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…?