A ÁGUA

A IMPORTÂNCIA DA ÁGUA

• A água é a substância mais abundante nos

sistemas vivos, prefazendo 70% ou mais do peso

da maioria dos organismos.

• Os primeiros organismos vivos iniciaram a sua

vida num ambiente aquoso, e o curso da

evolução tem sido modelado pelas propriedades

do meio aquoso onde a vida começou.

INTERAÇÕES FRACAS EM SISTEMAS AQUOSOS

• As ligações de hidrogénio entre as moléculas de água são forças coesivas que tornam a água líquida à temperatura ambiente.

• As biomoléculas polares dissolvem-se em água porque estas trocam as interações água-água com interações água-soluto energeticamente favoráveis.

• As biomoléculas apolares interferem nas interações água-água mas não conseguem formar interações água-soluto, as moléculas apolares são pouco solúveis na água.

• Nas soluções aquosas, as moléculas apolares tendem a formar clusters entre elas.

• As ligações de hidrogénio são interacções fracas individuais, quando existem um grande número deste tipo de ligações, estas, têm uma grande influência nas estruturas tridimensionais das proteínas, ácidos nucleicos, polissacarídos e lípidos membranares.

PROPRIEDADES FÍSICAS DE SOLVENTES

ESTRUTURA DA ÁGUA

A polaridade das moléculas de água é devida aosângulos que os átomos de hidrogénio formam quandose ligam ao átomo de oxigénio (104,5º), tornandoo átomo de oxigénio electronegativo.

A distribuição espacial dos electrões resultante da ligação covalente entre os átomos de hidrogénio e o átomo de oxigénio determina que a molécula da água seja um dipolo eléctrico.

ESTRUTURA DA ÁGUA NO GELO

No gelo, cada molécula de água forma no máximoquatro ligações de hidrogénio, criando uma estrutura regular de cristal. À temperatura ambiente e à pressão atmosférica normal, cada molécula de água forma em média 3,4 ligações de hidrogénio.A estrutura de cristal no gelo é menos densa do que a água fazendo com que este flutue na água líquida.

ÁGUA FORMA LIGAÇÕES DE HIDROGÉNIO COM SOLUTOS POLARES

• As ligações de hidrogénio também se dão entre átomos electronegativos (Azoto, oxigénio com pares de electrões livres)

ÁGUA INTERAGE ELECTROSTATICAMENTE COM SOLUTOS IONIZADOS

• A água é um solvente polar.

• Dissolve a maioria das biomoléculas, que estão ionizadas ou que são compostos

polares.

• Os compostos que se dissolvem facilmente na água são hidrofílicos (gostam de

água).

• Os solventes não polares (clorofórmio e benzeno) são maus solventes para as

biomoléculas polares mas dissolvem facilmente aquelas que são hidrofóbicas (medo

da água), como por exemplo os lípidos.

• A água dissolve o NaCl por hidratação formando os iões Na+ e Cl- enfraquecendo

as interações electrostáticas entre os iões.

• O mesmo acontece às biomoléculas ionizadas, compostos com grupos funcionais

tais como ácidos carboxílicos (-COO-), aminas portonadas (-NH3+), e estéres

fosfatados.

ÁGUA COMO SOLVENTE

Os ácidos gordos de longa cadeiapossuem cadeias muito hidrofóbicasonde são circundados por uma camadamuito bem ordenada de moléculas de água.

BIOMOLÉCULAS POLARES E APOLARES

GASES APOLARES SÃO INSOLÚVEIS NA ÁGUA

• As moléculas de gases biologicamente importantes CO2, O2, e

N2 são apolares.

• O transporte de O2 é realizado por proteínas solúveis em água:

▫ Hemoglobina - proteína que transporta o O2 para os tecidos e

remove o CO2 e protões para os pulmões.

▫ Mioglobina - proteína monomérica dos músculos, armazena

oxigénio como reserva contra a falta do mesmo.

ACÇÃO DA ÁGUA NA CATÁLISE ENZIMÁTICA

Quando separados, o enzima e o substrato forçam as moléculas de água a fazerem uma espécie de cobertura à volta dos dois. Quando os dois se aproximam,a água “afasta-se” para se ligarem, resultando num aumento de entropiafazendo com que o substrato se “agarre” para a formação do complexo enzima-substrato.

IONIZAÇÃO DA ÁGUA, ÁCIDOS E BASES FRACOS • Tal como todas as reacções reversíveis, a ionização da água

pode ser descrita por uma constante e equilíbrio (Kw).

• Quando ácidos fracos são dissolvidos na água, estes

contribuem na reacção libertando um grupo H+.

• As bases fracas consumem H+ tornando-se bases protonadas.

• Estes processos também possuem constantes de equilíbrio (Ka

e Kb).

• A concentração total de H+ numa solução dá o pH da solução.

Ionização da água

CONSTANTE DE EQUILÍBRIO DA ÁGUA E pH

Equação de Anderson-Hasselbalch

A equação Henderson-Hasselbalch permite:

1)O cálculo do pKa, quando dado o pH e a razão molar do aceitador e do doador de protões.

2) Calcular o pH e a fracção molar quando todos os outros dados são indicados.

HA + H2O A- + H3O+

TITULAÇÃO DO ÁCIDO ACÉTICO COM NaOH

ÁGUA COMO REAGENTE

A formação do ATP a partir do ADP e do fosfato inorgânico (P) é uma reacção de condensação (os elementos da água são eliminados). Na reacção inversa existe uma adição dos elementos da água – Reacção de Hidrólise.As reacções de hidrólise são responsáveis pela despolimerização enzimática de proteínas, carbohidratos e ácidos nucleicos (exergónicas).A formação de polímeros celulares por reacções de condensação deverão ser endergónicas por isso não ocorrem.

INALTERAÇÕES DE pH NOS SISTEMAS BIOLÓGICOS

• Quase todos os processos biológicos são dependentes do pH, uma pequena alteração do pH produz uma grande mudança no procedimento dum processo.

• Isto é verdade para reacções onde há troca de iões H+ como participante directo, mas também para outro tipo de reacções.

• Os enzimas que catalisam as reacções celulares e muitas das moléculas onde os enzimas actuam, contêm grupos ionizáveis com valores de pKa característicos.

Cont.

• Os grupos amino e carboxílicos protonados dos aminoácidos e os grupos fosfato dos nucleótidos, funcionam como ácidos fracos; o seu estado iónico depende do pH do meio circundante.

• As células e organismos mantêm um valor específico e constante de pH no citosol, mantendo as biomoléculas no seu estado iónico optímo, perto de pH = 7.

• Nos organismos multicelulares, o pH dos fluidos extracelulares também é extremamente controlado.

• Este estado constante é alcançado com misturas de ácidos fracos e suas bases conjugadas.

• O plasma do sangue humano normalmente tem o pH perto de 7,4. Se os mecanismos de regulação do pH falharem, como acontece nos diabetes não controlados, havendo um produção excessiva de ácidos metalólicos causando acidose, o pH do sangue poderá cair para o valor de 6,8 ou menos, poderá levar à destruição irreparável das células causando a morte.

• Noutras doenças o pH poderá aumentar o seu valor para níveis letais.

• Os enzimas normalmente apresentam uma actividade catalítica máxima a um pH característico, chamado pH óptimo.

• Uma pequena mudança no pH óptimo pode causar uma grande diferença na velocidade de importantes reacções catalisadas por enzimas.

• O controlo biológico do pH nas células e nos fluidos corporais é de central importância em todos os aspectos do metalolismo e actividades celulares.

FLUIDOS CORPORAIS

FLUIDOS CORPORAIS• Há em média cerca de 42 litros de fluidos (adulto)

Intracelular

Fluido existente dentro das células

Extracelular Fluido localizado no exterior das células

Intersticial Fluido que rodeia os tecidos individuais

Plasma Parte líquida do sangue

Intracelular

Citoplasma

Meio para as reacções de manutenção da vida

Extracelular

PlasmaTransporte de nutrientes, de produtos de excreção e de informação

Linfa

Fluido cerebrospinal

Urina

Sucos digestivos Degradação dos alimentos

TRANSPORTE DE O2 E CO2

• 98% do oxigénio é transportado pela hemoglobina dos

glóbulos vermelhos.

• Oxi-hemoglobina – Forma oxigenada.

• Desoxi-hemoglobina – Forma desoxigenada.

Uma pessoa tem em média 15 g de hemoglobina por 100 ml de sangue.

HEMOGLOBINA E O TRANSPORTE DE O2 e CO2• Nos pulmões há abundância de O2 – o oxigénio

passa para a hemoglobina

2 2 44 ( )Hb O Hb O

Quando o sangue chega às células, ocorre a reacção inversa (cedência do oxigénio às células)

A hemoglobina desempenha um papel pequeno no transporte de CO2 para os pulmões

25% é transportado como um complexo de hemoglobina - Carbaminohemoglobina

2 2HB CO HBCO

5% é transportado dissolvido no plasma.Os outros 70% são conduzidos aos pulmões sob a forma de bicarbonato (HCO3

-)

TRANSPORTE QUÍMICO PARAS AS CÉLULAS

• As substâncias químicas transportadas pelo corpo movem via corrente sanguínea.▫Dissolvidos na água – plasma (iões, aminoácidos,

açúcares)▫Ligados aos componentes celulares (oxigénio,

dióxido de carbono)▫Deslocando-se em suspensão – lípidos.• Quando transportados pelo sangue, as

substâncias devem:• Passar através da parede dos capilares;• Entrar no fluido intersticial;• Passar através da membrana celular.

Cont.

• Os produtos de excreção deslocam-se em direcção oposta.

• A parede capilar actua como uma membrana semi-permeável, controlando o fluxo de materiais.

• Os níveis de proteína são mais elevados no sangue.

• A pressão diminui à medida que o sangue passa através do capilar.

• Na extremidade venosa do capilar há um fluxo de “lixo” (substâncias de excreção) para o capilar.

URINAA urina serve para remover o excesso de água, azoto e iões. É constituída por 96%

de água, 4% de lixo orgânico e inorgânico.

Componentes g (excretada 24h)

Aminoácidos 0,80

Ureia 25,0

Creatina 1,5

Na+ 3,0

K+ 1,7

NH4+ 0,8

Ca2+ 0,2

Componentes g (excretada 24h)

Mg2+ 0,15

Cl- 6,3

SO42- 1.4

H2PO42- 1,2

HCO3- 0-3

Outros 2-3

pH 4,5-8,0

A urina é um bom meio (não invasivo) para testar algumas condições do organismo.

Constituinte Condição Causa

Glucose (alta) Glucosúria Diabetes mellitus,

diabetes renal, glicosúria

Proteína Proteinúria ou albuminúria

Danos dos rins, infecção na

bexiga, nefrite

Pigmentos biliares

Icterícia Bloqueio do ducto biliar,

hepatite, cirrose

Corpos cetónicos

Cetonúria Diabetes mellitus, dietas com alto teor de gordura,

fome

FLUIDO E EQUILÍBRIO ELECTROLÍTICOO equilíbrio fluido e electrolítico

São ambos interdependentes Devem ser controlados para uma saúde perfeita Os seus níveis são geralmente medidos Entram no corpo com a comida e bebida Saem do corpo principalmente pela urina, pulmões, pele e

intestinos

Os rins desempenham um papel fundamental na manutenção dos níveis apropriados de fluido e electrólito.

Entrada (ml) Saída (ml)

Fluidos ingeridos 1500 Rins (Urina) 1400

Água em alimentos

700 Pulmões (ar) 350

Água formada pelo catabolismo

200Difusão (pele) 350

Transpiração 100

Intestinos (fezes) 200Os níveis de entrada e saída devem ser os mesmos

VASOPRESSINA – Manutenção do nível de fluido constante

• Hormona anti-diurética utilizada pelo corpo para controlar a função renal.

• Afecta a permeabilidade dos túbulos renais à água.• À medida que os níveis sobem, mais água é reabsorvida

para a corrente sanguínea.

Se os níveis de água caem tornando-se perigosamente baixos devido a:• Transpiração excessiva;• Falta ou deficiência de água (bebida).

As glândulas supra-renais segregam algoesterona.• Hormona que provoca a reabsorção do sódio dos túbulos renais para o sangue.• Evita a perda excessiva de electrólitos e ajuda a reter fluidos.

CONTROLO RESPIRATÓRIO e URINÁRIO DO pH DO SANGUE

• O pH do sangue pode ser mantido controlando o nível de CO2 expirado.

2 2 2 3 3CO H O H CO HCO H Hiper-ventilaçãoAumenta o rácio e a profundidade da respiração. Reduz o CO2 no sangue, aumentando o pH.

Hipo-ventilaçãoReduz o rácio e a profundidade da respiração. Aumenta o CO2 no sangue, diminuindo o pH.

Os rins podem excretar várias quantidades de ácidos e de bases para a urina.

Condições ácidasO excesso de iões de hidrogénio pode ser excretado. Resultando uma maior produção de bicarbonato aumentando o pH do sangue.Condições básicasO bicarbonato pode ser eliminado, baixando o pH do sangue.

ACIDOSE E ALCALOSE• Quando os padrões respiratórios são inadequados pode ocorrer:

Alcalose respiratória Provocada por hiper-ventilação. Tratamento – inspirar ar ou administrar CO2

Acidose respiratória Provocada por respiração inadequada. Tratamento – administrar HCO3

-

• Várias condições metabólicas podem criar níveis de pH inadequados no sangue.

• Acidose metabólica – causada por descontrole a diabetes,

diarreia, overdose de aspirina e depois de exercício violento.

• Alcalose metabólica – causada por vómitos prolongados, uso

excessivo de bicarbonato para tratar problemas estomacais.