Água

• A água é a substância mais abundantedos organismos vivos, correspondendo a 70% ou mais da sua composição.

• Os primeiros organismos vivos surgiramcertamente no meio aquoso, e o curso daevolução foi moldado pelas propriedadesdo meio aquoso em que a vida teveorigem.

• As forças atractivas entre moléculas, e a sua ligeira tendência para sofrer ionizaçãosão essenciais para a estrutura e funçãodas biomoléculas.

• A molécula de H2O e os seus produtosde ionização, H+ e OH-, influenciamprofundamente a estrutura, auto-organização e propriedades de todos oscomponentes celulares, incluindoproteínas, ácidos nucleícos e lípidos.

• As forças não-covalentes responsáveispela intensidade e especificidade das interacções entre biomoléculas sãocondicionadas pela capacidade de formação de ligações de hidrogénio entre a água e os seus solutos.

1. A geometria da molécula de água

• Segundo o modelo de repulsão electrónica da camada de

valência (VSEPR) a água apresenta uma geometria

tetraédrica não perfeita, ou seja, uma estrutura angular:

O = 1s2 2s2 2px2 2py1 2pz1 H= 1s1

H2O

- 2 pares de electrões ligantes + 2 pares de electrões não

ligantes. Como a repulsão entre pares não ligantes é maior

do que a repulsão entre pares ligantes, iremos ter uma

estrutura tetraédrica distorcida, com uma ângulo de

104.5º entre os átomos de H, em vez de 109.5º.

- Constituída por 2 ligações covalentes entre os átomos de

oxigénio e hidrogénio

- Molécula polar, devido à elevada electronegatividade do

átomo de oxigénio e à própria estrutura da molécula.

-Forma pontes de hidrogénio entre o átomo de oxigénio de

uma molécula e um átomo de hidrogénio de outra molécula.

As ligações de hidrogénio tornam a águaum solvente invulgar

A água apresenta propriedades físicas bastante diferentesda maioria dos líquidos, que podem ser explicadas pelaexistência de forças atractivas entre as suas moléculas. Estas forças resultam da diferente electronegatividade do oxigénio e hidrogénio, que provocam uma distribuiçãoassimétrica de carga na molécula de água.

~23 kJ/mol 1-20 ps

Estrutura do gelo. Cada molécula de água estabeleceligações de hidrogénio com 4 moléculas circundantes. O colapso deste retículo tetraédrico explica a diminuição de volume associado à fusão do gelo.

Estrutura do gelo

X

A água forma ligações de hidrogéniocom uma variedade de grupos químicos

A formação de ligações de hidrogénio está dependente daexistência de um átomo electronegativo que funciona comoaceitador do hidrogénio, e de um átomo dador a que o hidrogénio se encontra covalentemente ligado. Muitos gruposquímicos satisfazem estas condições

geralmente não

se observam

C

C

X

Solução aquosa de substânciascarregadas

A água forma ligações de hidrogénio que competem com as interacções entre as partículas da substância carregada e possibilitam a sua dissolução.

A dissolução de sais em água é acompanhada de um aumento de entropia (∆∆∆∆S<0) e de uma variação de entalpiamuito pequena (∆∆∆∆H ≈≈≈≈ 0), pelo que

∆∆∆∆G = ∆∆∆∆H - T ∆∆∆∆S < 0,

sendo o processo favorável.

A força de atracção effectiva entre 2 iões na água é dada por :

F= q1q2 / ε r2

em que r é a distância entre os iões, q1 e q2 as suas cargase εεεε a constante dieléctrica do meio, que para a água é 78.5.

Blindagem das interacçõeselectrostáticas

A dissolução de substâncias apolaresem água é um processo desfavorável

Os compostos não-polares forçam as moléculas de água a assumir conformações energeticamente desfavoráveis nainterface soluto-solvente.

A rotura das ligações de hidrogénio da água não écompensada por formação de ligações soluto-água (∆∆∆∆H>0), e a criação de estruturas de água ordenada na interface provoca uma diminuição de entropia (∆∆∆∆S<0), pelo que temos

∆∆∆∆G = ∆∆∆∆H - T ∆∆∆∆S > 0

Estrutura ordenada da água emtorno de um solute não polar. As moléculas de água organizam-se de modo a maximizar o númerode ligações de hidrogénio.

Estrutura de um clatrato. Os clatratos são complexoscristalinos de água e um solventenão-polar. Os clatratos sãoconsiderados bons modelos paraa estrutura da água líquida emtorno de um solvent não-polar.

(n-C4H9)3S+F- • 23 H2O

Moléculas anfipáticas

Substâncias cujas moléculas contêm simultâneamenteregiões hidrofílicas e hidrofóbicas são denominadasanfipáticas.

Como consequência do efeito hidrofóbico, as moléculasanfipáticas tendem a export as superfícies polares à agua, e a tentar “esconder” as superfícies polares, o que produz a formação de estruturas ordenadas denominadas micelas.

micela

Classificação dos compostos de acordo com a sua capacidade de

interagir com a água:

- Hidrofílicos: Compostos que se dissolvem facilmente em água

(gostam de água), tais como sais e moléculas polares.

- Hidrofóbicos: Compostos não polares tais como os lípidos e as

ceras, são insolúveis em água.

- Anfipáticos: Compostos que contêm simultaneamente regiões

hidrofílicas e hidrofóbicas (Ex: Detergentes).

Formação de micelas emsolução aquosa

Existe uma grande variedade de moléculas biológicasanfipáticas: proteínas, lípidos de membrane, pigmentos, vitaminas, etc… possuem regiões polares e regiões apolaresna sua superfície.

Importância bioquímica e estruturaldo efeito hidrofóbico

• A organização estrutura das membranas biológicasé consequência do efeito hidrofóbico a que estãosujeitos os fosfolípidos anfipáticos da membrana.

• O efeito hidrofóbico é essencial para a estabilizaçãoda estrutura nativa das proteínas

• Em muitos processos de reconhecimento molecular (interacções proteína-ligando), o efeito hidrofóbico éuma componente essencial para a estabilização do complexo formado.

Quando dois átomos neutros estão próximos, as flutuações de carga e o efeito de polarização sãosuficientes para criar uma força atractiva fraca entre eles.

Apesar das interacções de van der Waals seremmuito fracas (~ 3-4 kJ/mol), um elevado número de contactos intra- e interatómicos pode tornar o seupapel extremamente significativo, como acontece nasbiomacromoléculas.

Forças de van der Waals

Interacções interatómicas fracas sãocruciais para a estrutura das

biomoléculas

Embora os quatro tipos de forças presentes na tabela anterior

sejam individualmente muito mais fracos do que as ligações

covalentes, o efeito somado de um elevado número destas

interacções com uma proteína ou um ácido nucleico poderá ser

bastante significativo.

Macromoléculas como as proteínas, o ADN e o ARN contêm

tantos sítios para potenciais ligações por pontes de hidrogénio,

iónicas, Van der Waals ou interacções hidrofóbicas, que o efeito

cumulativo das muitas forças de ligação fracas é enorme. Para as

macromoléculas, a estrutura mais estável (nativa) é normalmente

aquela em que a possibilidade de estabelecimento ligações fracas é

maximizada. O enrolamento de um polipéptido ou de uma cadeia

polinucleotídica e a sua estrutura tridimensional são determinados

por este princípio.

Influência do soluto nas propriedades coligativas das soluções

aquosas

Os solutos alteram as propriedades coligativas dos solventes em

que estão dissolvidos (Pressão de vapor, ponto de ebulição,

ponto de fusão e pressão osmótica), dado a concentração do

solvente em soluções ser mais baixa do que no solvente puro. Este

efeito depende somente do número de partículas de soluto numa

dada quantidade de solvente.

Osmose – Movimento da água (solvente) através de uma

membrana semipermiável, causado pela diferença de pressão

osmótica (diferença de osmolaridade). Este factor é de extrema

importância na vida da maior parte das células.

Soluções isotónicas – Soluções de igual osmolaridade.

Solução hipertónica – Solução que têm uma maior osmolaridade

do que aquela com que é comparada.

Solução hipotónica - Solução que têm uma menor osmolaridade

do que aquela com que é comparada.

Na célula

Lise osmótica na célula – três mecanismos de prevenção:

1. Bactérias e plantas: A membrana plasmática está rodeada por

uma parede celular não-expansível com rigidez e força

suficientes para resistir à pressão osmótica.

2. Alguns protozoários de água doce: Vivem num meio

altamente hipotónico, pelo que possuem um organelo que

bombeia a água para fora da célula.

3. Animais multicelulares: O plasma sanguíneo e fluído

extracelular dos tecidos são mantidos a uma osmolaridade

próxima da do citosol. A elevada concentração de albumina e

outras proteínas no plasma sanguíneo contribui para a sua

osmolaridade. As células bombeiam também activamente iões

como o Na+ para o fluido extracelular dos tecidos de forma a

balançar a osmolaridade.

As moléculas de H2O podemter um papel estrutural

Estrutura da hemoglobina Estrutura da hemoglobina com as moléculas de água ligadas

Moléculas de água que se encontram fortementeligadas na superfície ou no interior de umamacromolécula ocupam posições definidades e perdem as propriedades próprios da água líquida.

Moléculas de água“sequestradas” no interior de uma proteína(citocromo f) podem servircomo canal para conduzirprotões de um local paraoutro.

A ionização da água

Embora muitas propriedades da água possam ser explicados em termos de uma molécula neutra (maspolar), existe uma pequena fracção de moléculas de água que se encontram ionizada:

H2O ‹ H+ + OH–

Keq = [H+] [OH–] / [H2O]

em que Kw é o produto iónico da água, que numasolução aquosa depende apenas da temperatura:

Keq = [H+] [OH–] / 55.55 M

Keq • 55.55 = Kw= [H+] [OH–]

Kw= 1.0x10-14 M , T = 25 oC

Como a concentração da água pura é constante e igual a 55.55 mol/L, podemos escrever

Quando [H+] = [OH–] tem-se:

Kw = [H+] [OH–] = [H+]2 ⇒⇒⇒⇒ [H+] = [OH–] = 10-7 M

Nesta situação diz-se que a solução está neutra.

A escala de pH

pH = – log [H+]

A escala de pH foi inventada porSorensen em 1906, devido ànecessidade de controlarrigorosamente a concentraçãohidrogeniónica nos ensaiosbioquímicos.

Constantes de dissociaçãode ácidos fracos

Muitos ácidos orgânicos não se dissociamcompletamente quando dissolvidos no meio aquoso. Considerando a ionização de um ácido fraco:

HA � H+ + A–

a sua constante de dissociação, KA , é dada por:

KA = [H+] [A–] / [HA]

a ácidos mais fortes correspondem valore de KA

mais elevados, mas define-se a grandeza pK,

pKA = – log KA

De tal forma que ácidos mais fortes terão pKa maisbaixos.

Curvas de titulação de ácidos fracos

A concentração de ácido numa determinada soluçãopode ser determinada adicionando uma base forte (NaOH, por exemplo) em quantidade suficiente paraneutralizar completamente o ácido da solução.

A variação do pH da solução em função daconcentração de base é conhecida como curva de titulação.

Curva de titulação do ácido acético

Os ácidos fracos podem funcionarcomo tampões

Regulação do pH no organismo

• Quase todos os processo biológicos sãodependentes da concentração de H+, observando-se grandes variações de velocidade de reacção parapequeníssimas alterações do pH do meio.

• Mesmo quando o H+ não está directamenteenvolvido na reacção, a variação da suaconcentração pode ter um efeito profundo naestrutura e função das biomoléculas.

• Os enzimas que catalisam reacções biológicascontêm muitos grupos ionizáveis com pKa’scaracterísticos, cujo carga varia com o pH.

• Os grupos fosfato dos nucleotídos funcionam comoácidos fracos, sendo a sua ionização sensível ao pH do meio.

A constância do pH é assegurada pela existência

de tampões biológicos, que são misturas de

ácidos fracos e das suas bases conjugadas.

Influência do pH na actividade enzimática

Constantes de dissociaçãode alguns tampões

A equação de Henderson-Hasselbalch

A forma das curvas de titulação dos ácidos fracos édescrita pela equação de Henderson-Hasselbalch, que estabelece uma relação simples entre pKa , pH do meio e concentração dos membros do par ácido-base conjugado:

dissociação do ácido:

resolvendo em ordem a [H+]

Tomando o log negativo de ambos os membros:

Substituindo com a definição de pH e pKa:

Quando [HA]=[A-], temos:

Tampões biológicosNo nosso organismo existem alguns tampõesespecialmente importantes.

O tampão fosfato:

H2PO4↔ H+ + HPO4–

Este tampão tem a sua máxima eficiência a pH=6.86, sendo eficiente dentro do intervalo de pH da maioriados fluídos biológicos e compartimentoscitoplasmáticos (pH 6.9 - 7.4)

O pH do plasma sanguíneo é parcialmentecontrolado pelo tampão bicarbonato:

H2CO3 ↔ H+ + HCO3–

K1 = [H+] [HCO3–] / [H2CO3]

Para além deste equilíbrio é preciso considerar que o ácido carbónico se forma a partir de CO2 dissolvidona água, num processo reversível:

CO2(d) + H2O↔ H2CO3(s)

A concentração de CO2 dissolvido resulta do equilíbrio com CO2 na fase gasosa:

K2 = [H2CO3] / [CO2(d)] [H2O]

CO2(g)↔ CO2(d)

K3 = [CO2(d)] / [CO2(g)]

Assim, o pH do tampão bicarbonato depende, emúltima análise, das concentrações de bicarbonato nafase aquosa e pressão parcial de dióxido de carbonona fase gasosa.

[CO2(g)] = presssão parcial

Mecanismo do tampão bicarbonato

A histidina, um dos aminoácidos das proteínas, tem um pKa~6.0, logo pode funcionar comotampão a pH fisiológico

Tampões biológicos

Ex: C6H12O6 + 6O2 ↔ 6CO2 + 6H2O

A “água metabólica” formada a partir de alimento sólido e

combustíveis armazenados é o necessário para que alguns

animais sobrevivam em habitats muito secos (canguru,

ratos e camelos).