade do sangue;
 A maioria da reações bioquímicas
 se limita a essa faixa de pH.
Lembre-se:
A escala de pH é logarítmica;
Cada ponto de variação representa 10 vezes [H+].
Caso da acidose diabética
7,4 queda para 6,8
0,6 pontos de variação = 6 vezes mais ácido 
pH e água
As enzimas possuem (cada qual) uma faixa de pH ideal para promoverem seu efeito catalisador biológico.
Pepsina: secretada no sulco gástrico
Tripsina: Enzima digestiva do int. delgado
Fosfatase alcalina: enzima hidrolítica da
		 mineralização ósseas
Tampões
DESSA FORMA A IDÉIA DE UM TAMPÃO
REMETE A UMA SUBSTÂNCIA QUE EM
DETERMINADA FAIXA DE pH CONSIGA NÃO
PERMITIR VARIAÇÕES BRUSCAS NAS 
CONCENTRAÇÕES DE H+ OU OH-.
Tampões Fisiológicos Importantes
Tampão fosfato 
Citoplasma de todas as células
pKa: 6,86 
Tampão bicarbonato
Atua na corrente sanguínea
pKa: próximo de 7,4
Fase aquosa
(sangue)
Fase gasosa
(pulmão)
 CO2 pulmonar esta em equilíbrio com o tampão
 O CO2 se une a água para formar ácido carbônico (H2CO3)
 A elevação de H+ no sangue faz a protonação do íon bicarbonato para forma de H2CO3
Exercícios
1) Por que a água é uma molécula polar? 
2) Que tipos de interações favoráveis (forças intermoleculares) uma molécula polar pode realizar com a água? 
3) Explique a dissolução de sais em água. Por que este é um fenômeno favorável? 
4) Que tipo de moléculas são insolúveis em água? Por quê? 
5) O ponto de ebulição da água é de + 100º C e do metano, - 162º C. Explique por que, embora estas substâncias tenham massas moleculares semelhantes, possuem propriedades físicas tão distintas.
Resumo- 
interações fracas em meio aquoso
A grande diferença de eletronegatividade entre H e O torna a água altamente apolar e capaz de formar pontes de hidrogênio consigo mesma e com solutos
A água é um bom solvente para moléculas polares (hidrofílicas) com as quais forma pontes de H e carregadas com as quais interage eletrostáticamente
Compostos apolares (hidrofóbicos) não formam pontes de H, dissolvem pouco na água. 
Para minimizar sua exposição a água os lipídeos se agregam na forma de membranas e micelas onde as porções hidrofóbicas se escondem da água.
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Resumo- 
interações fracas em meio aquoso
Numerosas interações fracas não covalentes influenciam no enovelamento de macromoléculas como proteínas e ácidos nucléicos
Nas macromoléculas, a conformação mais estável é a que maximiza as pontes de H intamoleculares e com a água, e com as porções hidrofóbicas escondidas no interior de macromolécula
As propriedades físicas das soluções aquosas são muito influenciadas pelas concentrações dos solutos
A tendência da água de se mover através de uma membrana semipermeável no sentido de menor osmolaridade para o de maior é chamado osmose.
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