Água, pH e tampões

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Aula 01 e 02 08/03/2021
Água, pH e tampões–
· Biomoléculas - são compostos de carbono com uma grande variedade de grupos funcionais. 
· A química dos organismos vivos está organizada em torno do carbono. 
- Ele pode formar ligações simples (-) com átomos de hidrogênio (H), assim como ligações simples (-) e duplas (=) com átomos de oxigênio (O) e nitrogênio(N).
Como pode ser visto a seguir:
· Essa capacidade dos átomos de carbono de formar ligações simples estáveis com até quatro outros átomos de carbono é de grande importância na biologia.
· Nem um outro elemento químico consegue formar moléculas com tantas diversidades de tamanhos, formas e composição.
· A maioria das biomoléculas deriva dos hidrocarbonetos tendo átomos de hidrogênio substituídos por uma grande variedade de grupos funcionais que conferem propriedades químicas específicas à molécula, formando diversas famílias de compostos orgânicos. 
Exemplos típicos são os álcoois, que têm um ou mais grupos hidroxila; aminas, com grupos amina; aldeídos e cetonas, com grupos carbonila; e ácidos carboxílicos, com grupos carboxila. 
· A “personalidade” química de um composto é determinada pela química de seu grupo funcional e pela sua disposição no espaço tridimensional. 
Bioquímica ilustrada de Harper. Victor W. Rodwell et al.] ; [tradução: Luís Fernando 
Água
A água é o componente químico predominante nos organismos vivos. As suas 
-> propriedades físicas únicas, que incluem a 
 * capacidade de solvatar uma ampla gama de moléculas orgânicas e inorgânicas, derivam da sua 
 * estrutura dipolar 
 * ligações de hidrogênio. 
A maneira como a água interage com uma biomolécula solúvel influencia as estruturas da biomolécula e da própria água. Sendo um 
* nucleófilo excelente, a agua é um reagente ou produto em muitas reações metabólicas.
A água apresenta ligeira propensão para se dissociar em íons hidróxido e prótons. A concentração dos prótons, ou acidez, das soluções aquosas geralmente é descrita com o uso da escala logarítmica do pH.
RESUMO
 A água forma agrupamentos ligados por ligações de hidrogênio com outras moléculas de água e com outros doadores ou aceptores de prótons. As ligações de hidrogênio contribuem para a tensão superficial, a viscosidade, o estado liquido na temperatura ambiente e o poder solvente da água.
Os compostos que contêm O ou N podem servir como doadores e/ou aceptores de ligações de hidrogênio.
As forças entrópicas fazem as macromoléculas exporem as regiões polares para a interface aquosa e aprofundarem as regiões apolares.
Pontes salinas, interações hidrofóbicas e forças de van der Waals participam da manutenção da estrutura molecular.
O pH é o log negativo de [H+]. Um pH baixo caracteriza uma solução ácida, e um pH alto denota uma solução básica.
A força de ácidos fracos é expressa pelo pKa, o log negativo da constante de dissociação do ácido. Os ácidos fortes apresentam valores de pKa baixos, e os ácidos fracos possuem valores de pKa altos.
Os tampões resistem a uma alteração no pH quando prótons são produzidos ou consumidos. A capacidade máxima de tamponamento ocorre ± 1 unidade de pH em ambos os lados do pKa. Os tampões fisiológicos incluem bicarbonato, fosfato e proteína.
Princípios de Bioquímica de Lehninger - 6ª Edição - Michael M. Cox
O primeiro organismo vivo na Terra sem dúvida nasceu em ambiente aquoso, e o curso da evolução tem sido moldado pelas propriedades do meio aquoso no qual a vida começou. 
As forças de atração entre as moléculas da água e a menor tendência da água em ionizar são de crucial importância para a estrutura e a função das biomoléculas.
2.1 Interações fracas em sistemas aquosos
As ligações de hidrogênio são responsáveis pelas propriedades incomuns da água.
-> Formato aproximado de tetraedro O ângulo de ligação H¬O¬H é de 104,5°
2.2 Ionização da água e de ácidos e bases fracas
	A escala de pH indica as concentrações de H1 e OH–.
	O produto iônico da água, Kw, é a base para a escala de pH (Tabela 2-6). É um meio conveniente de designar a concentração de H1 (e, portanto, de OH–) em qualquer solução aquosa no intervalo de 1,0 M H1 e 1,0 M OH–. O termo pH é definido pela expressão
	O símbolo p denota “logaritmo negativo de”. Para uma solução neutra a 25oC, na qual a concentração de íons hidro- gênio é exatamente 1,0 3 10–7 M, o pH pode ser calculado como se segue:
	Observe que a concentração de H1 deve ser expressa em termos molares (M).
O valor de 7 para o pH de uma solução neutra não é um número escolhido arbitrariamente, sendo derivado do valor absoluto do produto iônico da água a 25oC
Soluções com pH maior que 7 são alcalinas ou básicas; a concentração de OH– é maior que a de H1. Inversamente, soluções tendo pH menor que 7 são ácidas. 
· água pura se ioniza levemente, formando número igual de íons hidrogênio (íons hidrônio, H O1) e íons hidróxido. A extensão da ionização é descrita pela constante de equilíbrio, , da qual o produto iônico da água, Kw, é obtido. A 25oC, Kw = [H+] OH–] =(55,5 M) (Keq) 5 10–14 M2. 
- uma quantidade equimolecular de H+ e OH-, de maneira que [H+] = [OH-] = (Kw)112 = 107- M. Uma vez que [H+] e [OH-] estão reciprocamente relacionados conforme a Equação, se [H+] for maior do que esse valor, [OH-] deve ser proporcionalmente menor e vice-versa. 
- As soluções nas quais [H+l = 10-7 M são denominadas neutras, aquelas com [H+l > 10-7 M são chamadas de ácidas e aquelas com [H+l < 10-7 M são chamadas de básicas. A maioria das soluções fisiológicas tem uma concentração de íons hidrogênio perto da neutralidade. Por exemplo, normalmente o sangue humano é ligeiramente básico, com [H+l = 4,0 X 10-8 M.
O que é pH?
p- O LOGARITMO NEGATIVO DE alguma coisa. 
· O pH de uma solução aquosa reflete, em escala logarítmica, a concentração de íons hidrogênio: 
· Quanto maior a acidez de uma solução, mais baixo é o pH. Ácidos fracos se ionizam parcialmente para liberar um íon hidrogênio, baixando, portanto, o pH de uma solução aquosa. Bases fracas aceitam um íon hidrogênio, aumentando o pH. A extensão desses processos é característica de cada ácido ou base fraca e é expressa como uma constante de dissociação ácida: 
· A tendência de um ácido fraco se dissociar  e doar um íon hidrogênio para a solução é representada pelo seu Ka, que é a constante de equilíbrio para dissociação ácida. Assim, quanto maior o Ka, maior a tendência de dissociar um próton.
· O pKa expressa, em uma escala logarítmica, a força relativa de um ácido ou base fraca: 
· Quanto mais forte o ácido, menor é o seu valor de pKa; quanto maior a base, maior é o valor do pKa. O pKa pode ser determinado experimentalmente; é o pH no ponto central da curva de titulação para o ácido ou a base. 
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Marzzoco, Anita Bioquímica básica/Anita Marzzoco, Bayardo Baptista Torres. – 4. ed. – Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2015.
Sistemas tampão
p.14
Brönsted definiu: ácidos como substâncias capazes de doar prótons e bases como substâncias capazes de recebê-los.
Segundo essa definição, em uma reação acidobásica Um ácido de Br0nsted (nesse caso, HA) reage com uma base de Br0nsted (nesse caso, H20), formando a base conjugada do ácido (A-) e o ácido conjugado da base (H30 +) (essa reação é geralmente abreviada na forma de HA H+ + A - , em que está implícita a participação da água). Então, o íon acetato (CH3COO-) é a base conjugada do ácido acético (CH3COOH) e o íon amônio (NH;) é o ácido conjugado da amônia(NH3). 
O íon (Cl–, HSO4– etc.) — ou a molécula (NH3, H3C– NH2) — resultante da dissociação é denominado base conjugada do ácido, já que pode receber um próton, convertendo­se novamente no ácido conjugado respectivo.
1.2 definição e propriedades
Um sistema-tampão é constituído por um ácido fraco e sua base conjugada. que é na verdade a forma do ácido que perdeu seu próton. 
sistemas­tampão, capazes de impedir grandesvariações de pH quando a adição de ácidos ou álcalis. Um sistema­tampão é denominado pela sua base conjugada: tampão acetato, tampão fosfato etc.
Voet – bioquímica
Um tampão ácido-base é uma mistura de um ácido fraco com sua base conjugada em uma solução com pH próximo ao pK do ácido. 
	Tampões são funcionalmente efetivos somente na faixa de pH entre pK ± 1. 
Fora dessa faixa, o pH da solução modifica-se rapidamente pela adição de ácidos ou bases fortes. A capacidade tamponante também depende da concentração total do par ácido-base. Os líquidos biológicos em geral são tamponados ao redor da neutralidade. 
Os íons fosfato e carbonato que participam como componentes da maior parte dos fluidos biológicos são importantes para o tamponamento, pois seus respectivos pKs estão nessa faixa de pH (Tabela 2.3). 
 Aula 01
Água
“solvente da vida, solvente para reações bioquímicas. 
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Voet – bioquímica pag. 67
Solubilidade é uma propriedade que depende da capacidade que um solvente tem em interagir com um soluto de uma maneira mais forte do que as partículas de soluto têm em interagirem entre si.
O caráter polar da água a torna um excelente solvente para materiais polares e iônicos, que são denominados hidrofílicos.
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A reatividade depende do seu potencial de ionização. 
A molécula da água é polar, pois existe uma distribuição desigual polarizada de cargas, o átomo de O XIGENIO apresenta uma carga parcial negativa e cada átomo de H hidrogênio uma carga parcial positiva, formando assim um dipolo, dessa forma as moléculas de agua, podem interagir entre si, por pontes de hidrogênios ou ligações de hidrogênio.
As ligações de hidrogênio são mais longas e por isso mais fracas em relação as ligações covalentes. 
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Voet – Bioquímica
A energia de uma ligação de hidrogênio ( kJ · mol- 1 na água) é pequena quando compa- 
rada às energias das ligações covalentes (p. ex., 460 kJ · mol-1 para uma ligação covalente 0-H). 
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Orientação das ligações de hidrogênio
- 	A atração das cargas elétricas parciais são máximas quando os três átomos envolvidos na ligação (HIDROGENIO-OXIGENIO-HIDROGENIO) estão em linha reta, forma Ligação de hidrogênio forte. Formando uma ligação ideal.
	O ÂNGULO então interfere na força da ligação.
Ionização
A constante de equilíbrio da água pode ser medida pela sua condutividade elétrica a 25 graus, que é igual a 1,8 x 10 (elevado a -16 M).
 
Qual a importância do produto iônico (Kw) da água?
O Produto iônico da água é a base para escala de pH, que orienta um meio para concentração de hidrogênios e também de hidroxílicas em uma solução.
	A escala pH e pOH é logarítmica e não aritmética se duas soluções diferem em uma unidade, isso significa que uma solução tem 10x mais de íons hidrogênio que outra. 
Microbiologia – tortora
Assim, uma solução de pH 1 tem dez vezes mais íons hidrogênio que uma solução de pH 2, e 100 vezes mais íons hidrogênio que uma solução de pH 3.
Ele altera o funcionamento de micro e macro moléculas biológicas, exemplo: enzimas catalíticas, pH sanguíneo. 
Erosão dentaria por exposição a pH ERRADO. ácidos, 
Tampões
Como manter ou controlar o pH de uma solução? 
Com sistema tampão.
Ácidos fortes – em soluções aguosas diluídas eles estão completamente ionizados, assim como bases fortes. 
	Para os processos bioquímicos o que mais interessa no meio biológico é o comportamento de ácidos e bases não completamente ionizados quando dissolvidos em agua, ou seja, aquele ácidos e bases fracos, estão presentes no metabolismo e desempenham papel importantes na sua regulação, ajudando na manutenção do pH. 
Sistemas tampão consistem de:
 	Ácido fraco (doador de prótons)((porque se ionizam pouco, diferente dos ácidos fortes que se dissociam totalmente)) e de suas Bases conjugadas (Aceptor de próton). 
Contudo, existe um limite para a capacidade do sistema tampão de evitar variações bruscas no pH da solução pela entrada de H+ ou OH- no sistema. 
Um excesso de H+ pode converter todo o acetato disponível em ácido acético, e o inverso ocorre para um excesso de OH-. Nesse caso, o sistema tampão perde totalmente seu efeito. 
A faixa na qual um sistema tampão exerce seu efeito varia em duas unidades de pH, uma acima e uma abaixo do ponto de equilíbrio no qual a concentração do ácido e de sua base conjugada são equivalentes, ou seja, igual a 50% de cada um dos componentes. 
O pH onde ocorre 50% de dissociação, isto é, onde a concentração de doador de prótons do acido [HA]=[A-]se igualam a base conjugada receptora de prótons PODEM SER DETERMINADA POR TITULAÇAO 
Em outras palavras, a titulação determinada a concentração de um ácido em um dada solução.
Principais tampões biológicos
Como a presença no interior da célula do sistema tampão fosfato também presente na saliva. Do sistema Bicarbonato presente no sangue e também na saliva. E também das proteínas no meio intra-celular. 
0 fosfato é formado pelo fosfato biacido e monoácido. E o sistema bicarbonado pelo acido carbônico e pelo bicarbonato. As proteínas tem uma ação muito limitada. O fosfato e o bicarbonato ação mais predominante. 
plasma sanguíneo é tamponado em parte pelo sistema tampão do bicarbonato, consistindo em ácido carbônico (H CO ) como doador de prótons e bicarbonato (HCO –) 233 como aceptor de prótons (K1 é a primeira de várias constantes de equilíbrio no sistema de tamponamento do bicarbonato): 
O sangue pode recolher H1 do ácido láctico produzido no tecido muscular durante um exercício vigoroso. Alternativamente, ele pode perder H1, na protonação do NH3 produzido durante o catabolismo das proteínas. Quando H1 é adicionado ao sangue à medida que passa pelos te- cidos, a reação 1 da Figura 2-21 caminha para um novo equilíbrio, no qual a [H2CO3] aumenta. Isso, por sua vez, aumenta a [CO2(d)] no sangue (reação 2), aumentando as- sim a pressão parcial de CO2(g) no ar dos pulmões (reação 3); o CO2 excedente é exalado. Inversamente, quando H1 é perdido do sangue, a situação oposta ocorre: mais H2CO3 é dissociado em H1 e HCO3– e, portanto, mais CO2 dos pulmões se dissolve dentro do plasma. A taxa de respiração – que é a taxa de inalação ou exalação – pode ajustar rapidamente esses equilíbrios para manter o pH sanguíneo relativamente constante. A taxa de respiração é controlada pelo tronco encefálico, no qual a detecção de aumento de pCO2 sanguíneo ou de diminuição do pH sanguíneo aciona uma respiração mais profunda e mais frequente. 
No pH do plasma sanguíneo (7,4) muito pouco de H2CO3 está presente em comparação com HCO3–, e a adição de uma pequena quantidade de base (NH ou OH–) poderia titular esse H2CO3, exaurindo a capacidade tamponante. O papel importante do H2CO3 (pKa5 3,57 a 37oC) no tamponamento