Sugere-se aos alunos da disciplina de Bioquímica:
1. Assista as aulas sempre;
2. Faça suas anotações em sala de aula;
3. Complemente o conteúdo de sala de aula realizando seus próprios estudos com os livros e demais fontes bibliográficas recomendadas (Ex. Artigos em revistas especializadas);
4. Observe e organize seu tempo para dedicar-se a estudar, mas também para o lazer e para a convivência com a família e os amigos.
Água, pH / Sistema Tampão
Mustafa Hassan Issa
UNIOESTE – Curso de Enfermagem – Disciplina de Bioquímica
1ª Aula Teórica – Dias 12 e 19/02/2014
Referências da Aula:
Livro de Bioquímica do Stryer
Capítulo 1 (5ª Ed. ou 6ª Ed.)
(Obs. Bioquímica de Valter T. Motta: Capítulos 1 e 2 – A ser fornecido via Mural Eletrônico da Disciplina)
3
A QUÍMICA E
A BIOQUÍMICA
4
Os princípios da química são aplicáveis a matéria viva...
Desta forma, a bioquímica, que é a ciência que estuda a química da vida, utiliza os conhecimentos
(ferramentas e as terminologias) da química para explicar a biologia ao
nível molecular.
5
Composição da matéria viva
- Átomos: Compõem os corpos dos seres vivos, e são os mesmos elementos da matéria para todas as formas de vida na Terra;
- 118 tipos diferentes de átomos (ou elementos químicos);
- Os átomos raramente se encontram isolados, e quase sempre encontram-se unidos por meio de ligações químicas, resultando na formação das Moléculas (Ex. Biomoléculas).
6
- As Moléculas se relacionam no interior das células, e então, irão de forma continua e ordenada, produzir as milhares de reações químicas fundamentais à vida;
- Estas relações moleculares nas células (Compartimentalizadas e organizadas pelas Enzimas) resultam em transformações, que chamamos de “Metabolismo” ou “Metabolismo Celular” ou “Metabolismo Intermediário”;
- O Metabolismo refere-se ao conjunto de todas as reações químicas que ocorrem nas células.
Matéria viva e o metabolismo7
- Estas reações químicas são responsáveis pelos processos de síntese (Vias de Anabolismo) e degradação (Vias de Catabolismo) das células.
- As Vias Metabólicas apresentam finalidade para as células:
1) Manutenção das funções especializadas e das estruturas celulares;
2) Capacitar para a resposta às variações do ambiente externo;
3) Prover energia; 4) Permitir a divisão celular (perpetuação).
Matéria viva e o Metabolismo8
- Diversos organismos vivos compartilham características químicas comuns:- Mesmos tipos de macromoléculas, mesmos tipos de vias para as sínteses de
componentes celulares, e mesmo modelo de código genético.
9
Aspecto comum:
Todas as células vivas contêm essencialmente a mesma
variedade de íons inorgânicos, a mesma variedade de pequenas
moléculas orgânicas, assim como, a mesma variedade de tipos de
macromoléculas e biomoléculas.
Composição Química da Célula10
• A base dos compostos celulares são os compostos de Carbono (Biomoléculas);
• C, H, O, N, P e S constituem quase 99% da massa celular;
• Água: Aprox. 70% do peso da célula Logo, a maioria das suas reações químicas ocorrem em ambiente aquoso.
Composição Química da Célula11
Composição Química da Célula - Média
- Células Animais X Células Vegetais: Composição mediana
CONSTITUINTESCÉLULASANIMAIS
(%)
CÉLULASVEGETAIS
(%)
Água 60 75
Substâncias minerais 4,3 2,45
SubstânciasOrgânicas
Glicídios 6,2 18,0
Lipídios 11,7 0,5
Proteínas 17,8 4,0
12
Elemento Por Massa Por N° de Átomos
O 64,8 25,4
C 18,8 9,4
H 10,0 63,0
N 3,1 1,4
Ca 1,8 0,31
P 1,4 0,22
K 0,4 0,06
S 0,3 0,05
Cl 0,2 0,03
Na 0,1 0,03
Mg 0,04 0,01
Composição Química da Célula Humana – Com Água
13
Elemento Por Massa
C 61,7
N 11,0
O 9,3
H 5,7
Ca 5,0
P 3,3
K 1,3
S 1,0
Cl 0,7
Na 0,7
Mg 0,3
Composição Química da Célula Humana – Sem Água
14
- Nos microambientes das células eucariontes e procariontes, bem como, em torno das macromoléculas ocorrem variações na concentração de alguns componentes (Ex. Íons), mas a água é o único componente comum a todos estes microambientes;
- Todos estes componentes, assim como, suas interações (reações) ocorrem no meio aquoso;
- A vida na Terra só ocorre devido as características físico-químicas que são singulares à água como elemento químico.
Composição Química da Célula15
Importância biológica da água- Duas propriedades- Duas propriedades da água são importantes para que possa desempenhar esta influência sobre as interações moleculares dos sistemas biológicos:
1- A água é uma molécula polar:
Forma Triangular: Por não ser linear faz com que as cargas (+/-) se distribuam assimetricamente – Eletricamente polar.
Lig. covalente polar
16
2- A água é extremamente coesiva: Alta afinidade entre si.
Importância biológica da água
B) Pontes de hidrogênio tetraédricas: Arranjo coeso. Ex: Ligando 5 moléculas de água. Moléculas de água 1, 2 e 3 estão no mesmo plano, 4 está abaixo e 5 está acima.
A) Pontes de hidrogênio: Forças intermoleculares fortes. Ex: Indicadas por linhas tracejadas, entre duas moléculas de água.
A) B)
17
“Água solvata moléculas polares e enfraquece ligações iônicas e de hidrogênio intermoleculares”
- Alto poder de interação;
- Excelente solvente de moléculas polares;
- Compete pelas Pontes de Hidrogênio das outras moléculas;
- Alta capacidade de formação de camadas de solvatação sobre iontes: Enfraquece as interações entre estes íons;
- Por isso também, pode enfraquecer as relações entre as moléculas dissolvidas num meio aquoso – Solução: Microambientes (Compartimentos Celulares).
Água - Influência da polaridade e da capacidade de formação de Pontes de H.
18
Pontes de hidrogênio em sistemas biológicos.
Água - Influência da polaridade e da capacidade de formação de Pontes de H.
19
“Na água, observamos que gotas dispersas de óleo se reúnem para formar uma só maior”
- Os grupamentos ou moléculas não-polares tendem a se aglomerar em ambiente aquoso;- Não-polares se “compactam”;
- Atrações Hidrófobas: Fator decisivo para que as macromoléculas biológicas se enovelem: Ex. Complexo Enzima + Substrato; Membranas Biológicas (Membrana Celular).
- Motivo principal: Moléculas não-polares se reúnem na água não porque tem alta afinidade, mas por que as moléculas de água se ligam fortemente entre si.
Água – Atrações Hidrófobas20
21
Conceito: Polaridade e Apolaridade MOLÉCULAS POLARES:
- Os centros de carga positiva e negativa estão em diferentes localizações (cargas em pontos opostos que não se anulam = “polos”). Ex. Água.
__
22
MOLÉCULAS APOLARES:
- Os centros das cargas positivas coincidem com os centros de carga negativa (cargas se anulam = “sem polos”).
Ex. Ácido Graxo (Lipídeo).
Conceito: Polaridade e Apolaridade23
MOLÉCULAS APOLARES
+ 3HC-2HC-2HC-2HC-2HC-2HC-2HC-2HC-HC
-OOC-2HC- 2HC-2HC-2HC-2HC-2HC-2HC-HC
C-1
C-2
C-3
C-9
Região Polar
RegiãoApolar
C-10
C-18
Ácido Oléico - CHÁcido Oléico - CH33(CH(CH22))1818COOHCOOH
++ + + + + + + +
++++++++
- - - - - - - - -
---------
+
Conceito: Polaridade e Apolaridade24
Água e SoluçõesSoluto + Solvente = Solução
• Meio interno: “Conteúdo em solução na água”;
• Soluções: Origem de substâncias ionizadas – Dissociações;
• A água também se dissocia em íons: Processo de auto ionização da água (“a água se auto-dissocia”).
25
De onde veio esta idéia?
• Friedrich Kohlrausch (1840-1910);
• Verificou que a água mesmo depois de purificada, ainda tinha uma pequena condutividade elétrica;
• Razão: A auto-ionização da molécula da água, provocava, ainda que em concentrações muito baixas, a origem de íons “H3O+” e “OH-” (mesmo na água mais pura, ou seja, sem a presença de outros íons no meio).
Ionização da Água26
• Íons provenientes da dissociação da água:
H20 H+ + OH- H30+ + OH-
• O grau de ionização é descrito como Keq (Constante de Equilíbrio):
Keq = [H+] [OH-]
[H20]
Ionização da Água - Representação27
• A 25°C uma porção muito pequena de moléculas da água está ionizada;
• Concentração da “água” em 1 litro: Concentração descrita em mol/L;
• Dividindo-se o número de gramas de Água em 1 Litro (1000 g/L) / pelo molécula-grama da água (18 g/mol);
• Temos então: Concentração de 55,5 mol/L ou 55,5 moles de água por litro de volume (concentração molar = 55,5 M);
• Ou seja: Há 55,5 M (mol/L) de água em estado molecular (não-ionizado) em 1 Litro de volume dela própria.
Ionização da Água28
- A 25ºC: o valor da Keq conhecida para a Água = 1,8 x 10-16;
- Deriva-se que: Em 55,5 mol/L de água pura, existem 1,8 x 10-16 moléculas de água a 25ºC “dissociadas” – O que representa que há muito pouca água dissociada (na forma de íons) a esta temperatura;
- Ainda assim, podemos calcular a concentração do Íon H+ e do Íon OH- na água pura (Prova disso: Condutividade Elétrica).
Ionização da Água29
- Concentração do Íon H+: Principal produto iônico da água (íon mais reativo).
- Produto iônico ([H+] X [OH-]) é denominado por Kw;
- Kw = Keq X [H20];
- Kw = (1,8 x 10-16) X (55,5) = 1,0 x 10-14 , onde:
- Kw = [H+] [OH-]= 1,0 x 10-14 ou 1,0 x 10-7 X 1,0 x 10-7
- Água é neutra: [H+] = 1x10-7 (- log) pH = 7
Ionização da Água30
- O pH é definido como o logaritmo negativo da [H+]
pH = - log [H+]
- A escala de pH varia de 0 até 14, uma vez que qualquer [H+] está compreendida na faixa de 100 a 10-14
O que é pH?
31
• p significa: “logaritmo negativo de...” (- log);
• Então: pH = - log [H+] e
pOH = - log [OH-]
• Para H20: pH = - log [1 X 10-7] = 7,0
pOH = - log [1 X 10-7] = 7,0
Potencial hidrogeniônico - pH32
- O pH: Na água pura, na água ácida e numa água básica (alcalina):
1) Água “pura”: [H+] = 1,0 10-7 pH = 7
2) Água “ácida”: [H+] = 1,0 100 pH = 0
3) Água “alcalina”: [H+] = 1,0 10-14 pH = 14
Potencial hidrogeniônico - pH33
- O pH é inversamente proporcional a
concentração do íon H+ (ou [H+]);
- A [H+] (concentração do íon H+) de uma
solução é quantificada em unidades de pH;
- O pH é um artifício matemático.
Potencial hidrogeniônico - pH34
Escala de pH“UMA MEDIDA DA ACIDEZ, DE BASICIDADE E DE
NEUTRALIDADE”
Escala de pH (a 25º C)
- pH varia de zero (soluções muito ácidas) a 14 (soluções muito básicas).
- Escala logarítmica decimal;
- pH = 7 - Indica uma solução neutra.
- pH > 7 - Indica uma solução básica.
- pH < 7 - Indica uma solução ácida.
35
36
- O Íon Hidrogênio (H+) é o íon mais importante nos sistemas biológicos;
- A [H+] nas células e líquidos biológicos influencia a velocidade das reações químicas, a conformação e função das enzimas, e daí, sobre a taxa metabólica celular;
- A [H+] também influencia a conformação de outras proteínas.
Íon Hidrogênio37
Importância do pH
1) Homeostasia;
2) Atividade catalítica das enzimas;
3) Outros: Ex. Diagnóstico de doenças (sangue e urina).
38
pH x Homeostasia
“Homeostasia é a constância do meio interno”
- Homeostasia do Íon Hidrogênio (H+): Equilíbrio entre a entrada ou produção de Íons Hidrogênio e a livre remoção desses íons do organismo;
- O organismo dispõe de mecanismos próprios (Tampões Biológicos) para manter a [H+] e, conseqüentemente, o pH de todos os líquidos biológicos dentro da normalidade, ou seja, manter parte da Homeostasia.
39
pH do Sangue Arterial
7,47,0 7,8
Faixa de sobrevida
Acidose AlcalosepH Normal
pH x Homeostasia40
Alterações no pH
Aumento da [H+]
7,4
Acidose
Alcalose
Queda do pH
Acúmulo de ácidos
Acúmulo de basesPerda de ácidos
Perda de bases
Diminuição da [H+]
Escala de pH
Aumento do pH
0 14
41
pH dos Líquidos Corporais
Concentração de H+ em mEq/l pH Líquido Extracelular Sangue Arterial 4.0 x 10-5 7.40 Sangue Venoso 4.5 x 10-5 7.35 Líquido Intersticial 4.5 x 10-5 7.35
Líquido Intracelular 1 x 10-3 a 4 x 10-5 6.0 a 7.4
Urina 3 x 10-2 a 1 x 10-5 4.5 a 8.0
Suco Gástrico 160 0.80
42
Tampões Biológicos
43
Uma das propriedades exclusivas da água é sua função no controle do pH
dentro da célula por meio de tampões.
A sobrevivência da célula depende criticamente do controle preciso do
seu pH interno.
44
Tampões (Tampões Químicos)• Fator-chave na capacidade do organismo humano
em manter o pH normal – Razão: Ação imediata.
• Em química – Definições de tampões:
- Solução tampão é o sistema capaz de resistir às variações de pH;
Ou então:
- Sistema capaz de atenuar, ou de resistir (dentro de limites), a variação do pH numa solução, conseqüente à adição de compostos ácidos ou básicos.
45
- Composição: Os tampões são misturas de ácidos fracos com suas bases conjugadas;
- Mas o que é um ácido fraco? E sua base conjugada? – Que formam os sistemas tampões...
- Pela classificação de Bronsted-Lowry:1) Ácido é uma substância que doa íon H+;2) Base é uma substância que recebe íon H+.
Tampões (Tampões Químicos)46
Tampões (Tampões Químicos)
- Ácidos orgânicos são geralmente ácidos fracos (pois se dissociam pouco, ou parcialmente).
- No exemplo a seguir:
1) O Ácido Carboxílico (que se dissocia pouco) é o Ácido fraco (doa H+);
2) O Ânion (íon negativo) é a Base Conjugada (pode receber H+).
47
- No organismo humano há um sistema semelhante, que é o principal “garantidor” da estabilidade da concentração do íon H+ no meio interno (e portanto do pH);
- Este sistema é o Sistema Tampão Ácido Carbônico/Bicarbonato;
- Formado: Pelo ácido fraco Ácido Carbônico (H2CO3)
com sua respectiva Base Conjugada, o Íon Bicarbonato (HCO3
-);
- O H2CO3 forma-se: Pela associação da H2O com o CO2
formado na respiração aeróbia.
Tampões Biológicos48
Formação e dissociação do H2CO3
Reação 1
Reação 2
Reação 3
Fase Aquosa(Sangue nos capilares)
Fase Gasosa(Espaços de ar nos pulmões)
CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3-
49
- O metabolismo celular gera normalmente íons H+, que são também tamponados por outros tampões intracelulares (especialmente proteínas e fosfatos);
- Contudo, o Tampão Ácido Carbônico/Bicarbonato é o principal tampão que neutraliza estes íons H+ do metabolismo celular;
- Tampão Ácido Carbônico/Bicarbonato - Reações ocorrem no seguinte equilíbrio químico:
CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3-
Tampões Biológicos50
Tampões no organismo humano – 4 Tipos
Tampões Ácido Bases Conjugada
Principal sítio de
tamponamento
Hemoglobina HHb Hb - Eritrócitos
Proteínas HProt Prot - Intracelular
Tampão Fosfato H2PO4- HPO4
2- Intracelular
Ácido Carbônico / Bicarbonato
CO2--> H2CO3 HCO3- Extracelular
Tampões Biológicos (Químicos)51
Tampão Ácido Carbônico/Bicarbonato
- O Sistema Tampão Ácido Carbônico/Bicarbonato é singular, pois também é um “sistema aberto”;
- Permanece em equilíbrio com o ar atmosférico (através dos pulmões), mas também com os rins, (desta forma, um “sistema aberto”);
- Resultado: Capacidade de tamponamento muitas vezes maior do que de um “sistema fechado";
- Importante: O tampão tem um determinado limite de ação Ultrapassado esse limite, a variação de pH ocorre como se não existisse mais um sistema tampão – Uma patologia encontra-se estabelecida!
52
Tampão Ácido Carbônico/Bicarbonato
- Como age este Sistema Tampão:
1) Quando Ácido (H+) é adicionado ao sistema ocorre: O HCO3
- reage com o íon H+ formando
H2CO3, que se dissocia em H2O e CO2 (que em
excesso, é expelido pelos pulmões);
2) Quando Base (OH-) é adicionada ao sistema ocorre: O íon H+ resultante da dissociação do H2CO3 (em bicarbonato e H+) reage com o íon
OH- formando e H2O e HCO3- (que em excesso é
expelido pelos rins).
53
Tampão Ácido Carbônico/Bicarbonato
- Como age o Sistema:
1) Quando Ácido (H+) é adicionado ao sistema ocorre:
2) Quando Base (OH-) é adicionada ao sistema ocorre:
54
Mecanismos integrados para regulação do Equilíbrio Ácido-Básico & Velocidade de Intervenção
Ação rápida Ação lenta
Ação imediata
55
Distúrbios do Equilíbrio Ácido/Básico
1) ACIDOSE: [ H+] no sangue.
Excesso de CO2 Perda de bases / excesso de
ácidos orgânicos
(acidose respiratória) (acidose metabólica)
2) ALCALOSE: [ H+] no sangue.
Perda de CO2 Excesso de bases / perdas de
ácidos orgânicos
(alcalose respiratória) (alcalose metabólica )
56
Obrigado,
agradeço a atenção de todos
Perguntas…?
Top Related