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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.

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1 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.

2 Água, pH / Sistema Tampão Mustafa Hassan Issa UNIOESTE – Curso de Enfermagem – Disciplina de Bioquímica 1ª Aula Teórica – Dias 12 e 19/02/2014

3 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

4 A QUÍMICA E A BIOQUÍMICA 4

5 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

6 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; 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

7 -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 metabolismo 7

8 -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 Metabolismo 8

9 - 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

10 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 Célula 10

11 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 Célula 11

12 Composição Química da Célula - Média - Células Animais X Células Vegetais: Composição mediana CONSTITUINTES CÉLULAS ANIMAIS (%) CÉLULAS VEGETAIS (%) Água 6075 Substâncias minerais 4,32,45 Substâncias Orgânicas Glicídios 6,218,0 Lipídios 11,70,5 Proteínas 17,84,0 12

13 ElementoPor MassaPor N° de Átomos O64,825,4 C18,89,4 H10,063,0 N3,11,4 Ca1,80,31 P1,40,22 K0,40,06 S0,30,05 Cl0,20,03 Na0,10,03 Mg0,040,01 Composição Química da Célula Humana – Com Água 13

14 ElementoPor Massa C61,7 N11,0 O9,3 H5,7 Ca5,0 P3,3 K1,3 S1,0 Cl0,7 Na0,7 Mg0,3 Composição Química da Célula Humana – Sem Água 14

15 - 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 Célula 15

16 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

17 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

18 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

19 Pontes de hidrogênio em sistemas biológicos. Água - Influência da polaridade e da capacidade de formação de Pontes de H. 19

20 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 Hidrófobas 20

21 21

22 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

23 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 Apolaridade 23

24 MOLÉCULAS APOLARES + 3 HC- 2 HC- 2 HC- 2 HC- 2 HC- 2 HC- 2 HC- 2 HC-HC -OOC- 2 HC- 2 HC- 2 HC- 2 HC- 2 HC- 2 HC- 2 HC-HC C-1 C-2 C-3 C-9 Região Polar Região Apolar C-10 C-18 Ácido Oléico - CH 3 (CH 2 ) 18 COOH Conceito: Polaridade e Apolaridade 24

25 Água e Soluções Soluto + 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

26 De onde veio esta idéia? Friedrich Kohlrausch ( ); 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 H 3 O + e OH - (mesmo na água mais pura, ou seja, sem a presença de outros íons no meio). Ionização da Água 26

27 Íons provenientes da dissociação da água: H 2 0 H + + OH - H OH - O grau de ionização é descrito como Keq (Constante de Equilíbrio): Keq = [H + ] [OH - ] [H 2 0] Ionização da Água - Representação 27

28 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 Água 28

29 -A 25ºC: o valor da Keq conhecida para a Água = 1,8 x ; -Deriva-se que: Em 55,5 mol/L de água pura, existem 1,8 x moléculas de água a 25ºCdissociadas – 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 Água 29

30 -Concentração do Íon H + : Principal produto iônico da água (íon mais reativo). -Produto iônico ([H + ] X [OH - ]) é denominado por Kw; - Kw = Keq X [H 2 0]; - Kw = (1,8 x ) X (55,5) = 1,0 x , onde: - Kw = [H + ] [OH - ]= 1,0 x ou 1,0 x X 1,0 x Água é neutra: [H + ] = 1x10 -7 (- log) pH = 7 Ionização da Água 30

31 - 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 10 0 a O que é pH? 31

32 p significa: logaritmo negativo de... (- log); Então: pH = - log [H + ] e pOH = - log [OH - ] Para H 2 0: pH = - log [1 X ] = 7,0 pOH = - log [1 X ] = 7,0 Potencial hidrogeniônico - pH 32

33 -O pH: Na água pura, na água ácida e numa água básica (alcalina): 1) Água pura: [H + ] = 1, pH = 7 2) Água ácida: [H + ] = 1, pH = 0 3) Água alcalina: [H + ] = 1, pH = 14 Potencial hidrogeniônico - pH 33

34 -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 - pH 34

35 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 36

37 - 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 Hidrogênio 37

38 Importância do pH 1) Homeostasia; 2) Atividade catalítica das enzimas; 3) Outros: Ex. Diagnóstico de doenças (sangue e urina). 38

39 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

40 pH do Sangue Arterial 7,47,0 7,8 Faixa de sobrevida AcidoseAlcalose pH Normal pH x Homeostasia 40

41 Alterações no pH Aumento da [H + ] 7,4 Acidose Alcalose Queda do pH Acúmulo de ácidos Acúmulo de bases Perda de ácidos Perda de bases Diminuição da [H + ] Escala de pH Aumento do pH

42 pH dos Líquidos Corporais Concentração de H + em mEq/l pH Líquido Extracelular Sangue Arterial 4.0 x Sangue Venoso 4.5 x Líquido Intersticial 4.5 x Líquido Intracelular 1 x a 4 x a 7.4 Urina 3 x a 1 x a 8.0 Suco Gástrico

43 Tampões Biológicos 43

44 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

45 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

46 -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

47 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

48 - 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 (H 2 CO 3 ) com sua respectiva Base Conjugada, o Íon Bicarbonato (HCO 3 - ); - O H 2 CO 3 forma-se: Pela associação da H 2 O com o CO 2 formado na respiração aeróbia. Tampões Biológicos 48

49 Formação e dissociação do H 2 CO 3 Reação 1 Reação 2 Reação 3 Fase Aquosa (Sangue nos capilares) Fase Gasosa (Espaços de ar nos pulmões) CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO

50 - 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: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 - Tampões Biológicos 50

51 Tampões no organismo humano – 4 Tipos TampõesÁcidoBases Conjugada Principal sítio de tamponamento HemoglobinaHHbHb - Eritrócitos ProteínasHProtProt - Intracelular Tampão FosfatoH 2 PO 4 - HPO 4 2- Intracelular Ácido Carbônico / Bicarbonato CO 2 --> H 2 CO 3 HCO 3 - Extracelular Tampões Biológicos (Químicos) 51

52 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

53 Tampão Ácido Carbônico/Bicarbonato -Como age este Sistema Tampão: 1) Quando Ácido (H+) é adicionado ao sistema ocorre: O HCO 3 - reage com o íon H+ formando H 2 CO 3, que se dissocia em H 2 O 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 H 2 CO 3 (em bicarbonato e H+) reage com o íon OH- formando e H 2 O e HCO 3 - (que em excesso é expelido pelos rins). 53

54 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

55 Mecanismos integrados para regulação do Equilíbrio Ácido-Básico & Velocidade de Intervenção Ação rápidaAção lenta Ação imediata 55

56 Distúrbios do Equilíbrio Ácido/Básico 1) ACIDOSE: [ H + ] no sangue. Excesso de CO 2 Perda de bases / excesso de ácidos orgânicos (acidose respiratória) (acidose metabólica) 2) ALCALOSE: [ H + ] no sangue. Perda de CO 2 Excesso de bases / perdas de ácidos orgânicos (alcalose respiratória) (alcalose metabólica ) 56

57 Obrigado, agradeço a atenção de todos

58 Perguntas…?


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