bioquímica da água

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BIOQUIMICA - AGUA
SOLVENTE UNIVERSAL
Bioquímica
Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)
41 pag.
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Água em sistemas biológicos
“Eu acredito que à medida que os métodos de 
química estrutural forem aplicados a problemas 
fisiológicos, descrobriremos que a importânica das 
pontes de hidrogênio para a fisiologia são maiores do 
que qualquer outra característica estrutural.”
—Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 
1939
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• Contribui para formas/funções das moléculas 
biológicas;
• Atua como meio e transporte na maioria das 
reações bioquímicas;
• Participa ativamente em muitas reações;
• Sofre oxidação para produção de O2 na 
fotossíntese (conversão da energia solar em uma 
forma química utilizável).
Água como solvente em sistemas biológicos
olécula de água é central para a bioquímica
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Água como solvente em sistemas biológicos
Água é essencial aos organismos. Primeiros organismos vivos se 
desenvolveram na água. A conquista do ambiente terrestre é 
recente na história evolutiva.
A estrutura e assim a função de 
enzimas como a luciferase 
(representada ao lado) é 
estritamente dependente do 
solvente em que está dissolvida.
Molécula de DNA e sua camada de hidratação
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Porção do citoplasma com 3 tipos 
de filamentos: microtúbulo 
(centro), filamentos intermediários 
e dois filamentos de actina.
Replicação do DNA.
Enzima DNA polimerase no 
centro. DNA entrando uma uma 
fita abaixo e saindo como duas 
acima (mostradas em branco). 
Fibras de cromatina mostradas 
em cada lado da forquilha de 
replicação.
Citoplasma
Núcleo
Água é ainda mais importante devido a superlotação 
intracelular
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Propriedades físicas da água
• Estrutura tetraédrica
• Molécula polar
Água – físico-química
Pontes de H são mais 
fortes em ângulos retos
δ-= -0,66e
δ+= +0,33e
Distância mais 
curta que a 
prevista pelo 
raio de van der 
Waals
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Ponte de hidrogênio: Tipo especial de interação dipolo-dipolo entre um 
átomo de hidrogênio em uma ligação polar como N-H, O-H e F-H e um 
átomo eletronegativo O, N ou F.
Hidrogênio é o único elemento a usar elétrons da camada 1s para 
interação. Quando um elemento mais eletronegativo atrai esse elétron, o 
próton fica exposto, o que favorece a atração pelo par de elétrons livre 
do aceptor de ponte de H.
Pontes de hidrogênio
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Potencial para 4 pontes de H/molécula
Cada molécula atua 
como doador (2x) e 
aceptor (2x) de pontes 
de H.
Energia de ligação de 
~20kJ/mol (união faz a 
força). Ligação C-C 348 
kJ/mol
Duração média de 1 
ponte de H = 1 x 10-9s 
a 25°C
A 25°C, em média 3,4 
ligações/molécula de 
H2O.
A 0°C, 4 
ligações/molécula de 
H2O
Água a 0°C
Anéis de 6 moléculas
Expansão do volume
Redução da densidade
Pontes de hidrogênio dão a água suas propriedades pouco 
convencionais
ntropia e entalpia de transição de fase
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Cristais de gelo causam 
ruptura de membranas e 
consequentemente lise 
celular.
Estrutura 
bipiramid
al 
hexagona
l
Semente de cristal de gelo
O gelo como um problema para os organismos
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Mar Drugs. 2013 Jun; 11(6): 2013–2041
Pseudopleuronectes americanos
Solha-de-inverno
Doador de ponte de H!Face hidrofóbica
Peptídeos anticongelantes recobrem a 
semente de gelo e expõem uma face 
hidrofóbica que impede o recrutamento de 
outras moléculas de H2O.
Anti-freezing peptides!
O gelo como um problema para os organismos
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Pontes de hidrogênio importantes em biomoléculas
Entre hidroxilas e água em carboidratos
Em peptídeos
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Pontes de hidrogênio importantes em biomoléculas
Na estrutura do DNA
Ligações T-A 
são mantidas 
por 2 pontes 
de H
Ligações G-C 
são mantidas 
por 3 pontes 
de H
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O DNA de bactérias hipertermofílicas tem 
maior conteúdo de G-C. Mais difícil a 
desnaturação.
Pyrolobus fumarii – temperatura ótima de 106°C
Aumento da 
hidrofobicidade de 
resíduos de aminoácidos 
hidrofóbicos no core 
protéico.
Adaptações moleculares para 
suportar temperaturas 
elevadas.
Hipertermófilos
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Dissolução de solutos carregados
Cargas são parcialmente neutralizadas!
Aumento da entropia do sistema (∆S>0)
gua tem constante dielétrica alta devido o número de dipolos presentes.
Onde F= força, Q1 e Q2, as cargas, ε = cte dielétrica, r 
= distância entre cargas.
lubiliza bem e cria ligações soluto-solvente para grupos protonados (COO-, NH3+)
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Moléculas apolares em água
Interação de H2O com solutos apolares
A dissolução de compostos apolares em 
água é desfavorável devido o fator 
entrópico resultante da odernação da 
água em torno de solutos apolares, o 
que gera os clatratos. Moléculas de 
H2O em clatratos mantém as pontes de 
H por mais tempo (como se estivessem 
com temperatura mais baixa que o bulk 
da solução) e são menos móveis. 
Forças 
de van 
der 
Walls
∆H<0, ∆S<0 
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Moléculas anfifílicas
Minimização da superfície de contato entre 
água e a porção hidrofóbica das moléculas 
faz com que moléculas anfifílicas formem 
micelas ou bicamadas
É o efeito hidrofóbico que gera estas 
estruturas e estas são estabilizadas por 
forças de van der Walls
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https://www.docsity.com/?utm_source=docsity&amp;utm_medium=document&amp;utm_campaign=watermarkMoléculas anfifílicas
Preparação de bicamadas lipídicas é 
energeticamente favorável
Processo 
espontâneo 
(∆G<0)
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Solvatação de biomoléculas e água estrutural
Água 
estrutural, 
intimamente 
associada à 
estrutura da 
Hemoglobina. 
Sítios de 
ligação na 
superfície da 
proteína.
Liberação de 
moléculas de 
água 
ordenadas 
favorecem a 
formação de 
complexos, 
com aumento 
de entropia 
(∆S>0). 
Entropy-
Hemoglobina com água
Hemoglobina sem água
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Água estrutural pode participar do mecanismo de catálise
Água no interior da 
enzima participa 
efetivamente do ciclo
Hidrólise da amida (ligação peptídica)
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Propriedades coligativas: pressão de vapor, ponto de ebulição, 
ponto de fusão e pressão osmótica.
Variações nessas propriedades tem a mesma base: 
concentração de água em soluções é menor que na água pura.
Solutos afetam as propriedades coligativas da água
Independe das propriedades 
químicas do soluto, 
dependendo somente de 
concentração.
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Células e a pressão Osmótica
Osmose é o movimento de água por uma membrana semi-permeável 
dirigida por diferenças na pressão osmótica
A pressão osmótica é a definida como a força necessária para prevenir o 
movimento de água. Quanto maior a concentração de solutos na célula, 
maior a pressão osmótica.
, ic = osmolaridade da solução
Constante dos gases
Temperatura
c = concentração
i = tendência à ionização{
Depende do número de 
solutos e não de sua 
massa.
Macromoléculas tem 
mesmo efeito que 
micromoléculas na 
osmolaridade.
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Osmolaridade do meio x célula
Meio isotônico, hipertônico e hipotônico
Hemácias em 
meio isotônico
Hemácias em 
meio 
hipertônico
Hemácias em 
meio hipotônico
Solução salina = 0,9% NaCl
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As células da maioria das 
plantas e bactérias é 
revestida de uma 
parede celular rígida 
capaz de suportar a 
pressão osmótica gerada 
no interior.
Dionaea muscipula 
responde a um leve toque de 
um inseto, sequestrando-o 
para digestão, 
provavelmente, devido a 
mudança de pressão nas 
células mesófilas que 
promovem a liberação de 
íons K+ e resulta no efluxo de 
Adaptações comuns em organismos
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Ruptura do equilíbrio osmótico por peptídeos antimicrobianos
Peptídeos helicoidais anfifílicos
Ruptura do equilíbrio osmótico de E. coli leva ao influxo de água, turgor 
e posterior lise com morte celular.
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Difusão
ema separado por uma membrana semi-permeável
imento de uma região de alta concentração para uma de baixa concentra
imento até igualar a concentração de soluto permeável em ambos os sistem
ge-se o equilíbrio químico
A diálise é uma técnica importante para troca 
de solvente de amostras em um laboratório de 
bioquímica
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Keq = [H3O+][OH-] 
 [H2O]
= 1.0 ×10-14 = Kw 
ou
[H3O+][OH-] = 1.0 ×10-14 
1,8.10-16 M (55,5 M) = [H3O+]
[OH-] 
2 H2O H3O+ OH-
A água pura é levemente ionizada
Experimental!
Molaridade da água
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pH 7
pH 2 pH 13
pH em função da concentração de H+ e OH-
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Ácidos fracos
s fracos (não ionizam completamente em água) são interessantes para a bioquím
ugado ácido-base: doador e aceptor de próton correspondentes:
H3COOH ↔ CH3COO- + H+ (Ác. Acético e acetato)
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Curvas de titulação revelam o pKa de ácidos fracos
Adição de uma base forte (OH-), 
retira H+ formando H2O. Com a 
retirada de H+, mais HAc dissocia 
para H+ e Ac-, liberando H+ e 
contrabalançando a adição de OH-. 
Isso ocorre até o consumo completo 
do ácido acético, que ocorre em pH 
7. Após isso, somente o equilíbrio Kw 
Considere a titulação de 0,1M 
de Ác. Acético HAc com 0,1M de 
NaOH.
2 equilíbrios reversíveis
-
10 -5 M
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Tamponamento
O tamponamento é 
a consequência e 
duas reações 
reversíveis 
simultâneas e que 
atingem seu 
equilíbrio de acordo 
com as constante 
Kw e Ka.
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Curvas de titulação revelam o pKa de ácidos fracos
Ácidos e seus pares 
conjugados podem servir 
como tampões. 
Tampões são soluções 
que resistem à 
variação de pH quando 
pequenas quantidades 
de ácidos e de bases 
são adicionadas a uma 
solução.
A faixa de tamponamento 
é sempre uma unidade 
abaixo e uma acima do 
pKa do ácido.
A forma da curva é igual 
para todos os tampões e 
é dada pela equação de 
Henderson-Hasselbach.
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Pepsina: enzima digestiva que metaboliza proteína no suco 
gástrico.
Tripsina: enzima digestiva que metaboliza proteína no intestino 
delgado.
Lisozima: encontrada no olho e muco, hidrolisa ligações 
glicosídicas (p.e. do peptideoglicano da parede celular de 
Influência do pH na atividade enzimática
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A equação de Henderson-Hasselbach
Resolvida para H+
Tirando –log de ambos os lados:
O que equivale a:
Que de maneira geral:
, que corresponde a constante de equilíbrio de um ácido fraco
Dada a equação,
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Usando a equação de Hasselbalch, podemos calcular a razão do par 
ácido/base conjugada em qualquer pH quandoconhecemos o pKa. Por 
exemplo, se queremos um pH 8,2 para um tampão H2PO4
- e HPO4
2-, 
podemos calcular a razão. 
pKH2PO4- = 7,20
Exemplo de aplicação de Henderson-Hasselbach
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Calcule o pH de uma 1L de solução contendo 0,1M de ácido fórmico (pKa 
= 3,75) e 0,1M de formato de sódio antes e depois da adição de 1mL de 
NaOH 5M. Em quanto o pH da solução seria alterado caso o NaOH fosse 
adicionado a 1L de água pura?
Exemplo de aplicação de Henderson-Hasselbach
Você quer testar a atividade de enzimas 
lisossomais, organela cujo pH é 5. Se você tiver 
preparado 1L de tampão acetato 10mM pH 
4,76, quanto de NaOH 1M você deve colocar 
para elevar o pH para 5?
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Escolhendo um tampão
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• Nos organismos existem alguns 
mecanismos para evitar que 
ocorram variações bruscas no pH. 
Estes mecanismos são de ordem 
fisiológica, química ou ambos. 
• Os de natureza fisiológica estão 
relacionados a alguns órgãos 
como os pulmões ou rins que 
eliminam substâncias indesejáveis 
ou em excesso, ácidas ou bases, e 
reservam outras, dependendo da 
necessidade momentânea do 
indivíduo. 
• Os de ordem química são 
aqueles relacionados à 
substâncias químicas que se 
encontram dissolvidas no plasma, 
líquido intersticial ou líquido 
intracelular e que agem como 
tampões biológicos evitando a 
Tampões 
biológicos
Químico
Fisiológico
Sistema 
respiratório Sistema 
renal
Mecanismos regulatórios do pH fisiológico
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Anidrase carbônica: enzima 
representativa que catalisa a 
hidratação do CO2 dissolvido ao 
íon HCO3
- e H+ (via H2CO3). Anidrase carbônica
10.2210/pdb1ca2/pdb
Tampões biológicos e pH fisiológico
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O sistema H2PO4-/HPO42- 
constitui-se em um 
efetivo tampão que atua 
principalmente a nível 
celular e que apresenta 
grande importância no 
sistema renal 
Plasma sanguíneo: bicarbonato/gás carbônico
Citoplasma das células/fluidos extracelulares
fosfato diácido/fosfato monoácido
Tampão fosfato e bicarbonato
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Tampão bicarbonato no sangue
Produção de prótons 
mediante atividade 
metabólica desloca os 
equilíbrios para a 
produção de CO2 
gasoso, o qual é 
expelido pelos 
pulmões.
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• Distúrbios no sistema tamponante do sangue podem levar a 
condições conhecidas como acidose (≤ pH 7,1) ou alcalose 
(pH ≥ 7,4).
• As concentrações de CO2 e HCO3- podem ser reguladas pelo 
sistema respiratório e rins, respectivamente. O tampão 
bicarbonato mantém o pH do sangue numa faixa 
compreendida entre 7,35 e 7,45, resistindo às variações de 
pH para cima ou para baixo desses valores. 
Tampão bicarbonato no sangue
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Acidose metabólica devido a distúrbios genéticos
Metilmalonil-CoA Mutase
X
Acúmulo
• Acúmulo de ácido metilmalônico leva a 
acidez metabólica
• Tratamento com bicarbonato de sódio oral 
ou venoso
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