ÁguaMolécula mais abundante nos sistemas vivos (70%)Origem da vida e grande parte de sua evoluçãoPropriedades físico-químicas estão relacionadas com a estrutura e a função das estruturas celulares:

Forças de atração (pontes de hidrogênio)Leve tendência à auto ionização

Interações fracas em sistema aquoso• Interações iônicas (eletrostáticas)• Interações de Van der Waals• Interações hidrofóbicas– Tendência das moléculas hidrofóbicas a se agruparem

quando num ambiente aquoso• Pontes de hidrogênio:– Força coesiva que mantém a água no estado líquido

nas CNTPs– Organização da água (gelo)– Soluto para moléculas polares – azeótropos

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.

Estrutura da molécula de água

Carga parcialnegativa no O

Cargas parciaispositivas nos Hs

Modelo bastão-e-bola

Modelo depreenchimento 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 dipoloOxigênio: parcialmente negativo (δ-)Hidrogênio: parcialmente positivo (δ+)

Estrutura da molécula de água: ponte de hidrogênio

Ponte de hidrogênio0.177 nm

Ligação covalente0.0965 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 sp3Os orbitais não ligados comprimem as ligações O—H fechando ligeiramente o ângulo formado entre elas 109,5o 104,5o

carbono sp3(tetraedro)

Pontes de hidrogênio na estrutura do gelo

No gelo, cada molécula faz quatro pontes de hidrogênioNo estado liquido cada molécula está ligada, em média, a 3,4 outras moléculas de água , ou seja, a água líquida tem um alto grau de organização cuja estrutura se assemelha muito a do gelo.Na fusão do gelo são quebradas somente o mínimo de pontes de hidrogênio para que a água se torne líquida

H2O(solida) H2O(liquida) ∆H 5.9 kJ/molH2O(liquida) H2O(gasosa) ∆H 44.0 kJ/mol

Já na passagem para o estado gasoso a (quase) totalidade das pontes de hidrogênio são quebradas .azeótropos

A água forma pontes de hidrogênio com solutos polares

Aceptor de hidrogênio

Doador de hidrogênio

O aceptor de hidrogênio é, geralmente, um oxigênio ou nitrogênioO hidrogênio doador está sempre ligado a um átomo eletronegativo (O, N, S)A ligação C—H não é suficientemente polar para formar pontes de hidrogênioAlcoóis, aldeídos, cetonas e compostos que contenham o grupamento N—H e tendem a ser solúveis

Molécula Ponto deebulição (oC)

Butanol 117

Butano -0,5

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

A ponte de hidrogênio tem um caráter direcional

Orbitais alinhados:Ligação forte

Orbitais não alinhados:Não tão forte

A força de atração entre as cargas elétricas parciais é maior quando os orbitais que a formam estão alinhadosQuanto menos alinhados os orbitais estiverem mais fraca será a interaçãoAs pontes de hidrogênio são ligações direcionais

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)

Q - carga elétricar – distânciaε – constante dielétrica

Lei de Coulomb

A água interage eletrostáticamente com solutos carregados

ex.: a dissolução do NaClNa+ hidratado

(solvatado)

Cl- hidratado(solvatado)

Cristal de NaCl anidro

Formação de uma camada de solvataçãoεH20: 78,5εbenzeno: 4,6Constante dielétrica: capacidade de separar cargasO oxigênio da água (δ-) interage com Na+

O hidrogênio da água (δ-) interage com o Cl-

Gases apolares são pouco solúveis em águaSolubilidade 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

Polar 0.97 (45 °C)

Amônia Polar 900 (10 °C)

Sulfeto de hidrogênio

Polar 1,860 (40 °C)

Reações dos gases polares com a água

CO2 + H2O H2CO3(aq) HCO3

-(aq) + H+ CO3

2-(aq) + H+

NH3 + H2O NH4+(aq) + OH-

H2S + H2O HS-(aq) + H+

Capacidade de reagir com a água aumenta em muito a solubilidadeSistemas biológicos utilizam proteínas transportadoras para aumentar a solubilidade dos gases. Ex.: hemoglobina-O2

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 apolarOu 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

Lipídeos dispersos em água

Agregados de moléculas lipídicas

(monocamada)

Micela

Regiões apolares se agregam enquanto regiões polares interagem com a água do meioAgrupando-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

Quatro tipos de interações não covalentes (“fracas”) entre biomoléculas em meio aquoso

Ponte de Hidrogênio

Interações iônicas Atrativa

Repulsiva

Interações hidrofóbicas

Interações de van der Waals Quaisquer átomos em estreita proximidade

Ligações fortes e fracas

Tipo de ligação Energia

Covalente (C—C ) 350 kJ/mol

Covalente (C—H ) 410 kJ/mol

van der Waals ~4 kJ/mol

Interações hidrofóbicas Variam com a polaridade do solvente (kJ/mol)

Interações eletrostáticas Variam com a polaridade do solvente (kJ/mol)

Pontes de hidrogênio Variam com a polaridade do solvente e com o ângulo entre os orbitais (kJ/mol)

Algumas pontes de hidrogênio biologicamente importantes

Entre uma carbonila e a água

Entre uma hidroxila e a água

Esses tipos de ligações estão presentes na superfície das bio-macromoléculas, tem papel importante na solubilização

Entre grupamentos peptídicos

Tem papel muito importante na estrutura 3D das proteínas

Determinam a estrutura em hélice do DNA. São a base do armazenamento e da duplicação da informação genética

Pareamento múltiplo entre bases nitrogenadas

Os solutos alteram as propriedades coligativas da água

• Pressão de vapor• Ponto de ebulição• Ponto de fusão• Pressão osmótica• Tensão superficial• 1molal 1mol de

soluto/ Kg de água (Abaixa o ponto de fusão em 1,9oC e aumenta o ponto de ebulição em 0,5oC)

Formação de gelo

evaporação evaporação

Na água pura todas as moléculas na superfície contribuem para a pressão d vapor, e todas as moléculas da fase líquida contribuem para a formação de gelo

Nessa solução a concentração efetiva de água é reduzida. O soluto (de alto ponto d e ebulição ex.: Na+) segura as moléculas de água de sua camada de solvatação, dificultando tanto a evaporação quanto a formação de gelo

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

Pressão osmótica

Fator de van`t Hoff (medida da dissociação do soluto)

Concentração molar do soluto

osmolaridade

Para o NaCl, que se dissocia totalmente, c=2Para solutos que não se dissociam, c=1A osmolaridade depende mais do número de partículas do que de seus tamanhos (um polissacarídeo de 500 moléculas de glicose tem o mesmo praticamente efeito osmótico que uma única molécula de glicose)

Água pura

Soluto não permeante dissolvido em água

Membrana semipermeável

Embolo

Estado inicial

Estado final

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 crena

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 solutosPlantas usam pressão osmótica para conseguir rigidez mecânica

A resposta ao toque em plantas é um evento osmótico

Dionaea muscipula Mimosa pudica

Fluxos d K+ através da membrana plasmática de células especializadas

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

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.