Bioquímica I - Módulo 1 - 5ª Edição Reformulada

Módulo 1 Andrea Da Poian Debora Foguel Volume 1 Módulo 1 5ª edição reformulada Bioquímica I Apoio Material Didático D11b Poian Andrea Da Bioquímica I v 1 Andrea Da Poian Debora Foguel 5ed Rio de Janeiro Fundação CECIERJ 2009 220p 19 x 265 cm ISBN 9788576484325 1 Investigação científi ca 2 Populações brasileira 3 Soluções 4 Ácidos e bases 5 Aminoácido 6 Propriedades químicas I Poian Andrea Da II Foguel Debora III DansaPetretski Marílvia IV Tavares Olga V Título CDD 572 Referências Bibliográfi cas e catalogação na fonte de acordo com as normas da ABNT Copyright 2008 Fundação Cecierj Consórcio Cederj Nenhuma parte deste material poderá ser reproduzida transmitida e gravada por qualquer meio eletrônico mecânico por fotocópia e outros sem a prévia autorização por escrito da Fundação 20092 ELABORAÇÃO DE CONTEÚDO Andrea Da Poian Debora Foguel COORDENAÇÃO DE DESENVOLVIMENTO INSTRUCIONAL Cristine Costa Barreto SUPERVISÃO DE DESENVOLVIMENTO INSTRUCIONAL Ana Paula AbreuFialho DESENVOLVIMENTO INSTRUCIONAL E REVISÃO José Meyohas AVALIAÇÃO DO MATERIAL DIDÁTICO Thaïs de Sieri EDITORA Tereza Queiroz REVISÃO TIPOGRÁFICA Cristina Freixinho Diana Castellani Elaine Bayma Patrícia Paula COORDENAÇÃO GRÁFICA Jorge Moura PROGRAMAÇÃO VISUAL Alexandre dOliveira ILUSTRAÇÃO Jefferson Caçador CAPA Jefferson Caçador PRODUÇÃO GRÁFICA Fábio Rapello Alencar Departamento de Produção Fundação Cecierj Consórcio Cederj Rua Visconde de Niterói 1364 Mangueira Rio de Janeiro RJ CEP 20943001 Tel 21 23341569 Fax 21 25680725 Presidente Masako Oya Masuda Vicepresidente Mirian Crapez Coordenação do Curso de Biologia UENF Milton Kanashiro UFRJ Ricardo Iglesias Rios UERJ Cibele Schwanke Governo do Estado do Rio de Janeiro Secretário de Estado de Ciência e Tecnologia Governador Alexandre Cardoso Sérgio Cabral Filho Universidades Consorciadas UENF UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE FLUMINENSE DARCY RIBEIRO Reitor Almy Junior Cordeiro de Carvalho UERJ UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO Reitor Ricardo Vieiralves UNIRIO UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO Reitora Malvina Tania Tuttman UFRRJ UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO Reitor Ricardo Motta Miranda UFRJ UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Reitor Aloísio Teixeira UFF UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE Reitor Roberto de Souza Salles Aula 1 Você sabe o que é Bioquímica 7 Andrea Da Poian e Debora Foguel Aula 2 A água e suas propriedades parte 1 25 Andrea Da Poian e Debora Foguel Aula 3 A água e suas propriedades parte 2 47 Andrea Da Poian e Debora Foguel Aula 4 Soluções aquosas 65 Andrea Da Poian e Debora Foguel Aula 5 O que são ácidos e bases 81 Andrea Da Poian e Debora Foguel Aula 6 O que é pH de uma solução 103 Andrea Da Poian e Debora Foguel Aula 7 O que é soluçãotampão 127 Andrea Da Poian e Debora Foguel Aula 8 Introdução aos aminoácidos 147 Debora Foguel e Andrea Da Poian Aula 9 Propriedades químicas dos aminoácidos I 175 Debora Foguel e Andrea Da Poian Aula 10 Mais propriedades químicas dos aminoácidos 195 Debora Foguel e Andrea Da Poian Referências 217 Bioquímica I SUMÁRIO Volume 1 Módulo 1 objetivos Meta da aula Introduzir a disciplina Bioquímica I apresentando as características mais marcantes das biomoléculas seu material de estudo Após estudar esta aula você deverá ser capaz de caracterizar biomolécula identifi car biomoléculas no seu cotidiano Você sabe o que é Bioquímica 1 A U L A 1 2 Bioquímica I Você sabe o que é Bioquímica 8 C E D E R J Este é o início da disciplina Bioquímica I que será fundamental na sua formação como professor de Ciências e dependendo das suas escolhas como pesquisador também A Bioquímica é como os radicais latinos dizem a química da vida Conhecimentos básicos sobre ela tornamse fundamentais para a compreensão de diversos pontos importantes que agora fazem parte de nossas vidas como os avanços da genética ex clonagem inseminação artifi cial o crescimento das doenças metabólicas como a diabetes e a obesidade o aparecimento de dezenas de dietas de emagrecimento as doenças crônicodegenerativas etc Aprender Bioquímica será fácil e agradável desde que você entenda o quanto o conteúdo desta disciplina está presente no seu diaadia Busque realizar uma leitura ativa das aulas fazendo as atividades propostas e tirando suas dúvidas caso elas surjam com o tutor da disciplina No curso de Ciências Biológicas dividimos o estudo da Bioquímica em duas disciplinas Em Bioquímica I você vai conhecer as moléculas mais abundantes nos seres vivos e entender suas propriedades e funções Em Bioquímica II você vai estudar o metabolismo o conjunto de reações químicas que ocorrem nos seres vivos POR QUE ESTUDAR BIOQUÍMICA Se refl etirmos um pouco sobre as diversas questões presentes diariamente em nossas vidas veremos que o conhecimento da Bioquímica é de grande importância na compreensão de muitos fatos próximos da nossa realidade e sobretudo de quase todos os fenômenos de interesse para os biólogos Por quê Veja o que escreveu ALBERT LEHNINGER um renomado bioquímico autor de um dos mais difundidos livros didáticos de Bioquímica traduzido para várias línguas e usado por milhares e milhares de estudantes todos os anos No passado eu acreditava que Bioquímica deveria ser uma disciplina de pósgraduação abordada apenas após um ensino básico de Química e Biologia Hoje eu tenho uma visão bastante diferente A Bioquímica deve ser ensinada muito antes já que esta disciplina se tornou a língua franca das ciências da vida iluminando o estudo subseqüente de qualquer área da Biologia Quando falamos em Química da vida vem à sua cabeça a sensação de que mais uma vez vão falar de coisas que não dão pra ver INTRODUÇÃO ALBERT LEHNINGER 19171986 Foi professor das Universidades de Wisconsin Chicago e Johns Hopkins EUA Junto a E P Kennedy descobriu as mitocôndrias Tornou se uma autoridade em metabolismo energético fornecendo contribuições fundamentais à Ciência nas áreas de enzimologia bioenergética e calcifi cação Muito do que você aprenderá em Bioquímica II foi descoberto por Lehninger Ele também escreveu vários livros didáticos de Bioquímica Procure na biblioteca do seu pólo seu livro mais conhecido Princípios em Bioquímica que pode ser um bom auxiliar no estudo desta disciplina assim como de Bioquímica II pois apresenta uma enormidade de ilustrações e esquemas para ajudar a compreender os processos biológicos C E D E R J 9 AULA 1 MÓDULO 1 Pode ser difícil para você assim como é para muitas pessoas entender aquilo que não se vê Abstrair imaginar moléculas não é tarefa fácil mas é muito relevante O fato de uma célula não ser visível a olho nu não diminui sua importância por exemplo ela continua sendo a unidade morfológica de um ser vivo e é de milhares delas estruturas invisíveis a olho nu que são feitos os organismos que podemos ver tão bem para fazer uma analogia pense nas peças do LEGO que podem construir castelos carros bonecos estruturas grandes em relação a uma única peça E falando em coisas invisíveis Pense um pouquinho agora Uma célula é a menor coisa que você pode imaginar Do que ela é feita A LÓGICA DA VIDA Uma célula pode até ser a menor coisa de que você possa se lembrar em um primeiro momento porém pensando um pouquinho mais você logo se lembrará de que uma célula é constituída de diversas moléculas como as proteínas os lipídeos os ácidos nucléicos Essas moléculas que constituem os organismos vivos não têm vida própria ou seja são inanimadas Todas as coisas vivas são formadas por um conjunto de moléculas inanimadas Se é assim por que a matéria viva difere tão radicalmente da matéria inanimada as pedras por exemplo que também é formada por moléculas inanimadas Há muitos anos os fi lósofos pensando nessa questão propuseram que os organismos vivos possuíam o que chamaram de força vital que tinha origem misteriosa e divina Surgiu assim a doutrina do VITALISMO Essa teoria foi experimentalmente contestada muitos séculos depois Entre os fatos que contribuíram para a perda de credibilidade da doutrina do vitalismo podemos citar o fi m da crença na geração espontânea dos seres vivos acarretada pelos trabalhos de FRANCESCO REDI LAZZARO SPALLANZANI e especialmente de LOUIS PASTEUR veja o boxe de curiosidade a seguir LEGO Jogo constituído de peças quadradas ou retangulares que se encaixam dando origem a qualquer coisa que você seja capaz de montar com sua habilidade desde casinhas até grandes castelos caminhões etc Fonte wwwsxchu cód 205910 VITALISMO Teoria segundo a qual os seres vivos estão sob infl uência de agentes sem as propriedades típicas da matéria ou da energia a força vital Foto Paul Preacher Bioquímica I Você sabe o que é Bioquímica 10 C E D E R J FRANCESCO REDI 16261697 Nasceu em Arezzo na Itália e estudou Medicina em Pisa cidade vizinha Contribuiu de maneira expressiva para a Ciência apresentando com dados baseados em experimentação e controles apropriados o primeiro ataque à Teoria da Geração Espontânea LAZZARO SPALLANZANI 17291799 Nasceu em Bolonha na Itália e começou sua carreira acadêmica estudando Direito Abandonou a faculdade ao descobrir seu enorme apreço pela Ciência para a qual fez contribuições importantes não apenas auxiliando a elucidar a geração da vida mas principalmente na área de regeneração de indivíduos e de transplante de órgãos LOUIS PASTEUR 18221895 Nasceu na França do século XIX e se empenhou em pesquisar fenômenos microbiológicos e imunológicos tornandose o pai dessas duas ciências Desvendou os mistérios da fermentação alcoólica Fez campanhas de vacinação em massa em Paris para erradicar a raiva Fundou o Instituto Pasteur um renomado centro de pesquisa na França que abriga alguns dos pesquisadores mais competentes do meio até os dias de hoje Moscas carne e a teoria sobre a origem da vida Como você leu nesta aula e deve se lembrar do seu Ensino Médio durante muito tempo os filósofos tentaram explicar a vida por meio da crença em uma força vital Acreditavase que a vida fosse gerada espontaneamente um ser vivo poderia surgir do nada desde que houvesse condições para seu desenvolvimento por exemplo alimento Foto Cristopher Libert Foto Davide Gugliel Fonte wwwsxchu cód 462292 Fonte wwwsxchu cód 433527 C E D E R J 11 AULA 1 MÓDULO 1 A Teoria da Geração Espontânea foi proposta por Aristóteles influenciado pelo pensamento de Platão Foi Francesco Redi quem propôs um experimento que derrubou a Teoria da Geração Espontânea Redi deixou dois frascos cada um com um pedaço de carne sobre a sua mesa Em um deles havia uma tela protetora que o vedava o outro estava completamente aberto Redi observou que o frasco que havia ficado aberto era visitado por moscas com freqüência Após alguns dias de observação verificou que o frasco que tinha ficado aberto tinha larvas de moscas enquanto o outro não embora em ambos a carne estivesse podre Com esses dados ele concluiu que a vida as larvas de mosca não surgia espontaneamente mas era colocada dentro dos frascos por um outro ser vivo Complementar à pesquisa de Redi foi o trabalho de Louis Pasteur Pasteur provou por experimentação que há organismos vivos no ar que apodrecem e consomem a carne putrefata Ele fez uma experiência colocando três grupos de frascos os hermeticamente fechados os fechados com uma tela que permitia a entrada de ar os abertos Somente nos totalmente fechados não havia material em estágio de decomposição Em seguida desses achados o mesmo pesquisador descobriu que havia uma forma de purificar a matéria por meio de aquecimento Esse experimento se tornou mundialmente conhecido foi adaptado incluindo etapas de resfriamento rápido e deu nome a um procedimento de esterilização largamente utilizado pela indústria alimentícia a pasteurização Com a perda de importância do vitalismo tornouse essencial compreender a química envolvida na origem da vida Para isso seria necessário estudar os átomos que compõem uma molécula e a maneira como eles se organizam Pense novamente no Lego Há basicamente quadrados e retângulos poucos tipos de peças e com eles figuras diferentes podem ser construídas dependendo da forma como os encaixemos e do número de peças que utilizemos Com os átomos acontece a mesma coisa O número de tipos de átomos que encontramos no nosso corpo em quantidades expressivas é bastante pequeno no entanto há inúmeras moléculas sendo formadas por esses A Bioquímica pretende estudar como os conjuntos de moléculas inanimadas sem vida que formam os seres vivos interagem entre si para manter e perpetuar a vida O conjunto de princípios que regem essa organização é chamado lógica molecular da vida Mas afi nal que moléculas são essas que formam os seres vivos Bioquímica I Você sabe o que é Bioquímica 12 C E D E R J AS BIOMOLÉCULAS Como você já viu até agora a Bioquímica tem como objetivo estudar as moléculas que constituem a vida as biomoléculas Nesta disciplina vamos nos ater às biomoléculas mais abundantes nos seres vivos Você já sabe o que são mas sabe QUAIS são as biomoléculas mais presentes no nosso diaadia 1 Percebendo as biomoléculas no cotidiano A Bioquímica está presente no nosso diaadia mesmo que a gente não se dê conta Os alimentos são constituídos de muitas das biomoléculas que você vai estudar ao longo desta disciplina Uma forma de observar isso é fazer uma visitinha corriqueira à cozinha e observar os rótulos dos alimentos industrializados Assim reúna cinco alimentos que você tenha à mão na sua cozinha Avalie os seus rótulos e liste os nutrientes presentes em cada um deles na tabela a seguir siga o exemplo já mencionado da barra de cereais O que você pode observar Barra de cereais Carboidratos Proteínas Gorduras totais Fibras Vitaminas ATIVIDADE Fotot Pasi Pitkanen Fonte wwwsxchu Cód 95807 2 C E D E R J 13 AULA 1 MÓDULO 1 E você sabe por que os componentes de todos os alimentos são tão parecidos Um dos motivos mais evidentes para o fato de os alimentos terem os mesmos componentes principais é que nosso organismo necessita destes componentes para sobreviver É razoável portanto que os alimentos sejam feitos daquilo que nosso corpo precisa Agora que tal pensar na origem destes alimentos O fato é que todos os nossos alimentos são derivados de algum tipo de ser vivo ou pelo menos de alguma parte de um ser vivo A farinha de trigo por exemplo é obtida a partir de grãos de uma planta e os iogurtes e bebidas lácteas são obtidos a partir do leite uma secreção dos mamíferos Procure verifi car se esta conclusão é válida para todos os alimentos da tabela que você construiu na Atividade 1 e verá que realmente nossos alimentos são sempre derivados de um ser vivo ou de uma parte dele As moléculas como você sabe são compostas de diferentes tipos de átomos ligados entre si de maneira e em proporções variáveis Se você pensar em uma tabela periódica concluirá rapidamente que existe um número fi nito de tipos de átomos disponíveis para construir todas as moléculas dos seres vivos e do planeta onde vivemos Curioso é observar como estes átomos diferentes que existem estão distribuídos RESPOSTA COMENTADA Você deve ter percebido que na maioria dos alimentos escolhidos carboidratos lipídeos e proteínas estão presentes Em alguns pode ter encontrado também fi bras eou vitaminas Essas substâncias todas nada mais são do que biomoléculas assunto da nossa disciplina e presentes no seu diaadia Bioquímica I Você sabe o que é Bioquímica 14 C E D E R J Tabela 11 A constituição da matéria inanimada crosta terrestre é muito diferente da composição do corpo humano Crosta Terrestre elemento Corpo Humano elemento Oxigênio O 47 Hidrogênio H 63 Silício Si 28 Oxigênio O 255 Alumínio Al 79 Carbono C 95 Ferro Fé 45 Nitrogênio N 14 Cálcio Ca 35 Cálcio Ca 031 Sódio Na 25 Fósforo P 022 Potássio K 25 Cloro Cl 008 Magnésio Mg 22 Potássio K 006 Como você pôde perceber após analisar esta tabela H O C e N formam mais de 99 da massa de nosso corpo Se você pensar que cerca de 70 do peso do corpo de um ser humano adulto é composto de água facilmente entenderá a enorme quantidade de oxigênio e hidrogênio presentes nos 99 Em seguida na lista de mais abundantes em nós está o carbono O carbono é um elemento químico muito importante para a vida Não é à toa que estudamos no Ensino Médio a química orgânica ou seja a química das moléculas compostas por um esqueleto de carbono Você sabia que oito dos dez elementos mais abundantes no corpo humano estão entre os mais abundantes na água do mar Provavelmente isso acontece porque durante a evolução alguns elementos foram selecionados por apresentarem características químicas que se adequaram aos processos biológicos e em última análise à vida Não à toa o mar é muito rico em espécies animais e vegetais além de se acreditar que seja o ambiente de onde surgiu a vida no nosso planeta O PAPEL DO CARBONO A química dos organismos vivos está organizada em torno do elemento carbono Por suas propriedades químicas os átomos de carbono podem formar ligações covalentes entre si veja o boxe explicativo a seguir dando origem a diversas estruturas cadeias lineares cadeias ramifi cadas estruturas cíclicas e combinações dessas estruturas todas Figura 11 Essas estruturas têm como particularidade o fato de serem C E D E R J 15 AULA 1 MÓDULO 1 Os átomos e como eles interagem Você deve se lembrar de que um átomo é composto por três tipos de partículas prótons carga positiva elétrons carga negativa e nêutrons sem carga Os nêutrons ficam concentrados formando uma área mais densa Os prótons ficam distribuídos ao redor desses nêutrons completando a constituição do núcleo do átomo Os elétrons que são muito menores do que os prótons e nêutrons mais de mil vezes menores ficam ao redor do núcleo Eles têm carga negativa e são atraídos para o núcleo que tem carga positiva Os elétrons são constantemente repelidos uns pelos outros e descrevem um movimento de rotação ao redor do núcleo O movimento desses elétrons é tão rápido e tão variado que é impossível detectar onde um elétron está de fato Então para facilitar os cientistas passaram a chamar essa camada de elétrons de nuvem eletrônica Agora pense numa situação em que um átomo se aproxima do outro Quando isso acontece eles podem interagir graças às suas nuvens eletrônicas fazendo uma ligação química Calma calma você já vai entender Lembra aquela brincadeira o cabodeguerra duas pessoas em sentidos opostos puxando cada uma para um lado a mesma corda Nessa brincadeira ganha quem for mais forte e puxar a corda para si concorda Mas e se houver duas pessoas de mesma força brincando Ora se uma não tem mais força do que a outra ninguém ganhará a brincadeira Assim é a ligação covalente dois átomos de mesma força eletronegatividade capacidade de atrair elétrons compartilham um par de elétrons de suas nuvens eletrônicas buscando ambos uma estrutura atômica mais estável e essa parte é assunto para outra hora Sendo assim ligações covalentes são aquelas em que um par de elétrons é compartilhado por dois átomos formadas de um esqueleto de carbono ou seja um eixo central constituído de átomos de carbono Outros átomos também podem se ligar a estes esqueletos de carbono formando moléculas que são chamadas de compostos orgânicos Figura 12 As biomoléculas são compostos orgânicos produzidos por organismos vivos Bioquímica I Você sabe o que é Bioquímica 16 C E D E R J Figura 11 Estruturas de cadeias carbônicas Cada átomo de carbono por suas propriedades eletrônicas é capaz de realizar quatro ligações químicas por isso é que se pode chamálo tetravalente Os traços representam as ligações químicas que os carbonos estão fazendo Quando esses traços não ligam um carbono a outro indicam uma ligação entre um carbono e um átomo de hidrogênio a organização que padroniza as representações químicas IUPAC determinou que os hidrogênios não fossem mais escritos Assim todas as vezes que você vir um traço saindo de um carbono e não chegando a outro átomo signifi ca que este carbono está ligado a um hidrogênio a Cadeia linear átomos de car bono ligados covalentemente com partilhando elétrons formando uma estrutura como o próprio nome diz linear b Cadeia cíclica os átomos de carbono formam uma estrutura fechada ou cíclica que pode ou não estar associada a uma cadeia linear como no exemplo da fi gura c Cadeia ramificada a partir da estrutura linear é possível identifi car pequenas cadeias de carbono que formam ramifi cações dessa cadeia principal d Combinação da cadeia cíclica com a ramifi cada C E D E R J 17 AULA 1 MÓDULO 1 Representação gráfica das moléculas A estrutura de uma molécula pode ser representada de diversas formas Falando especificamente dos compostos orgânicos podemos ter 1 Fórmula estrutural escreve todos os átomos envolvidos na formação da cadeia Pode suprimir a escrita dos átomos de hidrogênio apenas 2 Fórmula de bastão escrevemse apenas as ligações químicas Estas ligações possuem um ângulo determinado pelo campo de atração dos núcleos dos átomos envolvidos o que é representado também Quando se vê uma estrutura em bastão é importante saber que as extremidades de cada traço representam um carbono Portanto uma linha reta representa dois carbonos ligados Quando dois traços se encontram ou seja há intercessão entre eles está representado um átomo de carbono apenas Veja as mesmas estruturas do item 1 agora desenhadas usando a representação de bastão Confuso Veja os átomos de carbono desta molécula de três carbonos circulados Nessa representação também subentendese os hidrogênios ligados aos carbonos cada carbono como você sabe precisa fazer quatro ligações para se estabilizar tetravalente 3 Representação tridimensional neste tipo de representação desenhamse os átomos levandose em conta sua localização no espaço e representando os com volume veja a mesma estrutura dos itens 1 e 2 ou simplesmente ou Bioquímica I Você sabe o que é Bioquímica 18 C E D E R J Quanto maior uma molécula mais comum é encontrála representada em forma de bastões Com freqüência também utilizamos a fórmula estrutural suprimindo os átomos de hidrogênio A representação tridimensional é importante mas menos comum pela dificuldade de desenhála com precisão ESTRUTURAS DE BIOMOLÉCULAS FORMADAS POR ÁTOMOS DE CARBONO Estrutura de um lipídeo bastante comum no nosso organismo o ácido palmítico Esta molécula é composta de 16 carbonos e um grupamento carboxila COOH em uma das extremidades o que o caracteriza como ácido Ligados ao átomo de carbono central há um grupamento amina NH3 e uma carboxila COOH Como a carboxila é a característica de um ácido esta molécula se chama aminoácido Os aminoácidos são as unidades formadoras de proteínas Representada nesta fi gura está a glicina o mais simples dos aminoácidos constituintes de proteínas Figura 12 Compostos orgânicos moléculas formadas por carbono em associação com outros átomos C E D E R J 19 AULA 1 MÓDULO 1 Para ter uma idéia de como o carbono é importante para a vida veja na tabela seguinte a composição química de uma célula Porcentagem da massa total Número aproximado de espécies moleculares diferentes Água 70 1 Proteínas 15 3000 Ácidos nucléicos DNA RNA 1 6 1 3000 Polissacarídeos 3 5 Lipídeos 2 20 Outras pequenas moléculas orgânicas 2 500 Íons inorgânicos 1 20 Qual é o componente mais abundante da célula apresentada Ele é orgânico E quanto aos íons inorgânicos sais minerais o que você pode observar Escreva suas observações no espaço a seguir A água é a substância presente em maior quantidade nas nossas células e por conseqüência em todo o nosso corpo Você verá nesta disciplina diversas propriedades da água que a fazem ser tão importante assim Por agora vamos nos focar nas substâncias sólidas presentes na célula apresentada na tabela anterior Há uma pequena porcentagem de sais minerais íons inorgânicos na massa da célula Quase toda a matéria sólida da célula é orgânica e distribuída em quatro grupos proteínas ácidos nucléicos polissacarídeos e lipídeos Estes quatro grupos de MACROMOLÉCULAS são o foco da nossa disciplina MACROMOLÉCULAS Moléculas poliméricas apresentando massa molecular superior a milhares de dáltons dalton é a unidade utilizada para medir as macromoléculas especialmente as proteínas O R G Â N I C A S Bioquímica I Você sabe o que é Bioquímica 20 C E D E R J Figura 13 Algumas unidades monoméricas que constituem as macromoléculas Os componentes dos ácidos nucléicos são os nucleotídeos formados pelas bases nitrogenadas timina adenina citosina e guanina para DNA para RNA substituise a timina pela uracila conjugadas com um açúcar ribose para RNA ou desoxirribose para DNA e um fosfato derivado do ácido fosfórico O amido é um polímero de glicose o açúcar representado à direita Os lipídeos também conhecidos como acilas embora não formem polímeros podem se associar com o glicerol ou com outras moléculas como a colina e o fosfato Três acilas ligadas a um glicerol formam o TAG triacilglicerol composto monitorado nos nossos exames de sangue por exemplo Um lipídeo ligado a uma colina e a um fosfato forma a fosfatidilcolina um fosfolipídeo presente na membrana das células Os aminoácidos por sua vez associados uns aos outros formam as proteínas As proteínas os ácidos nucléicos e os polissacarídeos são formados pela POLIMERIZAÇÃO de diversas unidades monoméricas e são por isso considerados macromoléculas As proteínas são polímeros de aminoácidos os ácidos nucléicos são polímeros de nucleotídeos e os polissacarídeos de açúcares Os lipídeos não são tão grandes para serem classifi cados como macromoléculas mas muitas vezes também são formados pela polimerização de unidades menores São focos de nosso estudo por causa de sua importância fi siológica Há relativamente poucos tipos de unidades monoméricas Figura 13 que entretanto ao se combinarem dão origem à enorme diversidade de macromoléculas existentes POLIMERIZAÇÃO Polimerizar é unir diversas unidades monoméricas por meio de ligações químicas Para entender esse conceito é só imaginar um colar de pérolas cada conta é uma unidade monomérica e o colar formado por elas é um polímero C E D E R J 21 AULA 1 MÓDULO 1 CONCLUSÃO A Bioquímica é a ciência que estuda todas as moléculas relacionadas aos seres vivos Caracterizar suas estruturas auxilia na investigação da forma como essas moléculas atuam nos organismos podendo inclusive levar a descobertas médicas de grande interesse Foi assim com a descoberta da insulina um hormônio que trabalha na regulação do metabolismo energético em geral e especialmente do açúcar Quando descobriram qual era esse hormônio e como obtêlo os pesquisadores puderam oferecer uma melhor qualidade de vida para indivíduos incapazes de sintetizar essa molécula os diabéticos do tipo I que você verá com detalhes em Bioquímica II Esse é mais um exemplo de que a Bioquímica está presente em inúmeras coisas do nosso cotidiano ATIVIDADE FINAL Identifi cando uma biomolécula pela sua característica mais marcante A seguir você encontra uma diversidade de moléculas representadas por suas fórmulas estruturais Se você assimilou bem os conceitos apresentados nesta aula não será difícil identifi car aquelas que são biomoléculas Circuleas e em seguida escreva por qual característica das fórmulas dessas moléculas você foi capaz de identifi cálas como focos de estudo da Bioquímica a b c d e 1 Bioquímica I Você sabe o que é Bioquímica 22 C E D E R J RESPOSTA COMENTADA A principal característica que você aprendeu sobre as biomoléculas nesta aula é que elas são compostos orgânicos ou seja constituídas por uma cadeia carbônica com outros elementos associados produzidos por seres vivos De posse dessa informação provavelmente você circulou as estruturas representadas nas letras a e e Você não sabia a origem destas moléculas se vinham de seres vivos mas percebeu rapidamente que sendo compostos orgânicos eram fortes candidatas De fato a e e são biomoléculas Só para matar sua curiosidade veja quais são os compostos mencionados Na letra a está representado o colesterol molécula que embora batalhemos para mantêlo em baixas concentrações no nosso sangue é bastante importante para o funcionamento do nosso organismo participando por exemplo da formação das membranas de nossas células Ele é uma biomolécula e faz parte da classe de moléculas encontradas em grandes quantidades no nosso corpo os lipídeos Na letra b está representada a cisplatina Este composto inorgânico vem sendo utilizado para conter o espalhamento metástase de cânceres de testículo ovário e vesícula Na letra c está representado o fosfato que também é inorgânico O fosfato é muito importante nos organismos pois além de fazer parte de estruturas fundamentais como os nucleotídeos que compõem os ácidos nucléicos ele é personagemchave para armazenamento de energia Existe uma molécula a ATP que é a moeda energética do nosso corpo A ATP só é chamada assim porque em sua estrutura há três fosfatos que reservam na molécula uma grande quantidade de energia Na letra d você viu o trimetafosfato O nome é complicado mas a atuação desta molécula é bastante corriqueira quando ela está associada a quatro átomos de sódio formando o trimetafosfato tetrassódico é utilizada na prevenção de cáries Na letra e está um composto que certamente você conhece sintetizado por uma planta e que apresenta propriedades biológicas como aumento dos batimentos cardíacos alteração da pressão arterial e estimulação do sistema nervoso central dentre outros efeitos Quer saber qual é essa substância C E D E R J 23 AULA 1 MÓDULO 1 A Bioquímica é o estudo da vida em nível molecular A matéria viva se diferencia da matéria inanimada por ser composta de um conjunto de moléculas que compartilham características especiais as biomoléculas Grande parte das propriedades particulares destas moléculas deriva da presença do elemento carbono Os principais componentes moleculares dos seres vivos são as proteínas os ácidos nucléicos os polissacarídeos e os lipídeos Tais moléculas à exceção dos lipídeos são formadas a partir da polimerização de unidades monoméricas específi cas e o seu estudo será o tema do nosso curso R E S U M O INFORMAÇÕES SOBRE A PRÓXIMA AULA Lembra que você viu nesta aula que 70 da massa de um ser humano é água Isso dá uma idéia de o quanto é importante este composto embora ele não seja orgânico É por isso que na aula que vem você verá algumas das propriedades dessa molécula que é chamada solvente universal objetivos Meta da aula Apresentar algumas propriedades da água como calor específi co calor de vaporização densidade e tensão superfi cial Ao fi nal desta aula você deverá ser capaz de aplicar o conceito de calor específi co identifi car a participação do calor de vaporização no controle de temperatura defi nir densidade visualizar tensão superfi cial da água A água e suas propriedades parte 1 2 A U L A Prérequisitos Para compreender todos os conteúdos que serão explorados você precisa se lembrar de alguns conhecimentos de Ciências adquiridos na escola tais como os estados físicos da água Além disso é bom ter em mente o modelo atômico aceito atualmente que você aprendeu no Ensino Médio Assim ter ao alcance das mãos seus livros de Química do Ensino Médio é uma boa dica Você precisará também de alguns materiais bastante simples para executar uma das atividades como copo água agulha detergente contagotas e pinça 1 2 3 4 Bioquímica I A água e suas propriedades parte 1 26 C E D E R J INTRODUÇÃO Você certamente já ouviu falar muitas vezes que a água é fundamental para a vida Já se perguntou por quê A vida na Terra surgiu há mais de 35 bilhões de anos graças à existência de um meio formado principalmente por água Atualmente a água ocupa ¾ da superfície do nosso planeta e é a substância mais abundante nos seres vivos podendo equivaler entre 45 e 95 do peso de um organismo Entretanto como estamos muito acostumados a lidar com a água não percebemos que ela apresenta propriedades extraordinárias que são fundamentais para a vida Sem a água a vida não seria possível A água é uma substância muito simples formada por apenas três átomos dois de hidrogênio e um de oxigênio Figura 21 Por que será então que a água é tão importante para os seres vivos É isso que você começará a aprender nesta aula Figura 21 A estrutura molecular da água H2O A esfera maior mais escura representa o átomo de oxigênio as duas esferas menores mais claras representam os átomos de hidrogênio C E D E R J 27 AULA 2 MÓDULO 1 O QUE A ÁGUA TEM Nesta aula você verá as propriedades que fazem desse líquido um componente tão importante para a vida a partir de uma série de questões que são cotidianas Sugerimos que você pense nelas e tente resolvêlas antes de prosseguir a leitura da aula você pode anotar as perguntas que vierem à sua mente no espaço a seguir e tentar respondêlas mentalmente antes de estudar esta aula se desejar Essa atitude o tornará mais engajado em sua aprendizagem que conseqüentemente será mais efi caz Vamos lá A água ajuda a controlar a nossa temperatura Durante o dia o que está mais quente a água da piscina ou do mar ou o solo por exemplo a areia E quando anoitece como está a relação entre as temperaturas de ambos De manhã a água da piscina ou do mar está sempre fria ao passo que a areia da praia ou o chão ao redor da piscina geralmente fi cam quentes muito rápido nas primeiras horas de incidência de sol ao fi nal do dia eles vão retornando às suas temperaturas da manhã A água por sua vez se mantém aquecida por mais tempo e se você arriscar um mergulho umas duas ou três horas depois de o sol ter se posto provavelmente se deparará com uma temperatura bastante agradável Diante dessas observações podemos tirar algumas conclusões Embora o sol comece a incidir ao mesmo tempo sobre o solo e sobre a água esta última responde diferentemente do primeiro a água demora para se aquecer e uma vez aquecida pela energia térmica que vem do sol demora também para esfriar Aonde queremos chegar É simples essas observações mostram que a temperatura da água se mantém surpreendentemente constante Isto ocorre porque uma das propriedades mais importantes da água e que está relacionada ao controle da temperatura do nosso corpo é apresentar um alto calor específi co e isso você aprenderá em seguida Bioquímica I A água e suas propriedades parte 1 28 C E D E R J Mas o que é calor específi co Calor específi co é a quantidade de energia necessária para aumentar em 1C a temperatura de 1 grama de uma determinada substância Assim uma substância que apresenta um elevado calor específi co precisa receber uma grande quantidade de energia muito calor do ambiente para que sua temperatura aumente A quantidade de energia térmica calor que uma substância precisa receber para ter sua temperatura aumentada é medida em calorias Portanto expressamos o calor específi co de uma substância em caloria grama ºC quantidade de calor para fazer 1g da substância aumentar sua temperatura em 1ºC Para termos idéia do calor específi co da água podemos comparálo com o de outras substâncias como o álcool e o clorofórmio Então suponha a seguinte situação há três recipientes um com água um com álcool e outro com clorofórmio todos eles à temperatura inicial de 25ºC Veja o esquema que acompanhada a Tabela 21 Substância Calor específi co CalgC Temperatura inicial C Aplicação de calor mesma quantidade para todos Temperatura fi nal C Água 100 25 26 Álcool 058 25 26724 Clorofórmio 0234 25 29274 Aplicação da mesma quantidade de calor a todos os frascos Antes Depois 25C 25C 25C Água Álcool Clorofórmio 26C 26724C 29274C Água Álcool Clorofórmio Não confunda calor específi co com temperatura A fi m de evitar confusões é preciso que você entenda que o calor específi co é uma propriedade das substâncias e não deve ser confundido com temperatura Uma determinada substância tem sempre o mesmo calor específi co já que para aumentarmos um 1C à temperatura de 1 grama desta substância precisaremos sempre da mesma quantidade de energia A quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de uma determinada quantidade de água de 10C para 11C é a mesma necessária para aumentar sua temperatura de 11C para 12C Isso é o calor específi co Já a temperatura de uma substância pode variar ou seja a água dentro de um copo pode esquentar ou esfriar Tabela 21 Comparação entre substâncias com diferentes valores de calor específi co C E D E R J 29 AULA 2 MÓDULO 1 A que conclusões você chega em relação à quantidade de calor necessária para aumentar em 1C a temperatura de 1g de água em comparação com a quantidade de calor necessária para elevar em 1C a temperatura de 1g de álcool Maior ou menor E se compararmos com a do clorofórmio Álcool Clorofórmio A tabela mostra que para elevar a temperatura de 1g de água em 1C é necessário 1 caloria ao passo que para realizar o mesmo com o álcool é necessário 058 pouco mais da metade e para o clorofórmio 0234 caloria ainda comparando com a água cerca de quatro vezes menor Aplicandose a mesma quantidade de calor a 1g das três substâncias concluiremos que a temperatura do clorofórmio sofre aumento maior do que a do álcool e que a do álcool por sua vez aumenta mais que a da água A quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 1g de água em 1C eleva em quase 2C a temperatura de uma mesma quantidade de álcool etanol e em mais de 4C a mesma quantidade de clorofórmio Diante da mesma quantidade de calor aplicado a água resiste mais ao aumento de temperatura do que os outros dois compostos exatamente porque apresenta um calor específi co maior do que o do álcool e o do clorofórmio A água portanto é uma substância que não apresenta variações de temperatura facilmente ou seja é necessário uma grande quantidade de energia para fazer a temperatura da água subir Esta é uma das características da água elevado calor específi co que faz com que ela funcione como um excelente moderador de temperatura Além do calor específi co os altos pontos de fusão e de congelamento da água também têm um papel importante na capacidade de moderar as variações térmicas desempenhadas por essa substância Quando está no estado sólido gelo a água requer muito mais energia para derreter voltar ao estado líquido do que outras substâncias de massa molecular semelhante Isso acontece porque o PONTO DE FUSÃO da água é alto Já quando queremos passar a água do estado líquido para o sólido processo inverso uma grande quantidade de energia deve ser perdida para que a água congele Assim como o ponto de fusão o PONTO DE CONGELAMENTO da água também é alto PONTO DE CONGELAMENTO É o ponto temperatura em que a água passa do estado líquido para o sólido ou seja congela PONTO DE FUSÃO É o ponto temperatura em que a água passa do estado sólido para o líquido isto é derrete Bioquímica I A água e suas propriedades parte 1 30 C E D E R J Figura 22 Quando a água líquida congela o processo é chamado congelamento quando o gelo derrete o processo é denominado fusão Gelo Água líquida Fusão Congelamento As três propriedades da água que você viu até o momento calor específi co ponto de fusão e ponto de congelamento tornamse muito importantes biologicamente visto que muitas reações químicas que ocorrem dentro das células liberam energia sob a forma de calor e esse calor precisa ser absorvido por algo que não permita que a temperatura do corpo suba A Atividade 1 vai ajudálo a entender isso melhor 1 Conceituando calor específi co Joana é mãe de um bebê de oito meses que se alimenta apenas de mingaus os quais recebe pela mamadeira Um dia Joana distraída não se deu conta do horário e se atrasou para preparar a refeição de seu fi lho A criança com fome começou a chorar desesperadamente Joana não sabia o que fazer pois mingau era a única coisa que o bebê comia e embora ela já tivesse acabado de preparar o alimento estava muito quente para ser dado a seu fi lho Para esfriar o mingau Joana começou a banhar a mamadeira em água corrente ao mesmo tempo que falava com uma amiga ao telefone perguntando por uma sugestão de como resolver a situação mais rapidamente Emília amiga de Joana sugeriu que em vez de banhar a mamadeira em água ela o fi zesse em álcool pois o álcool era mais refrescante e iria esfriar o mingau mais rápido ATIVIDADE Foto Richard S Fonte wwwsxchu Cód 504143 1 C E D E R J 31 AULA 2 MÓDULO 1 O que Joana deve fazer para ter o mingau de seu fi lho pronto mais rapidamente aceitar a sugestão da amiga ou continuar procedendo da maneira que estava antes do telefonema banhando a mamadeira em água corrente Justifi que sua resposta com base no que aprendeu nesta aula consulte a Tabela 21 para obter informações adicionais RESPOSTA COMENTADA Aplicar o conceito de calor específi co é o primeiro objetivo que você deve alcançar nesta aula e você provavelmente o fez não apenas por esta atividade mas pela análise da Tabela 21 no texto da aula Observando novamente a tabela você pôde perceber que o calor específi co da água é maior do que o do etanol Signifi ca que a água precisa de mais calor para ter sua temperatura elevada do que a mesma quantidade de álcool necessita Quando queremos esfriar uma substância é melhor a colocarmos em contato com outra que absorva bastante calor e não sofra alteração de temperatura facilmente Por quê A resposta é simples colocar a mamadeira quente em contato com o etanol iria esquentar muito o álcool e as trocas de calor de seu interesse passagem de calor da mamadeira para o álcool iriam parar de acontecer com a mamadeira ainda bem quente Já quando estamos utilizando uma substância como a água o equilíbrio térmico temperatura igual para a mamadeira e para a água acontece após a água ter absorvido bastante calor da mamadeira ajudando a esfriar o mingau da criança mais efi cientemente Considerando além disso que Joana estava utilizando água corrente sempre saindo fria da torneira isto é não fi cando mais aquecida pelo contato com um material quente e permanecendo nesta situação mais acertada ainda era a maneira como estava procedendo Portanto ela não deve parar de colocar a mamadeira na água para colocála para esfriar no álcool Bioquímica I A água e suas propriedades parte 1 32 C E D E R J Você pode achar que a quantidade de calor liberado na quebra de uma molécula por exemplo é muito pequena Mas lembrese de que a todo instante ocorrem milhares ou milhões de reações no interior de uma célula ou de um organismo Assim é preciso que esse calor gerado seja absorvido e que não aconteça um aumento excessivo da temperatura do organismo Já concluiu o que acontece O calor gerado nas reações químicas dos organismos é absorvido pela água que dessa maneira evita o aumento excessivo da temperatura desses seres Caso a água não fosse capaz de absorver a grande quantidade de calor liberada nas reações as temperaturas dos meios intra e extracelular aumentariam causando danos como perda de atividade de proteínas dentre outros Os problemas da febre Provavelmente você já teve febre alta em torno de 40C e ouviu as pessoas ao redor dizendo que isso era preocupante e que o aumento da temperatura c o r p o r a l d e v i a s e r rapidamente controlado e revertido Mas você sabe por que a febre é um problema para o nosso corpo O nosso organismo é formado por uma série de moléculas orgânicas as biomoléculas tema da aula passada Dentre as biomoléculas você viu há a classe das proteínas As proteínas são moléculas fundamentais no nosso organismo Algumas delas têm função estrutural participando da composição das nossas células outras têm função de CATALISADORAS de reações químicas As proteínas independente de que função apresentem têm um arranjo de sua cadeia que é montado de acordo com as interações que seus átomos realizam uns com os outros Foto Sanja Gjnero wwwsxchu Cód387115 CATALISADORES Um catalisador é uma substância capaz de modifi car a velocidade de acontecimento de uma reação química sem sofrer uma modifi cação permanente na sua estrutura C E D E R J 33 AULA 2 MÓDULO 1 Sobre a estrutura de uma proteína e como ela é mantida você vai aprender daqui a algumas aulas nesta mesma disciplina Por enquanto é importante que você saiba que essa estrutura fundamental para que a proteína execute sua função dentro do organismo corretamente é abalada por alterações de temperatura Em torno de 37C que é a temperatura normal do nosso corpo as proteínas estruturais estão montadas corretamente e as proteínas que atuam como catalisadores estão trabalhando na velocidade máxima Abaixo dessa temperatura a velocidade das reações é diminuída acima estas proteínas começam a perder a estrutura que lhes proporciona a atividade catalítica Assim quando estamos com febre de 40C diversas proteínas essenciais para o bom funcionamento do nosso organismo começam a sofrer graves prejuízos É por isso que quando estamos com febre alta devemos nos preocupar Uma mesma cadeia formadora de uma proteína representada em 1 pode assumir formas arranjos diferentes de acordo com as interações que os componentes dessa cadeia realizam uns com os outros conforme você pode ver em 2 3 e 4 Você já viu como a água em virtude do seu alto calor específi co absorve o calor liberado pelas reações químicas No entanto essa não é a única propriedade dessa substância que contribui para que ela seja um excelente moderador de mudanças de temperatura Veja mais propriedades no tópico seguinte Bioquímica I A água e suas propriedades parte 1 34 C E D E R J Como o suor refresca Uma das características mais marcantes de aves e mamíferos é o fato de que os membros desses dois grupos serem capazes de controlar constantemente a sua temperatura corporal Falando mais especifi camente dos mamíferos e puxando a brasa para os seres humanos o suor é o exemplo mais conhecido de uma forma de exercer esse controle Isso acontece porque além de alto calor específi co alto ponto de fusão e de congelamento a água também apresenta um alto CALOR DE VAPORIZAÇÃO ou seja necessita de muita energia para evaporar Veja na Tabela 22 a comparação entre as propriedades da água e de outros compostos Tabela 22 Comparação entre os pontos de fusão de ebulição e do calor de vaporização da água com outras substâncias Ponto de fusão ºC Ponto de ebulição ºC Calor de vaporização calg Água Metanol CH3OH Etanol CH3CH2OH Propanol CH3CH2CH2OH Butanol CH3CH22CH2OH Acetona CH3COCH3 Hexano CH3CH24CH3 Benzeno C6H6 Butano CH3CH22CH3 Clorofórmio CHCl3 0 98 117 127 90 95 98 6 135 63 100 65 78 97 117 56 69 80 05 61 2260 1100 854 687 590 523 423 394 381 247 Fonte DL Nelson e MM Cox 2000 Lehninger Principles of Biochemistry Worth Publishers NY Assim quando suamos estamos colocando água na superfície do nosso corpo para que esta evapore Para sofrer esta mudança de estado é necessária uma grande quantidade de energia calor que é absorvida do nosso corpo Portanto para evaporar o suor absorve muito calor do corpo resfriandoo e auxiliando na manutenção da sua temperatura constante Para fi car mais claro pense em uma pessoa que está praticando esporte por exemplo corrida Para realizar esta atividade milhares de reações químicas estão acontecendo no seu organismo para promover a contração das fi bras musculares o aumento dos batimentos cardíacos da freqüência respiratória dentre outros eventos Essas milhares de reações geram como você viu na primeira parte da aula energia livre na forma de calor Este calor para ser dissipado conta com a participação da água quando estamos executando uma atividade física como a corrida CALOR DE VAPORIZAÇÃO Quantidade de energia necessária para fazer uma substância passar do estado líquido para o gasoso C E D E R J 35 AULA 2 MÓDULO 1 suamos bastante A água do suor carrega consigo o calor de dentro do corpo quando evapora e impede que a nossa temperatura aumente signifi cativamente o que se você leu o boxe Os problemas da febre já sabe ser uma questão importante Foto Paolo Ferla Figura 23 Atividades físicas como a corrida promovem o aumento da temperatura corporal Para manter a temperatura do organismo constante este faz uso do alto calor de vaporização da água o suor basicamente composto de H2O absorve calor da superfície da pele e leva consigo esta energia térmica quando evapora Fonte wwwsxchu Cód533310 Por que os cachorros ficam freqüentemente com a língua para fora Os cachorros são assim como nós membros do grupo dos mamíferos e portanto também realizam um controle efetivo para evitar variações da temperatura corpórea são HOMEOTÉRMICOS Nós humanos apresentamos na nossa epiderme uma enormidade de glândulas sudoríparas que externalizam o suor Este uma vez na superfície evapora levando consigo grande quantidade de calor e dessa maneira auxilia no controle da nossa temperatura corpórea Os cães não apresentam grandes quantidades de glândulas sudoríparas nos seus corpos Na verdade essas glândulas se situam expressivamente em dois pontos na parte inferior das patas que fica em contato com o chão e na língua É por isso que esses animais ficam constantemente com a língua para fora é a maneira que eles têm de dissipar calor e manter sua temperatura corpórea equilibrada Foto Gary Chua Foto Clodia Porteous Foto Rezi Gurashi Fonte wwwsxchu Cód 512387 Fonte wwwsxchu Cód 532397 Fonte wwwsxchu Cód 511947 HOMEOTÉRMICOS São organismos que mantêm a temperatura corporal constante independente das variações de temperatura do ambiente em que se encontram Os seres humanos por exemplo independentemente de estarem no pólo norte ou no deserto do Saara mantêm a temperatura do corpo em torno de 37C Bioquímica I A água e suas propriedades parte 1 36 C E D E R J E se em vez de pensar em um único indivíduo abríssemos o espectro de atuação da água para o meio ambiente Faça a atividade a seguir e veja como essa propriedade da água alto calor de vaporização pode infl uenciar na temperatura de um ambiente 2 Controlando a temperatura É preciso muito calor para evaporar a água É por isso que a evaporação é dita como um processo de resfriamento STOWE 1993 No meio que nos cerca a água é um elemento constantemente presente e que sofre a todo tempo transformações em seu estado físico A água ao evaporar pode promover alterações na temperatura de um ambiente De acordo com o que você estudou nesta aula a Diga o que provavelmente acontece com a temperatura de um ambiente onde há evaporação de água b Justifi que a sua resposta mencionando a propriedade da água que participa do processo RESPOSTA COMENTADA Um ambiente em que aconteceu uma alta taxa de evaporação da água provavelmente terá sua temperatura diminuída É o fato de a água apresentar um alto calor de vaporização que justifi ca essa redução da temperatura para a água passar do estado líquido para o gasoso é necessário que ela absorva uma grande quantidade de energia térmica calor Assim quando evapora ela carrega consigo grande quantidade de energia térmica resfriando o ambiente ATIVIDADE 2 C E D E R J 37 AULA 2 MÓDULO 1 POR QUE O GELO BÓIA Ainda estudando as propriedades físicoquímicas da água você deve se lembrar de que aprendeu lá no Ensino Fundamental que essa substância pode atingir três estados físicos diferentes sólido abaixo de 0C líquido em geral entre 1 e 99C e gasoso acima de 100C Pense no que acontece com as moléculas desta substância no primeiro estado mencionado Já esqueceu uma garrafa cheia de água e fechada ou uma garrafa de refrigerante ou qualquer coisa cuja base seja água no congelador de sua casa O que aconteceu Provavelmente se você já viveu essa experiência respondeu que a garrafa estourou Isso aconteceu porque quando uma determinada quantidade de água congela ela se expande ou seja sofre um aumento de volume Esse aumento de volume é provocado pelo fato de que quando congelada uma mesma quantidade de moléculas de água passa a ocupar um espaço maior do que quando estava no estado líquido Ora a grandeza que relaciona massa m e volume ocupado V você deve se lembrar é a densidade m medida em grama g V medido em centímetros cúbicos cm3 Figura 24 Se o gelo é feito de água por que ele bóia quando o colocamos em um copo com a mesma substância Fonte wwwsxchu Cód 277554 Foto Alexandar Iotzov d Bioquímica I A água e suas propriedades parte 1 38 C E D E R J Defi nindo em palavras densidade de um corposubstância é a relação entre sua massa e o volume que ocupa A água líquida por exemplo apresenta densidade de 1gcm3 o que signifi ca que ela necessita de um espaço de 1cm3 para cada grama Uma outra substância que apresente d 05 gcm3 ocupará com a mesma massa o dobro do espaço Quanto mais alto o valor da densidade de uma substância mais massa cabe em 1cm3 Dizendo de outra forma substâncias com alto valor de densidade tendem a necessitar de menos volume para uma mesma massa do que substâncias que apresentam valores inferiores de densidade É por isso que substâncias mais densas tendem a ser mais pesadas e a fi car no fundo dos recipientes ao passo que as menos densas fi cam na superfície Agora que você já relembrouentendeu o que é densidade volte à questão original deste tópico considerando 1L de água líquida e 1L de água congelada qual apresentará maior volume A densidade dos dois litros sólido e líquido é a mesma Qual dos dois apresenta densidade maior Depois de todas essas refl exões voltemos à pergunta inicial por que os cubos de gelo em um copo com água bóiam A água é uma substância atípica na verdade A maior parte das substâncias quando são submetidas a temperaturas mais baixas tendem a se tornar mais compactas e portanto mais densas No caso da água ocorre justamente o contrário a água se expande aumenta de volume quando congela Neste estado físico ela é menos densa do que quando está líquida Considerando uma mesma massa ter volume maior proporcionará a este corpo uma densidade menor É por ser menos denso que o gelo fi ca na superfície do copo com água O que acontece com a água para que ela mude de densidade ao congelar é assunto para a aula que vem Por enquanto guarde a informação de que esta variação é um fenômeno de grande importância para a vida na Terra Tal peculiaridade da água associada a outras propriedades como calor específi co e alto ponto de fusão faz com que nas regiões frias do planeta se forme uma camada de gelo na superfície dos rios e lagos o que impede que o resto da massa dágua seja congelada pela temperatura do ambiente ao redor que muitas vezes é bem inferior a 0C temperatura de congelamento da água Assim essa camada de gelo acaba funcionando como um isolante térmico preservando rios e lagos e conseqüentemente a vida dos organismos que ali vivem C E D E R J 39 AULA 2 MÓDULO 1 Ou seja se a água não tivesse todas estas propriedades e se lagos e lagoas congelassem por completo não haveria vida Por quê Porque o calor do sol só seria sufi ciente para descongelar uma pequena camada de água da superfície As camadas mais profundas fi cariam congeladas impedindo o surgimento de formas de vida nos oceanos 3 Já ouviu a expressão isso é só a ponta do iceberg Você aprendeu nesta aula que apenas uma porção pequena de água congela na superfície de lagos lagoas e mares formando uma espécie de fi lme de gelo que impede que o resto da água desta região seja congelada pela baixa temperatura do ambiente O gelo nestas situações funciona como um isolante térmico protegendo e garantindo a vida dos organismos que habitam esses ecossistemas Isso se deve a uma particularidade do comportamento da água congelada em relação à água líquida a Qual é essa particularidade b Icebergs são enormes blocos de gelo que podem ser encontrados em regiões bastante frias geralmente bem ao norte ou bem ao sul do planeta Eles representam um grande desafio aos ATIVIDADE Foto Raquel Teixeira Figura 25 Iceberg na Patagônia uma região ao sul da Argentina e do Chile conhecida pelas suas belezas naturais Fonte wwwsxchu 474181 3 Bioquímica I A água e suas propriedades parte 1 40 C E D E R J navegadores porque apenas uma pequena parte de sua constituição está exposta na superfície Ao ver um iceberg é possível que você esteja diante de apenas 18 do bloco total de gelo Ora se a água só congela em uma pequena espessura nas regiões frias como justifi car a presença de enormes blocos de gelo da ordem de quilômetros o maior iceberg do hemisfério norte foi estimado em 13km de comprimento por 6km de largura dos quais apenas 20m estavam expostos na superfície Então você sabe como se formam os icebergs Ficou curioso Para saber a resposta você pode fazer sua pesquisa na internet ou em livrosenciclopédias que tenha disponíveis RESPOSTA COMENTADA Aqui no material impresso você só encontrará a resposta para a letra a desta atividade Falando nela deve ter sido fácil responder a este item se você leu com atenção o trecho da aula que explicou que quando se congela a água ocupa um volume maior do que quando está líquida tornandose menos densa Isso explica o porquê de o gelo boiar Além disso como a água tem alto calor de congelamento a parte líquida dos lagos e lagoas abaixo da camada de gelo que se formou não congela Assim a camada superfi cial de gelo acaba funcionando como isolante térmico na superfície de lagoslagoas em regiões frias Está nesta posição superfície porque é menos denso do que a água líquida e portanto bóia sobre esta COMO SE FORMA UMA GOTA Você já reparou como alguns insetos e pequenos animais são capazes de caminhar sobre a superfície de lagoslagoas Já notou que podemos encher um copo com água passando um pouco da borda sem que ela transborde Que pequenos pingos de água tendem a formar gotas esféricas assim como aquelas que saem das torneiras que estão pingando devagarzinho C E D E R J 41 AULA 2 MÓDULO 1 Figura 26 A tensão superfi cial da água é a sua propriedade que permite a formação de gotas de tal maneira compactas que pequenos corpos como uma joaninha não conseguem penetrar Essa mesma característica permite que uma gota saia das torneiras de nossas casas como as vemos compactadas de forma esférica Foto Taro Taylor Foto Carlos Gustavo Curado Esses eventos são devidos a uma das propriedades da água a tensão superfi cial Veja o que disse um divulgador de ciências acerca deste fenômeno Agora pense numa gota de água Imagine a gota de água formandose na boca de uma torneira Fica suspensa crescendo mais e mais Finalmente depois de atingir um certo tamanho desprendese da torneira e cai Porque se mantém a água na boca da torneira É como se a água estivesse pendurada dentro de um pequeno saco elástico como um balão Depois é como se o saco elástico se rompesse ou arrebentasse quando se enche de água Não há realmente um saco à volta de uma gota de água Mas alguma coisa devia segurar a gota Esta alguma coisa uma propriedade da água e de outros líquidos é a chamada tensão superfi cial WOLLARD K e SOLOMON D 1993 Conforme você leu nesse pequeno trecho e já deve ter visto algumas vezes na sua vida uma gota que cai da torneira o faz de maneira lenta Parece de fato existir um saco invisível que vai se enchendo até que cai Esse saco invisível é formado pela interação das moléculas da água umas com as outras sobre forças de interação você aprenderá mais na aula que vem Por ora você apenas precisa saber que um tipo possível de interação são as forças de coesão igualmente compartilhadas entre moléculas vizinhas em um meio líquido Isso é o mesmo que dizer Fonte wwwsxchu Cód 301310 Fonte wwwsxchu Cód 47309 Bioquímica I A água e suas propriedades parte 1 42 C E D E R J que uma molécula de água pode interagir com a que está ao seu lado esquerdo direito em cima embaixo em todas as direções sempre com a mesma intensidade de força Figura 27 Figura 27 As moléculas de água na superfície de um recipiente só interagem com as moléculas que estão ao seu lado e embaixo A pois não há moléculas desta substância acima delas para que haja interação e sim o ar já no interior do líquido as interações podem acontecer em todas as direções B A tensão superfi cial é uma propriedade da água desencadeada pela coesão de suas moléculas umas com as outras A coesão é fundamental para o transporte de líquidos no interior das plantas dentre outros fenômenos biológicos Sobre esses assuntos você aprenderá na aula que vem CONCLUSÃO Entender as várias propriedades da água é fundamental para que adiante seja mais fácil compreender a participação desta importante molécula nos diversos processos biológicos A maioria das reações químicas que ocorrem nos seres vivos se dá em meio aquoso e além disso a água muitas vezes pode participar diretamente de algumas dessas reações Toda essa versatilidade é devida a tantas peculiaridades físicas e químicas dessa substância Ampliação Ampliação C E D E R J 43 AULA 2 MÓDULO 1 ATIVIDADE FINAL Caracterizando tensão superfi cial Esta atividade é um pouco diferente das demais que você encontrou nesta aula pois é prática Para realizála você precisará de alguns materiais bastante simples como 1 copo de vidro água 1 colher de sopa de detergente 1 agulha alfi nete também serve 1 contagotas 1 pinça Tendo em mãos esses materiais realize a seguinte seqüência de procedimentos 1 encha o copo com a água 2 pegue a agulha com a pinça 3 coloque cuidadosamente a agulha sobre a água Antes de continuar a experiência responda o que aconteceu com a agulha Por quê 4 Com o contagotas adicione lentamente o detergente ao copo dágua Observe o comportamento da agulha durante suas adições O que aconteceu com a agulha depois de você adicionar detergente ao copo dágua Como você explicaria este fenômeno 4 Bioquímica I A água e suas propriedades parte 1 44 C E D E R J RESPOSTA COMENTADA Ao realizar a primeira parte da experiência você já atingiu o quarto objetivo desta aula que era visualizar a tensão superfi cial da água Você deve ter verifi cado que a agulha ou alfi nete fl utuou e se manteve na superfície da água Isso se explica pela alta tensão superfi cial da água que foi capaz de sustentar o peso do objeto uma vez que este não era muito pesado O que você acabou de fazer com a agulha tem enorme relação com o que alguns insetos fazem na natureza esses pequenos animais caminham sobre as águas pelo mesmo motivo que sua agulha se manteve na superfície Agora vamos além Quando gota a gota você adicionou o detergente em determinado momento deve ter observado a agulha afundar Por quê É simples esse produto modifi ca a tensão superfi cial da água reduzindoa para cerca de 13 de seu valor original a 25C que não é mais capaz de sustentar o peso da agulha A tensão superfi cial portanto varia de líquido para líquido Aqueles que apresentam uma tensão mais alta realizam interações entre suas moléculas de superfície que são mais fortes podendo sustentar pequenos pesos Já os que apresentam tensão mais baixa como a água com detergente têm esta capacidade de sustentação reduzida porque suas moléculas de superfície realizam interações mais fracas umas com as outras C E D E R J 45 AULA 2 MÓDULO 1 A água é uma molécula fundamental à vida por participar de diversos processos biológicos Essa participação só é possível devido às suas propriedades O alto calor específi co da água quantidade de energia térmica necessária para elevar em 1C a temperatura de 1 g de água possibilita a esta substância participar do controle de temperatura nos organismos homeotérmicos pois absorve o calor gerado nas reações que acontecem dentro dos organismos O alto calor de vaporização da água quantidade de calor necessária para passar a água do estado líquido para vapor também auxilia no controle de temperatura o suor carrega consigo grande quantidade de calor para evaporar retirandoo do corpo do indivíduo Para a natureza as propriedades da água também são de grande importância por exemplo preservando a vida aquática dos organismos que vivem naquele ecossistema É o caso do alto calor específi co e de fusão e congelamento A alta tensão superfi cial da água por sua vez faz com que novos nichos ecológicos possam ser ocupados pois a superfície de lagoslagoas vira habitat para pequenos insetos R E S U M O INFORMAÇÕES SOBRE A PRÓXIMA AULA Na aula que vem você continuará aprendendo algumas das propriedades da água terminando de construir a base de conhecimentos necessária para entender a participação dessa substância em diversos processos biológicos vitais Até lá objetivos Meta da aula Apresentar propriedades da água voltadas para a análise de sua molécula Ao fi nal desta aula você deverá ser capaz de caracterizar a estrutura da molécula de água como um dipolo descrever a interação de moléculas de água entre si A água e suas propriedades parte 2 3 A U L A Prérequisitos O conteúdo desta aula fi cará muito mais fácil se você tiver em mente as propriedades da água abordadas na aula anterior alto calor específi co altos pontos de congelamento de fusão e sua tensão superfi cial 1 2 Bioquímica I A água e suas propriedades parte 2 48 C E D E R J INTRODUÇÃO Na aula passada você viu algumas das propriedades da água que justifi cam a sua denominação de líquido vital Você viu que esta substância apresenta alto calor específi co altos pontos de fusão de ebulição e de congelamento alto calor de vaporização e alta tensão superfi cial Mas o que há por trás de todos esses fenômenos Como explicar todas essas extraordinárias propriedades da água Na verdade todas essas incríveis propriedades físicas além das propriedades da água como SOLVENTE das quais falaremos na próxima aula são resultado de sua força de coesão interna A coesão faz com que as moléculas de água estejam permanentemente ligadas entre si e as bases dessas ligações é o que você vai aprender nesta aula COMO É UMA MOLÉCULA DE ÁGUA No começo da aula passada você viu a representação da estrutura da molécula de água que está apresentada novamente aqui na Figura 31 Figura 31 Representação da estrutura da molécula de água Os átomos de hidrogênio estão representados pelas esferas menores o de oxigênio pela esfera maior SOLVENTE Líquido capaz de dissolver outras substâncias Como você já sabe uma molécula de água é composta por dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio Não é à toa que na Figura 31 o hidrogênio está apresentado por esferas menores e o oxigênio por uma maior Este desenho não está em escala mas há uma razão para os tamanhos das esferas serem diferentes o tamanho do átomo de hidrogênio é cerca de 16 vezes menor do que do oxigênio O hidrogênio na verdade possui apenas 1 elétron para realizar ligações químicas com outros átomos É comum o hidrogênio compartilhar este elétron que possui quando interage com outros átomos para realizar uma ligação química e formar C E D E R J 49 AULA 3 MÓDULO 1 moléculas No caso da água especifi camente os hidrogênios compartilham elétrons com o oxigênio Por que dois hidrogênios Simples Porque embora o oxigênio tenha oito elétrons esses se encontram distribuídos de uma maneira nãoestável veja o boxe a seguir para entender um pouco mais sobre distribuição eletrônica Assim para se estabilizar eletronicamente o oxigênio precisa de mais dois elétrons os quais ele obtém realizando ligações covalentes com os dois átomos de hidrogênio Como se distribuem os elétrons de um átomo Você viu na Aula 1 o modelo atômico aceito pelos químicos e cientistas nos dias de hoje Esse modelo é baseado na existência de um núcleo que é circundado por uma camada de elétrons que ficam girando ao seu redor Essa camada de elétrons a eletrosfera está dividida em sete níveis de energia diferentes e a melhor maneira de visualizar isso talvez seja observando as camadas de uma cebola Veja o esquema a seguir Imagine que o centro da cebola que você está vendo seja o núcleo de um átomo Em torno deste núcleo estão várias camadas representadas pelas camadas da cebola Tais camadas são análogas neste exemplo à eletrosfera que também é dividida em camadas mas lembrese de que é uma estrutura tridimensional 3D ou seja imagine a cebola inteira onde o meio seria o núcleo e as camadas ao redor a eletrosfera Cada camada da eletrosfera tem um tamanho e uma quantidade de energia diferentes elas estão em ordem crescente de energia as mais externas são mais energéticas Essas camadas foram nomeadas K L M N O P Q e em cada uma delas cabe uma determinada quantidade de elétrons Os elétrons presentes em cada camada ou nível de energia estão distribuídos em subdivisões destas camadas chamadas orbitais ou subníveis de energia Os orbitais são nomeados com as letras s p d f minúsculas que estão em ordem crescente de energia também Observe a tabela a seguir Foto Carlos Sillero Fonte wwwsxchu cod 472622 Bioquímica I A água e suas propriedades parte 2 50 C E D E R J Nível de energia Camada Número de elétrons Orbitais conhecidos 1º K 2 s 2º L 8 s p 3º M 18 s p d 4º N 32 s p d f 5º O 32 s p d f 6º P 18 s p d 7º Q 8 s p Assim dizer que um átomo tem um elétron como o hidrogênio é o mesmo que dizer que ele tem distribuição eletrônica K1 e que este elétron está no orbital s se dissermos que possui oito elétrons como é o caso do oxigênio estamos dizendo também que ele apresenta distribuição eletrônica K2 L6 ocupando orbitais s onde cabem 2 elétrons e p onde cabem 8 elétrons Portanto os elétrons do oxigênio ocupam um orbital s da camada K um orbital s da camada L e parte de um orbital p também da camada L Reparou que a quantidade de elétrons na última camada camada de valência destes dois átomos que usamos como exemplo não estão sendo ocupadas pelo máximo de elétrons possível Quando isso acontece significa que o átomo não está eletronicamente estável como é o caso dos gases nobres as únicas espécies químicas que têm a camada de valência sempre preenchida Um átomo não estável deste ponto de vista para se estabilizar necessita fazer ligações químicas com outros átomos Algumas vezes estas ligações acontecem por compartilhamento de elétrons ou seja dois átomos que precisam de um elétron para se estabilizar compartilham este elétron que têm na última camada Nenhum perde de fato os elétrons que tem mas se beneficia do elétron que o outro átomo tem para se estabilizar Na molécula de água o oxigênio e o hidrogênio compartilham um par eletrônico Como o oxigênio precisa de dois elétrons para completar sua camada de valência ele faz ligação com dois hidrogênios Como o oxigênio possui uma ELETRONEGATIVIDADE maior do que a do hidrogênio o par eletrônico compartilhado por esses dois átomos fi ca deslocado para mais próximo do oxigênio Isso faz com que a molécula de água tenha próximo ao átomo de oxigênio uma concentração maior de cargas negativas ao que chamamos carga parcial negativa δ Sobre os átomos de hidrogênio que tiveram seus elétrons ligeiramente deslocados da direção do oxigênio formase uma carga parcial positiva δ Essas cargas parciais são assim denominadas porque não são cargas de fato não fazem com que a molécula deixe de ser neutra os elétrons que os hidrogênios compartilharam com o oxigênio não saíram deles apenas fi caram mais deslocados Assim a molécula de água tem uma parte mais positiva e ELETRONEGATIVIDADE Força que um átomo tem de atrair elétrons para si Na tabela periódica há valores de eletronegatividade que são sempre maiores à medida que os elementos químicos estão mais à direita e mais acima O fl úor portanto é o elemento mais eletronegativo C E D E R J 51 AULA 3 MÓDULO 1 a b outra mais negativa dando origem a dois pólos eletrônicos por isso se diz que a molécula de água é um dipolo Veja a representação espacial desta distribuição de cargas parciais Figura 32 A estrutura da molécula de água mostrando que embora não tenha carga real seja neutra há duas cargas parciais δ e δ Em a está a representação com esferas que mostra que cada hidrogênio apresenta 1 δ e que o oxigênio apresenta 2 δ em b está a representação com esferas e bastões mostrando também que a distribuição das duas cargas parciais negativas no oxigênio se dá de tal maneira que uma fi que o mais distante possível da outra A distribuição das cargas elétricas da molécula de água em função da organização dos pares eletrônicos é de tal forma que as cargas parciais associadas aos átomos de H e O mantêm uma posição relativa entre elas Espacialmente as quatro cargas parciais formam a base de uma fi gura chamada TETRAEDRO O tetraedro é a forma geométrica que permite maior afastamento entre essas cargas parciais o que é bom para a estabilidade da molécula cargas iguais quando próximas tendem a se repelir causando instabilidade na estrutura de uma molécula Observe a estrutura da molécula da água apresentada na Figura 33 TETRAEDRO É uma forma espacial tridimensional constituída por quatro faces triangulares se os quatro triângulos forem eqüiláteros estamos diante de um tetraedro regular Na fi gura você está vendo três faces A B e C deste sólido geométrico A quarta face é a base desta pirâmide triangular Estrutura da água com as cargas parciais representadas O tetraedro formado pelas cargas parciais da água as cargas parciais são os vértices da fi gura geométrica Visualização apenas do tetraedro formado pelas cargas parciais Figura 33 Espacialmente na molécula de água os pares eletrônicos se organizam dando origem a um tetraedro cujos vértices são exatamente as cargas parciais C B A Cargas parciais negativas do oxigênio δ δ δ δ δ δ δ δ δ δ δ δ δ δ δ δ δ δ 2δ Bioquímica I A água e suas propriedades parte 2 52 C E D E R J As cargas parciais positivas se localizam nos átomos de hidrogênio porque são geradas pela ausência dos elétrons que estão deslocados para a nuvem eletrônica do oxigênio Como só há uma carga em cada átomo de hidrogênio não há repulsão de cargas em um mesmo átomo e a δ se situa sobre os átomos de H Resumindo nas cargas parciais positivas que coincidem com os átomos de hidrogênio se encontram dois dos vértices deste tetraedro O oxigênio por sua vez é um único átomo concentrando duas cargas parciais negativas que tendem a se repelir O compartilhamento de elétrons entre o hidrogênio e o oxigênio acontece de tal maneira que os elétrons das cargas parciais negativas podem se distribuir para fi carem distantes Esta distribuição forma então os outros dois vértices do tetraedro Na molécula de água a distância entre os átomos de hidrogênio e o oxigênio é de 0958 Å formando um ângulo HOH de 1045 bem próximo do valor do ângulo de um tetraedro perfeito 1095 ANGSTRON Å É uma unidade métrica Veja as relações 1 mm 0001 m 1 µm 0001 mm 0000001 m 1 nm 0001 mm 0000001 mm 0000000001 m 1 Å 10 nm 00000000001 m A geometria das moléculas Para compreendermos por que certas geometrias são observadas comumente em moléculas devemos ter em mente que somente dois elétrons podem ocupar o mesmo orbital Os elétrons dos diferentes orbitais ocupados se repelem e o arranjo mais favorável no espaço tridimensional será aquele no qual os orbitais estiverem o mais afastados possível Assim de acordo com os ângulos formados entre os orbitais para que eles se mantenham o mais afastados possível formase uma figura geométrica Para dois orbitais é a linha reta para três o trigonal plano para quatro o tetraedro regular e para cinco a bipirâmide trigonal Linear 180 sp Trigonal plana 120 sp2 Tetraédrica 109 sp3 Trigonal bipiramidal 90 120 dsp3 Octaédrica 90 d2sp3 C E D E R J 53 AULA 3 MÓDULO 1 Resumindo O núcleo do átomo de oxigênio atrai seus elétrons mais fortemente do que o núcleo do átomo de hidrogênio porque o oxigênio é mais eletronegativo que o hidrogênio Por causa da grande diferença de eletronegatividade os elétrons compartilhados entre o hidrogênio e o oxigênio se localizam mais próximos ao átomo de oxigênio Esta diferença na distribuição dos elétrons resulta em dois pólos elétricos na molécula de água um em cada ligação HO 1 Caracterizando a estrutura da água A água por si só não é capaz de remover certos tipos de sujeira como por exemplo restos de óleo A afi rmação que você acabou de ler não é novidade para qualquer pessoa que já tenha lavado louças Quando estamos executando essa atividade doméstica tão comum contamos com o auxílio de um sabão em geral detergente para remover as sujeiras que a água não foi capaz de tirar Analise as informações 1 2 e 3 Com base no que você aprendeu sobre estrutura da molécula de água nesta aula a Explique por que a água não remove gorduras comuns como as presentes no óleo de soja b Proponha uma hipótese que explique o papel do detergente na remoção de gorduras ATIVIDADE Estrutura da água 1 1 Bioquímica I A água e suas propriedades parte 2 54 C E D E R J Ácido Graxo Estrutura do Ácido Graxo Caráter Ácido Linoleico Apolar Ácido Linolênico Apolar Ácido Oleico Apolar Ácido Palmítico Apolar Ácido Esteárico Apolar RESPOSTA COMENTADA Como você viu nesta aula e novamente ilustrado no item 1 a água tem uma estrutura polar caracterizada pela existência de dois pólos um positivo e outro negativo por isso inclusive se diz que a água é um dipolo Estes pólos são gerados porque o oxigênio é mais eletronegativo do que o hidrogênio e acaba atraindo os elétrons que compartilha com este átomo mais fortemente deslocando a nuvem eletrônica Assim o oxigênio fi ca com duas cargas parciais negativas 2δ e cada hidrogênio com uma carga parcial positiva δ Ora você já sabe que óleo e água não se misturam e deve desconfi ar também do porquê disso A água é uma molécula polar ao passo que os lipídeos gorduras são apolares Sendo diferentes deste ponto de vista estas duas moléculas não são capazes de interagir Como a água tiraria as gorduras se não é capaz de interagir com elas Para lavar louças e resolver o problema de interação entre água e óleo é preciso uma molécula que seja capaz de se comunicar com ambos o detergente Este produto por apresentar uma cabeça polar é capaz de interagir com a água sua cauda apolar se liga aos lipídeos É desta forma que ele faz uma espécie de ponte entre os dois compostos e facilita a remoção da sujeira dos pratos e copos de nossas cozinhas Só por curiosidade saiba que moléculas como o detergente com uma parte polar e outra apolar são chamadas de anfi páticas Estrutura de Lipídeos 2 Cadeia apolar Extremidade polar 3 Estrutura de um detergente C E D E R J 55 AULA 3 MÓDULO 1 INTERAÇÃO ENTRE AS MOLÉCULAS DE ÁGUA AS LIGAÇÕES DE HIDROGÊNIO H Como você viu a água é uma molécula polar por causa das cargas parciais geradas na ligação de seus átomos oxigênio e hidrogênio Você pode tentar entender essa polaridade como uma força de atração por outras moléculas que também sejam polares Por exemplo se a carga parcial positiva de uma molécula de água encontrar uma carga parcial negativa de outra molécula provavelmente estas duas vão estabelecer uma interação Quando duas moléculas de água interagem esta interação é chamada ligação de hidrogênio Uma ligação de hidrogênio portanto é uma atração eletrostática entre um átomo de oxigênio de uma molécula de água e um átomo de hidrogênio de outra Figura 34 Figura 34 Ligação de hidrogênio representada pelas três barras verticais entre as duas moléculas de água interação intermolecular Acontece entre o oxigênio de uma molécula de água e um hidrogênio de outra molécula e é possibilitada pela existência de pólos positivo e negativo na estrutura da água 0177 nm ligação de hidrogênio 00965 nm ligação covalente 1045 A energia de uma ligação de hidrogênio é pequena 20 kJmol quando comparada à energia de uma ligação covalente por exemplo 460 kJmol para a ligação OH ou 348 kJmol para a ligação CC Isso signifi ca que esta interação poderia ser considerada fraca e facilmente rompível Entretanto o arranjo quase tetraédrico dos orbitais ao redor do átomo de oxigênio permite que cada molécula de água possa formar até quatro ligações de hidrogênio com moléculas vizinhas de forma que a soma das energias confere uma enorme coesão à água Assim são as ligações de hidrogênio que em última análise fornecem à água a coesão necessária para ela apresentar uma propriedade que você estudou na aula passada a tensão superfi cial Isso nos dá a noção de o quanto esse tipo de interação intermolecular é importante na natureza Bioquímica I A água e suas propriedades parte 2 56 C E D E R J Ligações de hidrogênio em todo lugar As ligações de hidrogênio não são formadas exclusivamente entre moléculas de água Uma molécula de água pode formar ligação de hidrogênio com uma outra substância como o álcool por exemplo Esse tipo de ligação intermolecular também pode ocorrer sem que a água esteja envolvida As bases nitrogenadas do DNA se ligam umas às outras por meio de ligações de hidrogênio e é dessa maneira que temos a complementaridade das bases a adenina se liga à timina porque essas duas moléculas fazem duas pontes de H a citosina se liga à guanina pois essas duas bases fazem três pontes de H Veja a fi gura a seguir que mostra essa ligação dos pares de base As pontes de H estão indicadas com setas Então como saber quando estamos diante de moléculas que podem formar ligações de hidrogênio ou não A regra é simples todas as vezes que houver uma substância polar onde houver um hidrogênio com carga parcial positiva haverá chance de se formarem uma ponte de H o que pode se concretizar se a outra substância em questão tiver cargas parciais negativas sobre os átomos de oxigênio nitrogênio ou fl úor Ficou curioso para saber por que especifi camente estes três Lembra que falamos que eletronegatividade é a capacidade de um átomo atrair elétrons para si Então Flúor oxigênio e nitrogênio são os átomos mais eletronegativos que existem e portanto aqueles que dão origem a cargas parciais negativas mais fortes por deslocar mais fortemente a nuvem eletrônica para si Em sistemas biológicos vale ressaltar as pontes de H serão formadas com F O e N Álcool Água Ligação de hidrogênio Ligação adeninatimina Li ã d i i i Timina Adenina Citosina Guanina Ligação citosinaguanina C E D E R J 57 AULA 3 MÓDULO 1 2 Explicando a coesão da água Leia o texto a seguir O transporte de água nos vegetais é um exemplo de como a coesão desta substância favorece os processos biológicos A coesão entre as moléculas permite que uma estreita coluna de água se sustente no interior dos vasos dos vegetais de maneira contínua desde a raiz até suas folhas as quais podem estar a mais de 100m de altura Como as moléculas de água estão todas ligadas a evaporação nas folhas acaba por exercer uma tração força que faz com que a coluna inteira de água suba em resposta à saída das moléculas localizadas mais acima Explique com base no que você aprendeu nesta aula até agora a frase destacada descrevendo que tipo de ligação é este a que ela se refere ligação entre moléculas de água intermolecular RESPOSTA COMENTADA Explicar como as moléculas da coluna dágua do interior de uma planta estão ligadas nada mais é do que explicar a coesão deste líquido tão vital Uma molécula de água apresenta uma estrutura polar ou seja apresenta um pólo negativo e outros dois positivos Isso acontece como você deve ter explicado na Atividade 1 por causa do deslocamento da nuvem eletrônica para mais próximo do átomo de oxigênio Cargas parciais positivas do hidrogênio de uma molécula podem interagir com cargas parciais negativas do oxigênio de outra molécula de água Esta interação é chamada de ligação de hidrogênio São as ligações de hidrogênio portanto que ligam uma molécula de água à outra e promovem a coesão deste líquido propriedade fundamental para seu transporte no interior das plantas ATIVIDADE 2 Bioquímica I A água e suas propriedades parte 2 58 C E D E R J CONSEQÜÊNCIAS DAS LIGAÇÕES DE HIDROGÊNIO Quando a água congela Você acabou de aprender que cada molécula de água pode formar até quatro ligações de hidrogênio com moléculas vizinhas Mas será que é sempre isso que acontece Na verdade nem sempre À temperatura ambiente a energia cinética ver boxe a seguir de cada molécula de água é da mesma ordem de grandeza daquela necessária para quebrar uma ligação de hidrogênio Embora em um determinado momento todas as moléculas de água estejam ligadas entre si por ligações de hidrogênio o tempo de vida destas ligações é menor do que 109 segundos de forma que estas ligações estão constantemente se formando e se desfazendo Nessas condições cada molécula de água forma em média 34 ligações de hidrogênio O que é energia cinética É a energia associada ao movimento de um corpo As moléculas assim como os átomos estão em constante movimento e por isso possuem uma determinada quantidade de energia que advém desse comportamento No caso da água e da maior parte das moléculas conforme há aumento de temperatura há aumento da velocidade de movimento das moléculas e portanto de sua energia cinética Quando a água congela e há menos movimento entre as moléculas cada molécula de água passa a formar ligações de hidrogênio com outras quatro Isto resulta em uma estrutura bastante organizada e aberta como mostrado na Figura 35 e detalhada na Figura 36 C E D E R J 59 AULA 3 MÓDULO 1 Oxigênio Hidrogênios Pontes de H Figura 35 A estrutura da água congelada é mais organizada do que a da água líquida Isso se deve a um maior número de ligações de hidrogênio 4 formadas entre as moléculas Esse grau de organização mais alto faz com que a água congelada seja estruturada de maneira mais aberta o que explica seu aumento de volume Figura 36 Uma molécula de água possui quatro cargas parciais No gelo estas quatro cargas estão interagindo com cargas parciais de outras moléculas de água ao mesmo tempo dando origem a uma estrutura altamente organizada como a que você viu na Figura 35 A fi nalidade desta fi gura é mostrar como isso acontece Bioquímica I A água e suas propriedades parte 2 60 C E D E R J É por isso que temos a expansão da água quando ela congela e sua conseqüente alteração de densidade Só para lembrar como você viu na aula passada o aumento de volume de uma mesma massa diminui a densidade Enquanto a densidade da água líquida é de 1 gmL a densidade do gelo é de 092 gmL E assim chegamos à explicação molecular de por que o gelo fl utua Quando o gelo derrete Foto JWilsher Figura 37 Em relação a outras substâncias de peso molecular semelhante é alta a temperatura em que a água passa do estado sólido para o líquido Por isso é que se diz que esta substância tem um alto ponto de fusão Fonte wwwsxchu cód 523872 Você deve estar se perguntando como justifi car o alto ponto de fusão da água uma vez que a diferença entre o número de ligações de hidrogênio na água líquida 34 e no gelo 40 é pequena A explicação para este fenômeno está no fato de que existe um enorme número de ligações de hidrogênio já que todas as moléculas de água estão ligadas entre si A quebra de parte dessas pontes acaba por requerer uma grande quantidade de energia explicando o alto ponto de fusão da água C E D E R J 61 AULA 3 MÓDULO 1 Curiosidades 1O calor de fusão do gelo energia necessária para transformar determinada quantidade de gelo em água corresponde a aproximadamente 15 da energia necessária para transformar esta mesma quantidade de gelo diretamente em gás ou seja sua sublimação Como no vapor não existem ligações de hidrogênio podemos concluir que a água líquida apresenta apenas 15 menos ligações de hidrogênio que a água no estado sólido 2Uma substância com peso molecular semelhante ao da água o metano CH4 tem o seu ponto de ebulição passagem do estado líquido para o gasoso em 1616C Isso significa que esta substância vira gás a uma temperatura 2616C menor do que a água Provavelmente isso acontece porque o metano é uma substância incapaz de formar pontes de H Essas ligações intermoleculares presentes entre moléculas de água requerem mais energia para serem quebradas e permitirem a passagem da água para o estado gasoso CONCLUSÃO A importância da água como líquido vital está diretamente associada às suas propriedades físicoquímicas Coesão altos pontos de fusão e ebulição dentre outras são propriedades que se devem ao fato de a estrutura da molécula de água proporcionar a formação de interações intermoleculares do tipo ligações de hidrogênio As ligações de hidrogênio portanto são responsáveis por a água ser tão fundamental aos sistemas biológicos como de fato é ATIVIDADE FINAL Sobre ligações de hidrogênio Esta atividade é do tipo rapidinha para você verifi car se tudo o que aprendeu até agora sobre ligações de hidrogênio fi cou realmente claro Ela integra todos os conteúdos desta aula e é importante que você tente realizála sem consultar o texto da aula pois só assim saberá o quanto os conceitos estão fi xados Em seguida leia a resposta e caso tenham restado dúvidas e só aí retorne ao conteúdo da aula para sanálas A seguir há cinco sentenças que caracterizam as interações do tipo ligações de hidrogênio Nestas sentenças há lacunas que devem ser preenchidas com uma das palavras entre parênteses Mãos à obra a Ligações de hidrogênio são ligações muito mais fracas fortes do que ligações covalentes 2 Bioquímica I A água e suas propriedades parte 2 62 C E D E R J b As ligações de hidrogênio são responsáveis pelo ponto de ebulição extremamente alto baixo da água c Ligações de hidrogênio são interações intermoleculares que acontecem entre o hidrogênio oxigênio de uma molécula de água e um átomo de hidrogênio oxigênio de outra molécula da mesma substância d Na água líquida cada ligação de hidrogênio existe por períodos de tempo longos curtos e Na água líquida há mais menos ligações de hidrogênio do que no gelo RESPOSTA COMENTADA a As ligações covalentes são interações entre os átomos com compartilhamento de elétrons ao passo que as ligações de hidrogênio são interações entre as cargas parciais das moléculas Este último tipo de ligação portanto é muito mais fraca do que as ligações covalentes b Na água no estado gasoso as moléculas estão bastante dispersas de tal maneira que não há ligações de hidrogênio entre elas Para fazer a água passar do estado líquido para o gasoso portanto é necessário quebrar todas as ligações de hidrogênio existentes entre as moléculas desta substância o que requer uma grande quantidade de energia Esta energia vem do calor fazendo com que a temperatura ponto para evaporar a água seja bastante elevada c As ligações de hidrogênio entre moléculas de água são formadas sempre entre o hidrogênio de uma molécula com o oxigênio de outra Se você marcou oxigênio na primeira lacuna e hidrogênio na segunda acertou também O importante é não achar que as pontes de H se formam somente entre átomos de hidrogênio Justamente o contrário elas se formam quando há cargas parciais contrárias positivas e negativas para interagir d As moléculas de água possuem movimento próprio e realizam este movimento o tempo todo Esta movimentação gera uma energia cinética que é capaz de quebrar pontes de H o tempo todo as quais se refazem porque são favorecidas pela estrutura da molécula de água O tempo de vida aproximado de uma ligação de hidrogênio é muito curto da ordem de 109 segundos e Uma molécula de água possui quatro cargas parciais duas positivas e duas negativas Assim é possível que ela interaja com quatro moléculas ao mesmo tempo O pulo do gato está no fato de que isso só acontece em uma estrutura de mais baixa energia cinética e maior grau de organização o gelo No gelo sempre encontraremos 4 pontes de H para cada molécula de água na água líquida cada molécula de água interage ora com três ora com quatro outras moléculas da mesma substância e portanto faz menos pontes de H do que o gelo C E D E R J 63 AULA 3 MÓDULO 1 As propriedades da água que você viu na aula passada são parte das justifi cativas para que vejamos a água como o líquido vital Molecularmente falando grande parte dessas propriedades se devem ao tipo de interação que uma molécula de água realiza com outras moléculas da mesma substância As interações entre as moléculas de água são do tipo ligações de hidrogênio e só são possíveis porque a água é um dipolo As ligações de hidrogênio se formam quando as cargas parciais positivas que estão sobre os hidrogênios de uma molécula de água interagem com cargas parciais negativas de outra molécula de H2O Este tipo de ligação tem uma energia menor do que a das ligações covalentes e portanto pode ser mais facilmente desfeita precisa de menos energia para ser rompida A força das ligações de hidrogênio vem da grande quantidade delas que estão presentes entre as moléculas de água uma molécula de água possui quatro cargas parciais e portanto pode interagir com no máximo quatro outras moléculas da mesma substância Esta grande quantidade de pontes de H no gelo é que faz com que ele tenha um alto ponto de fusão precise de muito calor para derreter desmanchar as pontes de H além disso as pontes de H também são responsáveis pelo alto calor de vaporização é necessária muita energia para desfazêlas e pela coesão da água por manter as moléculas ligadas umas às outras R E S U M O INFORMAÇÕES SOBRE A PRÓXIMA AULA Na próxima aula você verá como as características da água que você aprendeu hoje estão envolvidas nas suas propriedades como solvente além de saber mais sobre as soluções aquosas objetivos Meta da aula Apresentar o papel das propriedades da água na sua atuação como solvente Ao fi nal desta aula você deverá ser capaz de caracterizar solubilidade em água explicar a dissolução de um sal em água defi nir composto anfi pático e seu comportamento em soluções aquosas caracterizar a solubilidade de gases em água Soluções aquosas 4 A U L A Prérequisitos Para acompanhar bem esta aula é necessário ter em mente o que são ligações de hidrogênio que você aprendeu na aula passada Nesta aula há um breve resumo sobre o assunto mas sugerimos ainda assim que você revise esse conteúdo na Aula 3 1 2 3 4 Bioquímica I Soluções aquosas 66 C E D E R J INTRODUÇÃO Na Aula 2 você viu uma série de propriedades peculiares à água que nos permite entender como esta substância é fundamental para o funcionamento dos organismos vivos Molecularmente falando estas propriedades da água se devem em grande parte à formação de ligações de hidrogênio entre suas moléculas As ligações de hidrogênio entre as moléculas de água são formadas devido à grande eletronegatividade do oxigênio O núcleo deste átomo atrai fortemente os elétrons adquirindo uma carga parcial negativa enquanto os hidrogênios por terem seus elétrons atraídos para mais próximo do oxigênio passam a apresentar carga parcial positiva Assim o oxigênio de uma molécula de água é atraído por um hidrogênio de outra molécula de água formando uma ligação de hidrogênio As ligações de hidrogênio não são exclusividade das moléculas de água e podem se formar entre outras moléculas se estas apresentarem determinadas características Para que uma ligação de hidrogênio se forme é necessário que haja um átomo eletronegativo e um hidrogênio covalentemente ligado a outro átomo eletronegativo O átomo eletronegativo que funciona como ACEPTOR DE HIDROGÊNIO é geralmente o oxigênio como no caso da água ou o nitrogênio possuindo ambos um par de elétrons não pareados Estes dois átomos portanto são os aceptores de hidrogênio mais comuns nas biomoléculas Veja a Figura 41 ACEPTOR DE HIDROGÊNIO Átomo que vai estabelecer a interação ponte de H com o hidrogênio de outra molécula aceptor de hidrogênio doador de hidrogênio Figura 41 Aceptor e doador de hidrogênios na formação das interações intermoleculares do tipo pontes de H O hidrogênio que está na molécula doadora de hidrogênios também não precisa estar necessariamente ligado a um oxigênio como na água Ele pode estar ligado também a átomos de nitrogênio conforme você viu na Figura 41 vale notar que átomos de hidrogênio ligados a átomos de carbono não formam ligações de hidrogênio pois o carbono não é eletronegativo C E D E R J 67 AULA 4 MÓDULO 1 Já que sabemos que as ligações de hidrogênio se formam entre diversos compostos que não só a água fi ca uma pergunta para dar o pontapé inicial no assunto da aula de hoje o que acontece se misturarmos à água substâncias cujas moléculas formam ligações de hidrogênio entre si A ÁGUA COMO SOLVENTE Solvente Líquido capaz de dissolver um grande número de substâncias Dicionário Houaiss de Língua Portuguesa A água apresenta duas características que a tornam muito interativa quimicamente a capacidade de fazer ligações de hidrogênio e sua própria polaridade Assim como a água é capaz de fazer ligações de hidrogênio entre si ela também é capaz de realizar este tipo de interação com outras moléculas desde que estas tenham a polaridade necessária para a formação da ponte de H Alguns compostos orgânicos com grupamentos funcionais veja o boxe em seguida que apresentam polaridade como os ácidos carboxílicos e os álcoois podem realizar pontes de H O que são grupos funcionais Um grupo funcional é aquele que caracteriza uma classe de compostos orgânicos e que acaba por determinar suas propriedades Esses grupos funcionais podem ser constituídos por um único átomo ou por um grupo de átomos presentes na molécula Veja alguns exemplos Ácidos Carboxílicos este grupo de compostos orgânicos é caracterizado pela presença do grupamento COOH chamado carboxila que você vê em destaque na figura Este ácido carboxílico especificamente é o ácido acético mais conhecido como vinagre Cetonas são caracterizadas pela presença da carbonila que é a ligação CO que está destacada Esta cetona também é bastante familiar no seu cotidiano é a propanona ou se preferir a acetona utilizada para remover esmaltes Álcoois para ser um álcool um composto orgânico deve apresentar o grupamento OH ligado à cadeia carbônica O álcool destacado na figura é o etanol O etanol é o álcool encontrado nas bebidas alcoólicas Bioquímica I Soluções aquosas 68 C E D E R J Veja a Figura 42 Entre o grupo hidroxil de um álcool e a água Entre o grupo carbonil de uma cetona e a água Entre um ácido carboxílico e a água Figura 42 Ligações de hidrogênio entre a água e outras moléculas como álcoois e cetonas As letras R em cada molécula representam uma parte da estrutura que não está desenhada Como você viu na fi gura anterior a água pode estabelecer ligações de hidrogênio com diversas substâncias incluindo os álcoois cetonas e ácidos carboxílicos Curioso é se você pensar que estas substâncias podem estabelecer ligações de hidrogênio entre si Isso nos faz voltar à questão do fi nal da introdução como a água faz para interagir com substâncias que estejam unidas entre si por pontes de H A resposta está na competição que a água faz com as ligações de hidrogênio formadas entre as moléculas da substância em questão Ela desmancha estas interações e passa ela mesma a interagir com o composto Esse processo de quebra das ligações de hidrogênio que existiam entre moléculas da mesma substância e ligação da água entre essas moléculas é o que chamamos dissolver Observe a Figura 43 a b Em solvente apolar Em água solvente polar Figura 43 A água dissolve substâncias porque desfaz as ligações de hidrogênio que existiam Neste exemplo um composto quando em solvente apolar A faz pontes de H com ele mesmo uma parte da molécula com outra parte de outra molécula do mesmo composto Na presença da água B este mesmo composto faz pontes de H com a água C E D E R J 69 AULA 4 MÓDULO 1 Um solvente apolar não possui cargas parciais para formar ligações de hidrogênio Assim quando em contato com ele duas moléculas que estão aptas a realizar interações do tipo ponte de H tendem a se unir uma à outra Já quando essas mesmas moléculas estão em contato com a água ou seja um composto polar o comportamento é diferente Essas moléculas acabam se associando à água o que podemos dizer signifi ca que foram dissolvidas nesse solvente A água é capaz de dissolver um grande número de substâncias e em maior quantidade do que qualquer outro solvente Por isso é muitas vezes chamada de solvente universal Na verdade as moléculas de água podem competir não só com as ligações de hidrogênio de outras substâncias mas também com interações eletrostáticas formadas entre substâncias iônicas o que você vai aprender ainda nesta aula É dessa maneira que a água pode dissolver a maioria das biomoléculas que são geralmente compostos carregados ou polares Todas as vezes em que temos um composto que se dissolve em água podemos chamálo de hidrofílico do grego hydro água philo amigo Por outro lado substâncias apolares como as gorduras também chamadas de lipídeos são insolúveis em água e por isso chamadas de hidrofóbicas do grego phobos medo aversão 1 Caracterizando a solubilidade em água de um composto Analise as informações a seguir 1 Etano Solubilidade em água 47 Fórmula molecular C2H6 2 Etanol Solubilidade em água 100 Fórmula molecular C2H5O ATIVIDADE 1 Bioquímica I Soluções aquosas 70 C E D E R J Como você pôde verifi car estes dois compostos são bastante parecidos do ponto de vista da sua composição e fórmula estrutural No entanto as solubilidades que eles apresentam em água são bastante diferentes Com base no que você aprendeu até agora explique por que isso acontece RESPOSTA COMENTADA Analisando as estruturas das moléculas de etano e etanol você deve ter percebido que na segunda há uma hidroxila OH Este grupamento funcional que caracteriza os álcoois confere também polaridade a essa molécula Uma molécula polar como o etanol pode fazer ligações de hidrogênio com a água e por isso apresenta uma solubilidade tão maior do que a do etano que é apolar e não pode realizar o mesmo tipo de interação O QUE É CONSTANTE DIELÉTRICA Certamente você já verifi cou a existência de compostos hidrofóbicos e hidrofílicos em sua casa O exemplo mais simples disso envolve sal de cozinha e óleo Enquanto o sal de cozinha NaCl dissolvese facilmente em água o mesmo não acontece com o azeite ou com o óleo A explicação molecular para a dissolução do sal em água tem relação com a estrutura do composto Os sais são mantidos juntos por forças iônicas que são ligações entre os átomos onde há transferência de elétrons de um para o outro Numa ligação deste tipo um dos átomos perde elétrons e se torna positivo íon positivo cátion o outro recebe elétrons tornandose negativo íon negativo ânion Assim se formam os íons que são átomos ou moléculas em que sobram ou faltam elétrons na sua última camada Quando sobram elétrons o íon é negativo ânion e quando faltam o íon é positivo cátion No NaCl cloreto de sódio o sódio é o cátion e o cloro é o ânion C E D E R J 71 AULA 4 MÓDULO 1 Quando colocamos uma substância iônica em um solvente polar ela tende a se dissociar porque os íons são atraídos pelas cargas do solvente opostas à sua carga mesmo que elas sejam cargas parciais como é o caso da água Isto leva à formação de camadas concêntricas orientadas de moléculas do solvente ao redor do íon Este íon dessa maneira se torna solvatado ou se o solvente for a água hidratado Veja a Figura 44 Íon positivo atraindo os pólos negativos da molécula de água Íon negativo atraindo os pólos positivos da molécula de água Figura 44 Formação de uma camada de solvatação neste caso hidratação em torno dos íons em uma solução aquosa Assim a água diminui a força de uma ligação eletrostática ligação entre íons estabilizando os íons separados Isto é o que acontece com o cloreto de sódio que se dissolve pela hidratação e estabilização dos íons Na e Cl que perdem a tendência de se associarem formando uma estrutura cristalina Portanto na presença de um solvente polar como a água compostos iônicos se separam em íons positivos e negativos Como cargas opostas tendem a se aproximar mantêlas afastadas depende da capacidade do solvente em que elas estão Podemos medir a capacidade de um determinado solvente manter cargas opostas separadas Esta medida depende da força e da distância entre as cargas e é chamada de constante dielétrica As substâncias apolares apresentam constante dielétrica bastante baixa Já a água não A constante dielétrica da água a 25C é 785 o que signifi ca que a água diminui a força de uma ligação eletrostática em quase 80 vezes em relação à mesma ligação no vácuo Este valor é um dos maiores dentre os líquidos puros Esta é mais uma característica da água que a torna capaz de solubilizar um grande número de substâncias reforçando a idéia de a água ser considerada um solvente universal Bioquímica I Soluções aquosas 72 C E D E R J 2 Como se dissolve um sal Alguns sais são de presença constante no nosso cotidiano e nem nos damos conta Já teve a sensação ao entrar no mar de que a água estava mais dura Esse conceito de dureza da água está relacionado à quantidade de carbonato de cálcio CaCO3 presente nela O carbonato de cálcio é um sal que às vezes está presente em maior quantidade na água do mar provocando em nós a sensação de que a água está mais dura e de que é mais difícil de se nadar nela Este sal se encontra dissolvido na água do mar Falando em sais dissolvidos em água responda a Como é que o CaCO3 se dissolveu na água Mencione em sua resposta o nome da propriedade físicoquímica da água que permite a ela estabilizar os íons Ca e CO3 separados RESPOSTA COMENTADA O carbonato de cálcio assim como todo sal se dissocia quando está em solução aquosa dando origem ao cátion Ca e ao ânion CO3 A presença de íons de cargas opostas poderia fazer com que ânions e cátions se associassem mas isso não acontece graças à alta constante dielétrica da água As moléculas de água polares acabam se ligando aos íons na polaridade oposta os pólos positivos da água interagem com o CO3 e os negativos com o Ca Assim se forma em torno dos íons uma camada de soltavação ou hidratação que estabiliza suas cargas e permite que esses se mantenham dissolvidos na água ATIVIDADE DUPLA PERSONALIDADE OS COMPOSTOS ANFIPÁTICOS Até agora você viu que existem compostos polares ou seja com distribuição de cargas mesmo que parciais em sua estrutura e os apolares sem cargas ou grupamentos polares Existe um outro tipo de composto que mistura essas duas propriedades isto é que contém em sua molécula regiões polares e regiões apolares É conhecido como composto anfi pático Figura 45a COMPOSTO ANFIPÁTICO É mais um termo originado de palavras gregas amphi que signifi ca de ambos os lados pathos que signifi ca paixão afi nidade Os detergentes são um exemplo de substância anfi pática eles interagem com a água e com as gorduras como você viu na aula passada 2 C E D E R J 73 AULA 4 MÓDULO 1 Refl ita e tente responder Como um composto anfi pático reage em contato com a água Dissolvese como o sal de cozinha Não se mistura como o óleo Quando essas substâncias se misturam à água elas formam uma estrutura conhecida como micela Figura 45b Nesta estrutura as partes polares de cada molécula interagem com a água enquanto as partes não polares de cada molécula não interagem Hidrofílico Hidrofóbico a b Tempo zero Tempo 1 Tempo 2 Tempo 3 Unidade de tempo arbitrária Figura 45 Compostos anfi páticos e seu comportamento em soluções aquosas a Representação de um composto anfi pático que possui uma região polar hidrofílica e outra apolar hidrofóbica b Comportamento de compostos anfi páticos em solução aquosa Quando lançamos um composto anfi pático em uma solução aquosa tempo zero as moléculas que compõem aquela substância tenderão a se agregar por causa da parte hidrofóbica que não interage com a água tempo 1 Esta agregação das moléculas acontece muito rapidamente e se dá de forma a originar estruturas redondas tempos 2 e 3 nas quais a parte polar está exposta ao solvente e a parte apolar está protegida no cerne Estas estruturas são denominadas micelas As forças que mantêm as porções não polares associadas no interior da estrutura das micelas são denominadas interações hidrofóbicas Estas interações não se formam por uma atração natural entre as partes não polares mas sim a partir do momento em que entram em contato com o solvente polar no caso a água Esse contato com o solvente polar desestabiliza as moléculas apolares que para se estabilizarem novamente tendem a se excluírem desse contato formando as micelas Bioquímica I Soluções aquosas 74 C E D E R J Lembrase da atividade 1 da Aula 2 Naquela atividade você caracterizou a atuação de um detergente quando estamos tentando retirar gordura de uma determinada superfície ligase à gordura pela sua cauda apolar e à água pela sua cabeça polar Os detergentes nada mais são portanto que compostos anfipáticos 3 Caracterizando compostos anfi páticos Os lipídeos são constituídos de carbonos e hidrogênios podendo apresentar além das ligações simples ligações duplas ou triplas Estas substâncias desempenham diversos papéis nos sistemas fi siológicos como armazenamento de energia constituição de membranas etc As membranas são formadas por fosfolipídeos que são moléculas de lipídeos associadas a um fosfato que é uma molécula polar Veja a estrutura de uma membrana celular formada por uma bicamada lipídica Como você explica o fato de que as membranas das células constituídas por fosfolipídeos se mantenham estáveis ainda que expostas aos meios extracelular e intracelular que são hidrofílicos RESPOSTA COMENTADA A bicamada lipídica é constituída por fosfolipídeos Os fosfolipídeos são ácidos graxos apolares ligados a um fosfato que é um grupamento polar Assim estas moléculas possuem natureza química dúbia conhecida como anfi pática As cabeças polares constituídas pelos fosfatos é que fi cam expostas ao meio aquoso enquanto as caudas apolares fi cam voltadas para a parte interna da bicamada protegidas da água e constituindo um ambiente hidrofóbico ATIVIDADE Bicamada lipídica membrana de uma célula Camada 1 Camada 2 Meio extracelular Meio intracelular 3 C E D E R J 75 AULA 4 MÓDULO 1 Gás carbônico Gás oxigênio Gás nitrogênio Figura 46 Estruturas dos gases carbônico oxigênio e nitrogênio Para completar sua última camada de elétrons o oxigênio precisa de dois elétrons os quais compartilha com o carbono no CO2 e com outro átomo de oxigênio no O2 O carbono por sua vez é tetravalente precisa de quatro elétrons para completar sua última camada e realizando duas ligações covalentes com dois átomos de oxigênio alcança sua estabilidade eletrônica O nitrogênio possui cinco elétrons na sua última camada onde cabem oito Isso signifi ca que compartilhando três elétrons ele se torna eletronicamente estável o que acontece no N2 por meio do compartilhamento que ele faz com outro átomo idêntico Agora pare e realize a atividade a seguir que é fundamental para que você continue aprendendo sobre a solubilidade dos gases em água quarto objetivo que você deve alcançar nesta aula 4 Caracterizando a solubilidade de gases em água Olhando para a estrutura dos gases carbônico oxigênio e nitrogênio Figura 46 você consegue propor uma hipótese para que a água não consiga dissolvêlos facilmente Dicas 1 analise a polaridade destes gases 2 a eletronegatividade do carbono sua capacidade de atrair elétrons é baixa ATIVIDADE OS GASES SE DISSOLVEM EM ÁGUA Embora a água possa dissolver facilmente muitas substâncias importantes para as reações biológicas o mesmo não ocorre para alguns gases fundamentais à vida como o gás carbônico CO2 o oxigênio O2 e o nitrogênio N2 Veja as estruturas dessas moléculas na Figura 46 4 Bioquímica I Soluções aquosas 76 C E D E R J RESPOSTA COMENTADA Analise primeiro os gases nitrogênio e oxigênio Tanto o gás nitrogênio quanto o gás oxigênio se tornam eletronicamente estáveis realizando ligações químicas com átomos idênticos Isso faz com que não haja deslocamento da nuvem eletrônica por nenhum deles pois ambos em cada molécula possuem a mesma capacidade de puxar elétrons para si Assim esses gases não têm cargas parciais são substâncias apolares e portanto muito pouco solúveis em água Você poderia pensar que o CO2 possui polaridade pois cada ligação CO é polar Mas a verdade é que isso não acontece Por quê A explicação é simples Pense no cabodeguerra aquela brincadeira em que duas crianças cada uma em uma ponta de uma corda fazem força para puxar a corda para si Se as duas crianças tiverem forças idênticas a corda não vai se deslocar em nenhum sentido concorda Isso é o mesmo que dizer que as forças dessas crianças se anularam O mesmo acontece na molécula de CO2 Cada ligação CO é polar e cada oxigênio atrai os elétrons do carbono para próximo de si ou seja em sentidos opostos Os dois dipolos os negativos em cima dos oxigênios e os positivos do carbono formados na molécula por serem de mesma intensidade e direção mas em sentidos contrários se cancelam É por isso que o CO2 é apolar e não se dissolve bem na água Na Tabela 41 podemos constatar a baixa solubilidade dos gases N2 O2 e CO2 comparandoa inclusive com gases polares como a amônia NH3 e o gás sulfídrico H2S Tabela 41 Solubilidade de alguns gases em água Gás Polaridade Solubilidade gl Nitrogênio N2 Oxigênio O2 Gás carbônico CO2 Amônia NH3 Gás sulfídrico H2S Não polar Não polar Não polar Polar Polar 0018 40C 0035 50C 097 45C 900 10C 1860 40C Fonte DL Nelson e MM Cox Lehninger Principles of Biochemistry New York Worth Publishers 2000 p 88 C E D E R J 77 AULA 4 MÓDULO 1 Note que as temperaturas em que a solubilidade destes gases foi medida são diferentes Isso porque esses dados foram retirados de experimentos diferentes Mesmo assim podemos conferir que gases polares se solubilizam muito melhor em água mesmo em temperaturas mais baixas Como os peixes vivem na água se há pouco oxigênio dissolvido Você acabou de ver que o oxigênio gás fundamental à maior parte das formas de vida é pouco solúvel em água Considerando a enormidade da fauna aquática como isso é possível Os organismos aquáticos desenvolveram estruturas eficazes na captação do oxigênio dentro dágua Os peixes por exemplo sobrevivem graças ao desenvolvimento de uma estrutura capaz de captar o pouco oxigênio dissolvido na água de forma bastante eficiente as brânquias Para dimensionar o quão pouco é esse oxigênio dissolvido na água e o quanto as brânquias são eficientes é só imaginar que se uma pessoa fosse capaz de respirar água necessitaria inspirar e expirar cerca de 450 vezes por minuto para conseguir o oxigênio necessário para encher seus pulmões enquanto que fora da água respira cerca de 30 vezes por minuto O segredo da eficiência das brânquias é uma enorme superfície de contato com a água o que facilita a captação do oxigênio dissolvido A proporção entre superfície branquial e tamanho do peixe varia de espécie para espécie principalmente baseada na atividade do peixe Assim peixes que se locomovem muito rapidamente apresentam uma superfície branquial maior do que a daqueles que são mais calmos Em peixes que se movem rapidamente a superfície branquial pode ser até 10 vezes maior que a superfície do corpo do peixe wwwsxchu Cód 516428 Foto Luis Gustavo Lucena Foto Luis Gustavo Lucena wwwsxchu Cód 517844 CONCLUSÃO Por causa da sua capacidade de formar ligações de hidrogênio e de sua polaridade a água acabou se tornando o solvente universal pois é capaz de solubilizar um número muito maior de compostos do que todos os outros solventes conhecidos Passo a passo você vai descobrindo o porquê molecular de esse líquido ser tão vital Bioquímica I Soluções aquosas 78 C E D E R J ATIVIDADE FINAL Identifi cando compostos solúveis em água Analisando as estruturas a seguir e levando em consideração os seus grupamentos funcionais identifi que as que são solúveis em água as que são anfi páticas e as que não são solúveis Glicose RESPOSTA COMENTADA Estruturas solúveis em água são aquelas que apresentam grupamentos polares capazes de interagir com a água por meio da formação de pontes de H Estes grupamentos polares são formados pela diferença de eletronegatividade entre os átomos que participam de uma mesma ligação química Assim como você viu nas aulas anteriores a água é uma estrutura polar porque a nuvem eletrônica fi ca deslocada na direção do oxigênio fazendo com que haja uma carga parcial negativa sobre esse átomo e conseqüentemente cargas parciais positivas sobre os hidrogênios Compostos que possuem hidroxilas OH como você viu na Atividade 1 apresentam polaridade Do mesmo modo compostos com carboxila também são polares Assim nesta atividade glicose glicina lactato e glicerol que apresentam esses grupamentos são estruturas solúveis em água Glicina Glicerol Lactato Propano Ácido esteárico 1 3 C E D E R J 79 AULA 4 MÓDULO 1 A água apresenta duas características que a tornam muito interativa quimicamente a capacidade de fazer ligações de hidrogênio e sua própria polaridade Assim como a água é capaz de fazer ligações de hidrogênio entre si ela também é capaz de realizar este tipo de interação com outras moléculas desde que estas tenham a polaridade necessária para a formação dessa interação Além das pontes de H a água é capaz de diminuir a força de uma ligação eletrostática estabilizando íons separados Essa capacidade de um determinado solvente manter cargas opostas separadas depende da força e da distância entre as cargas e é chamada de constante dielétrica Quando em vez de estruturas polares ou apolares temos um composto com as duas características estamos diante de uma molécula anfi pática O comportamento típico deste tipo de substância em água é formar uma estrutura conhecida como micela Nas micelas as partes polares de cada molécula interagem com a água enquanto as partes não polares de cada molécula interagem entre si Embora a água possa dissolver facilmente muitas substâncias importantes para as reações biológicas o mesmo não ocorre para com alguns gases fundamentais à vida o que é devido às suas polaridades R E S U M O É possível que você esteja se perguntando porque o ácido esteárico não está na relação dos compostos polares uma vez que ele possui uma carboxila Este era o composto mais difícil de identifi car nesta atividade pois ele possui uma característica dúbia Se por um lado ele possui uma carboxila que o confere polaridade por outro ele possui uma seqüência de átomos de carbono ligadas entre si tornandoo um composto apolar Assim no fi nal das contas ele é um composto anfi pático O composto apolar é o propano que assim como o etano que você viu na Atividade 1 é um hidrocarboneto e não possui grupos funcionais que lhe confi ram polaridade objetivos Meta da aula Apresentar ácidos e bases o comportamento dessas substâncias em água e o conceito de equilíbrio de uma reação química Ao fi nal desta aula você deverá ser capaz de defi nir ácidos e bases identifi car ácidos conjugados e bases conjugadas conceituar constante de equilíbrio de uma reação Keq conceituar constante de dissociação de um ácido Ka O que são ácidos e bases 5 A U L A 1 2 3 4 Bioquímica I O que são ácidos e bases 82 C E D E R J INTRODUÇÃO O que você sabe sobre o Prêmio Nobel O Prêmio Nobel é distribuído todos os anos pela Fundação Nobel idealizada em 1900 por Alfred Bernhard Nobel 18331896 pacifista e cientista inventor escritor e empresário Ao longo de sua vida ele arrecadou enormes quantias de dinheiro as quais recomendou em seu testamento que fossem investidas na criação de uma fundação a qual deveria se dedicar a premiar indivíduos que fizessem diferença para os avanços na Medicina Física Química Economia Literatura e para a paz no mundo Os prêmios são distribuídos anualmente em quatro cerimônias distintas seguindo as recomendações deixadas por Alfred Nobel a Real Academia de Ciências da Suécia entrega os prêmios de Física Química e Economia o Instituto Karolinska entrega o de Medicina a Academia Sueca de Letras o de Literatura Estas três cerimônias são em Estocolmo A quarta cerimônia que entrega o Prêmio Nobel da Paz acontece em Oslo capital da Noruega Além do enorme prestígio que traz aos seus ganhadores reflexo de uma vida acadêmica produtiva e brilhante o prêmio contempla os seus ganhadores com uma medalha um certificado e um valor em dinheiro que gira desde 2001 em torno de um milhão de euros Talvez você não se dê conta de quanto ácidos e bases estão presentes no seu diaadia Quer ver Já teve dor de estômago azia ou conhece alguém que já teve Provavelmente você já ouviu falar que a dor de estômago pode estar relacionada à acidez e que pode ser controlada quando se toma um antiácido Essa informação pode ser lida nas embalagens dos antiácidos Já viu alguma propaganda de xampu ou sabonete na qual o destaque para a qualidade do produto está no fato de ele ser neutro O que você acha que signifi ca um sabonete ser neutro Por que sendo neutro ele é melhor para sua pele Esses exemplos estão relacionados aos conceitos de ácido e base Mas afi nal o que caracteriza uma substância como ácida ou básica É isso que você vai descobrir na aula de hoje DEFININDO ÁCIDOS E BASES Ácidos e bases são substâncias que foram defi nidas por mais de um estudioso da área de Química A primeira defi nição veio em 1887 formulada por um químico sueco considerado um dos fundadores da físicoquímica ARRHENIUS SVANTE ARRHENIUS 18591927 Além de desenvolver sua teoria revolucionária para a época a respeito dos ácidos e bases ele aplicou os princípios físico químicos nos estudos de Meteorologia Cosmologia e Bioquímica Previu o efeitoestufa calculando que a quantidade de CO2 lançado na atmosfera elevaria a temperatura do planeta em cerca de 5ºC Além disso desenvolveu a teoria de que as reações químicas dependiam de calor energia térmica para seu acontecimento contribuindo mais ainda para o avanço na área da Química Por essas contribuições todas Arrhenius ganhou o Prêmio Nobel de Química em 1903 C E D E R J 83 AULA 5 MÓDULO 1 Se você tem facilidade de ler em inglês vale a pena dar uma olhada na página do Prêmio Nobel Este site mostra informações sobre todos os ganhadores desde o início desta premiação em memória de Alfred Nobel que descobriu um tipo de mercúrio detonante que se tornou elemento essencial na produção de explosivos e deu nome ao prêmio O endereço é wwwnobelprizeorg Arrherinus vinha se dedicando ao estudo da dissociação de compostos isto é a separação em íons positivos e negativos de compostos misturados a um solvente Ele descobriu que alguns compostos quando colocados em água se dissociavam gerando íons H prótons e todas as vezes que nos referirmos a prótons estamos falando de H Estes compostos foram então defi nidos por ele como ÁCIDOS Outras substâncias por sua vez se dissociavam em água originando íons OH íons hidróxido Estas foram chamadas BASES Exemplos de ácido e base de Arrhenius Ácido H2SO4 ácido sulfúrico 2H SO4 O ácido sulfúrico ao se dissociar gera 2H e 1 SO4 Base NaOH hidróxido de sódio Na OH O hidróxido de sódio ao se dissociar dá origem a um íon Na e a um OH Esta defi nição logo se tornou limitada pois observouse que as moléculas que não possuem o grupo OH como por exemplo a amônia NH3 exibiam outras propriedades típicas das bases conforme você verá a seguir Assim uma definição mais geral foi formulada em 1923 independentemente por Johannes Bronsted na Dinamarca e Thomas Lowry na Inglaterra Estes cientistas definiram como ácidos as substâncias capazes de doar prótons exatamente como Arrhenius tinha proposto mas consideraram bases todas as substâncias capazes de receber prótons São exemplos de ácidos e bases de Bronsted e Lowry ÁCIDOS E BASES Arrhenius defi niu como ácidos aquelas substâncias capazes de doar prótons H e as bases como substâncias capazes de doar íons hidróxido OH Bioquímica I O que são ácidos e bases 84 C E D E R J Ácido H2SO4 ácido sulfúrico 2H SO4 Assim como na defi nição de Arrhenius ácidos de BronstedLowry são espécies capazes de em água doar prótons como fez o ácido sulfúrico ao se dissociar Base NH3 H2O NH4 OH A amônia NH3 ao ser colocada na presença de água será capaz de receber um próton proveniente dessa água a qual se dissocia em H e OH Pela defi nição de BronstedLowry base é a substância que recebe um próton H ou seja neste exemplo a amônia é a base Repare que no exemplo anterior o ácido de BronstedLowry apresentado foi o mesmo que apresentamos como ácido de Arrhenius De fato as defi nições de ácidos destes cientistas não são diferentes no entanto as bases apresentadas foram diferentes No exemplo de Arrhenius você viu o NaOH mais conhecido como hidróxido de sódio ou soda cáustica que é um doador de íons OH Já para Bronsted Lowry você viu o comportamento da amônia NH3 que na presença de água H2O foi capaz de receber um próton e se tornar o íon NH4 Esse próton veio da água Então fi que atento para o fato de que se a amônia funcionou como base por aceitar um próton a água funcionou como um ácido pois foi doadora desse próton veja o boxe a seguir Comportamentos da água Você sabia que a água pode se comportar tanto como um ácido quanto como uma base de BronstedLowry O que acontece é que quando a água é colocada em contato com um aceptor de prótons ela se comporta como um ácido doando este grupamento NH3 H2O NH4 OH Já na presença de um doador de H um ácido a água é capaz de aceitar este hidrogênio em sua molécula H2O HCl H3O Cl Nessa circunstância a água se comporta como uma base e o íon formado na reação H3O é chamado íon hidrônio Assim a água se comporta de maneira diferente dependendo da substância com a qual é posta em contato C E D E R J 85 AULA 5 MÓDULO 1 1 Defi nindo ácidos e bases João que nunca estudou Química entrou em um laboratório e encontrou dois frascos Em um deles estava escrito HCl e no outro NaOH Você estudante de Bioquímica encontrou João no laboratório Quando estava indo realizar sua aula prática o visitante lhe perguntou o que eram aquelas substâncias nos frascos e você respondeu que eram um ácido e uma base João fez uma expressão que revelava que ele não entendia o que eram essas substâncias Rapidamente você pegou um pedaço de papel e escreveu Ácido em água HCl H Cl Base em água NaOH Na OH Depois de escrever as duas equações no papel o que você disse a João sobre ATIVIDADE Conceitos de ácido e base ainda mais gerais foram propostos por Gilbert Lewis também em 1923 que defi niu como compostos ácidos as substâncias capazes de receber elétrons e como bases as substâncias capazes de doar um par de elétrons Esta defi nição entretanto é muito ampla não sendo necessária à compreensão dos fenômenos biológicos A palavra ácido vem do latim acidus que significa azedo Agora que ficou claro que um ácido é uma substância capaz de doar prótons você pode entender o motivo de uma das propriedades mais conhecidas dos ácidos que é o gosto característico Nossas papilas gustativas possuem algumas células capazes de detectar a presença de prótons por meio de receptores presentes na sua superfície A ligação dos prótons nesses receptores transmite um sinal ao sistema nervoso gerando a sensação do gosto azedo proporcionalmente à quantidade de prótons na solução ingerida Foto Peter Malinowsky Fonte wwwsxchu cód 86047 Foto Alen Stojanac Fonte wwwsxchu cód 168788 1 Bioquímica I O que são ácidos e bases 86 C E D E R J a O que defi ne o HCl como ácido b O que defi ne o NaOH como base RESPOSTA COMENTADA Ao escrever as duas equações químicas no papel fi cou fácil explicar para João o que é um ácido e o que é uma base HCl H Cl Por esta equação vemos que o HCl quando dissociado dá origem a H e Cl Por liberar um próton este composto pode ser classifi cado tanto pela defi nição de Arrhenius quanto pela de BronstedLowry como um ácido Já na segunda equação vemos que o composto NaOH libera Na e OH ao se dissociar Pela defi nição de Arrhenius o fato de liberar OH o classifi ca como uma base Vale lembrar que segundo BronstedLowry uma base não é apenas um composto que libera OH mas também todo aquele que em água é capaz de receber um próton OS ÁCIDOS EM SOLUÇÃO Tendo em mente a capacidade dos ácidos de doarem prótons observe o que acontece quando um ácido hipotético HA é adicionado à água HA H A equação 1 Em água o ácido HA se dissocia gerando os íons H e A Na verdade os íons H nunca são encontrados livres em solução Eles rapidamente se associam a moléculas de água formando o íon hidrônio H3O que você viu na equação 1 Logo a equação correta para a reação de dissociação do ácido é a descrita a seguir HA H2O H3O A equação 2 C E D E R J 87 AULA 5 MÓDULO 1 Se reparar bem você verá que as reações anteriores têm uma seta com sentido duplo Isso quer dizer que a reação pode acontecer tanto no sentido de dissociar o ácido HA quanto de formar este mesmo composto a partir de seus componentes H e A o que acontece na verdade o tempo todo Calma calma Explicando por causa da energia das moléculas uma reação química como a dissociação não acontece para sempre Ela acontece é revertida e acontece de novo o tempo todo seguindo o que chamamos equilíbrio dinâmico Você vai entender melhor quando falarmos de ácidos fracos mais adiante Por enquanto imagine que em um recipiente com água você tivesse já dissociados H formando H3O e A Para formar o ácido HA novamente o íon A terá de receber um próton concorda Ora de acordo com a defi nição de BronstedLowry uma espécie aceptora de prótons nada mais é do que uma base Assim A é chamado de BASE CONJUGADA do ácido HA pois é o íon que ao aceitar um próton formará o ácido HA Veja um outro exemplo o do ácido acético o ácido presente no vinagre que temos na nossa cozinha CH3COOH H CH3COO Neste caso o ácido acético CH3COOH perde um próton gerando o íon acetato CH3COO que é chamado de base conjugada Da mesma forma como foi mostrado no exemplo anterior todo ácido gera uma base conjugada quando o próton se dissocia Você pode estar se perguntando agora o que acontece com as bases Responda elas possuem ácidos conjugados assim como os ácidos possuem bases conjugadas Se você respondeu que sim acertou A lógica é exatamente a mesma que você acabou de aprender Quando uma base é colocada em água ela recebe prótons da água formando além do íon positivo derivado da base o íon OH NH3 H2O NH4 OH BASE CONJUGADA Quando um ácido se dissocia libera H e íon negativo O íon negativo ao se associar aceitar ao próton novamente voltará a ser o ácido do qual se originou Este íon negativo portanto é a base conjugada do ácido que o originou Bioquímica I O que são ácidos e bases 88 C E D E R J O inverso da reação acontece quando o íon OH recebe um próton do íon amônio NH4 e se torna novamente H2O Nesse processo o íon amônio funcionou como um doador de prótons para o íon hidroxila OH e pode ser classifi cado como ácido conjugado da base NH3 2 Identifi cando ácidos e bases conjugadas Na Atividade 1 você defi niu para João um visitante do seu laboratório de aulas práticas que nunca havia tido contato com informações químicas o que eram ácidos e bases Observe novamente a primeira daquelas equações HCl H Cl a Identifi que a base conjugada do ácido clorídrico HCl Como você identifi cou este composto Agora observe a equação que mostra o comportamento da anilina em água C6H5NH2 H2O C6H5NH3 OH b A anilina é um ácido ou uma base c Qual é o seu par ácido ou base conjugado RESPOSTA COMENTADA Para identifi car os pares conjugados de ácidos e bases é necessário antes de mais nada saber se estamos tratando de um ácido ou de uma base Todo ácido tem uma base conjugada assim como toda base tem um ácido conjugado Na letra a você viu a dissociação do ácido clorídrico O íon negativo gerado nessa reação o Cl é a base conjugada do HCl pois é ele que está apto a receber prótons e se tornar novamente HCl A anilina em água recebeu um próton tornandose C6H5NH3 Ora se ela foi capaz de receber um próton signifi ca que pela defi nição de BronstedLowry podemos dizer que ela é uma base O seu par conjugado será portanto um ácido ou seja uma espécie capaz de ATIVIDADE 2 C E D E R J 89 AULA 5 MÓDULO 1 doar prótons Olhando para o lado direito da equação você pode ver que o C6H5NH3 é a espécie capaz de doar prótons o que o faz ser o ácido conjugado da anilina 3 Fixando ácidos e bases conjugados Esta é uma atividade de fi xação São três exercícios para você marcar a opção correta quanto a ácidos e bases e seus pares conjugados Mãos à obra a Para cada par abaixo circule a base conjugada 1 CH3COOH e CH3COO 2 H2PO4 e H3PO4 3 H2CO3 e HCO3 b Qual destes constitui um par ácidobase conjugada 1 CO3 2 e H2O 2 CO3 2 e OH 3 H2O e HCO3 4 H2O e OH 5 nenhuma das respostas anteriores c Na equação HF H2O H3O F 1 H2O é a base e HF é seu ácido conjugado 2 H2O é um ácido e HF é sua base conjugada 3 HF é um ácido e H3O é sua base conjugada 4 HF é um ácido e F é sua base conjugada 5 nenhuma das respostas anteriores RESPOSTA COMENTADA a Para identifi car as três bases conjugadas você precisa ter em mente a mesma coisa bases conjugadas são derivadas de ácidos que doaram seus prótons Assim bases conjugadas são sempre íons negativos Portanto em 1 a base conjugada é CH3COO em 2 H2PO4 e em 3 HCO3 b Num primeiro momento você pode ter achado que este item da atividade era difícil pois não havia explicitada uma reação de dissociação de uma substância para que você identifi casse qual espécie era um ácido e qual era a sua base conjugada No entanto depois de analisar as duplas sugeridas na atividade fi cou simples perceber que apenas uma delas poderia ser um par ácidobase ATIVIDADE 2 Bioquímica I O que são ácidos e bases 90 C E D E R J conjugada a água H2O e a hidroxila OH Dissociada a molécula de água dá origem a H e OH lembra A água funciona como um ácido doando próton para a solução e o OH gerado é um aceptor de prótons para restabelecer a água original portanto sua base conjugada A resposta correta é a 4 c Como você já aprendeu ácido é aquele que doa prótons e sua base conjugada é o íon negativo formado capaz de receber o próton de volta e restabelecer a molécula de ácido que existia inicialmente Assim a alternativa correta é a 4 COMO QUANTIFICAR SE UM ÁCIDO É FORTE OU FRACO Você aprendeu na seção anterior que um ácido é aquela espécie química que em uma reação é capaz de liberar íon H em solução Ora se um ácido é aquele que libera prótons ácidos que tenham difi culdade de fazêlo em água difi culdade de dissociar os prótons não são bons ácidos concorda Estes são os ácidos fracos Assim chegamos à maneira de classifi car ácidos em fortes e fracos quanto mais facilmente um ácido se dissociar em H2O e liberar os prótons de sua molécula mais forte este ácido é e viceversa Ou seja um ácido é tanto mais forte quanto mais facilmente conseguir liberar os prótons Guarde bem a informação que acabou de ler pois ela será muito importante na aula que vem quando você estudará o que é e como calcular o pH de uma solução O pH potencial de hidrogênio é a medida da acidez de um meio e seu cálculo leva em consideração a concentração de prótons livres neste meio A acidifi cação de um meio ou seja a dissociação dos prótons de um ácido em água tem grande importância para diversos fenômenos biológicos Um exemplo disso é a atuação da pepsina enzima estomacal que funciona quebrando proteínas em fragmentos menores participando do processo de digestão no nosso organismo Essa enzima só é ativa em meio ácido Assim quando um alimento chega ao estômago acontece um estímulo para secretar o suco gástrico que apresenta caráter bastante ácido O ácido que está presente no suco gástrico do estômago para tornálo C E D E R J 91 AULA 5 MÓDULO 1 um meio com acidez sufi ciente para a atuação da enzima é o clorídrico HCl um ácido forte pois seus prótons dissociamse facilmente Em outras situações em que não é necessário acidifi car tão fortemente o meio ácidos fracos são mais recomendáveis Atuação de uma enzima em meio ácido A pepsina como você viu no texto da aula é uma enzima presente no suco gástrico que trabalha no nosso estômago quebrando proteínas As proteínas provenientes de alimentos como carnes queijos dentre outros são parcialmente quebradas no estômago em fragmentos menores e continuarão a ser digeridas no intestino delgado Para funcionar no máximo de sua capacidade a pepsina precisa estar em um meio bastante ácido Mas você sabe como descobriram isso Os pesquisadores que caracterizaram por exemplo a pepsina de galinhas fizeram isso extraindo o estômago do animal fazendo um macerado deste tecido e medindo o quanto a enzima ali presente quebrava uma proteína qualquer eles usaram a hemoglobina proteína extraída do sangue dos mamíferos cada vez em um grau de acidez diferente No tubo 1 a hemoglobina substrato para a enzima pepsina foi colocada na presença da pepsina em um alto grau de acidez no tubo 2 o grau de acidez era um pouco menor e assim sucessivamente até o tubo 4 De acordo com a quantidade de proteína quebrada podemos ter idéia da capacidade de quebra da enzima Veja um gráfico que simboliza o resultado obtido A seta indica o grau de acidez em que mais hemoglobina foi quebrada ou seja em que a enzima pepsina estava mais ativa Assim eles descobriram o quanto o meio precisa estar ácido para a pepsina trabalhar no seu máximo É claro que o grau de acidez tem uma medida chamada pH que é o que você vai aprender na próxima aula Por enquanto é importante que você vá se familiarizando com o método científico ou seja com a maneira como os pesquisadores procedem para fazer descobertas Quantidade de proteína quebrada tubos 1 2 3 4 Grau de acidez ácido ácido Homogenato com pepsina Homogenato com pepsina hemoglobina substrato hemoglobina substrato para a pepsina quebrar para a pepsina quebrar Tubo 1 Tubo 2 Tubo 3 Tubo 4 Homogenato com pepsina Homogenato com pepsina hemoglobina substrato hemoglobina substrato para a pepsina quebrar para a pepsina quebrar Homogenato com pepsina Homogenato com pepsina hemoglobina substrato hemoglobina substrato para a pepsina quebrar para a pepsina quebrar Homogenato com pepsina Homogenato com pepsina hemoglobina substrato hemoglobina substrato para a pepsina quebrar para a pepsina quebrar Bioquímica I O que são ácidos e bases 92 C E D E R J Para compreendermos a importância da dissociação dos prótons dos ácidos em diversos fenômenos biológicos é necessário quantifi car este processo Para isso é preciso relembrar alguns conceitos já estudados durante o Ensino Médio como você verá a seguir O EQUILÍBRIO DAS REAÇÕES QUÍMICAS Quando uma substância é colocada na presença de outra e se transforma em algo diferente do que era inicialmente estamos diante de uma reação química Assim quando colocamos um ácido na presença de água este se dissocia e são formados compostos diferentes dos originais HA H2O H3O A Na reação exemplifi cada o ácido HA se dissociou e formou o íon hidrônio H3O e o íon A O ácido HA e a água nesta situação são chamados reagentes porque iniciaram a reação e o H3O e o A são chamados produtos pois foram o resultado da reação de água com ácido HA O que você talvez deva estar se perguntando é o porquê de a seta que indica a reação química ter dois sentidos estar apontando para dois lados Esta seta com dois sentidos representa que a reação acontecida é reversível Isso é o mesmo que dizer que hidrônio na presença de A se tornará HA H2O conforme o que você aprendeu sobre bases conjugadas de ácidos Ora se as reações reversíveis podem acontecer nos dois sentidos o que determina se ela estará favorecendo a formação dos produtos ou o retorno aos reagentes A resposta para esta pergunta é relativamente simples as reações reversíveis atingem em um dado momento um estado de equilíbrio Neste estado a proporção entre as concentrações de reagentes e produtos é constante O valor numérico desta relação é característico para cada reação e pode ser defi nido como a CONSTANTE DE EQUILÍBRIO DA REAÇÃO Keq CONSTANTE DE EQUILÍBRIO DA REAÇÃO Keq Constante relativa a cada reação química que relaciona as concentrações de todos os reagentes e todos os produtos a uma dada temperatura e pressão C E D E R J 93 AULA 5 MÓDULO 1 Veja o exemplo a seguir para uma reação hipotética A B C D Para calcular a constante de equilíbrio desta reação precisamos fazer alguns cálculos bastante simples 1º passo multiplicar as concentrações representadas sempre entre colchetes dos produtos Para o exemplo anterior é só multiplicar a concentração de C pela concentração de D Esse será o numerador da fração que origina o valor da Keq Numerador C x D 2º passo calcular o denominador Para isso ainda utilizando o exemplo anterior é necessário multiplicar as concentrações dos reagentes isto é a concentração de A pela de B Denominador A x B 3º passo calcular a constante de equilíbrio Keq utilizando as informações obtidas nos passos 1 e 2 Keq Agora que você já entendeu como se calcula a constante de equilíbrio pode optar por fazer este cálculo de maneira mais simples e direta aplicando a expressão a seguir Keq Lembrese sempre de que os colchetes indicam que se trata da CONCENTRAÇÃO MOLAR da substância A constante de equilíbrio é característica para cada reação química em uma determinada temperatura Ela defi ne a composição da mistura de reagentes e produtos o quanto há de reagentes e o quanto há de produtos no equilíbrio independentemente de suas concentrações iniciais Como esse conceito se relaciona à força de um ácido é o que você verá em seguida resultado do 1º passo resultado do 2º passo C x D A x B CONCENTRAÇÃO MOLAR Também chamada molaridade é a quantidade de moles de uma substância encontrada em um litro desta solução Mais detalhes você verá no boxe Qual é a concentração da água mais adiante nesta aula Bioquímica I O que são ácidos e bases 94 C E D E R J 4 Conceituando constante de equilíbrio Suponha a seguinte reação X Y Z W a O que signifi ca dizer que esta reação atingiu o equilíbrio b Se no equilíbrio a concentração dos produtos for maior do que a dos reagentes Keq 1 Keq 1 Keq 1 Keq 0 c Se no equilíbrio a concentração dos reagentes for maior do que a dos produtos Keq 1 Keq 1 Keq 1 Keq 0 d Se no equilíbrio a concentração dos produtos e dos reagentes for igual no equilíbrio Keq 1 Keq 1 Keq 1 Keq 0 RESPOSTA COMENTADA O equilíbrio é o momento de uma reação em que a formação de produtos e o consumo de reagentes são constantes ou seja a quantidade de reagente consumido e de produto formado não é alterada Quando uma reação alcança o equilíbrio químico podemos calcular uma constante que relaciona as concentrações de reagentes às de produtos formados Esta é a constante de equilíbrio Keq A Keq é calculada dividindose o produto das concentrações dos produtos pelo produto das concentrações dos reagentes no equilíbrio como você aprendeu na seção anterior Assim quando a reação favorecer a formação de produtos b teremos Keq 1 pois o numerador da fração que calcula esta constante será maior que o seu denominador quando a formação de reagentes for favorecida c a constante de equilíbrio será 1 pois o denominador será maior do que o numerador quando por fi m tivermos a mesma concentração de produtos e reagentes numerador e denominador serão iguais e portanto Keq 1d ATIVIDADE 3 C E D E R J 95 AULA 5 MÓDULO 1 FORÇA DE UM ÁCIDO E CONSTANTE DE EQUILÍBRIO O que é e como se calcula a constante de equilíbrio de uma reação foi o que você acabou de aprender Se você fi zer este cálculo para a dissociação do próton de um determinado ácido estará de fato quantifi cando o quão forte é o ácido em questão Como Bastante simples Quanto mais o ácido se dissociar liberando mais prótons na solução maior será a concentração de produtos formados durante a reação concorda Se a concentração de produtos aumenta isso acontece porque a concentração de reagentes diminuiu Figura 51 Lembrase da Lei de Lavoisier ou de conservação de matéria Se não dê uma olhadinha no boxe a seguir Na natureza nada se perde e nada se cria tudo se transforma Provavelmente você já ouviu esta frase antes e não necessariamente durante uma aula Esta é uma das máximas mais difundidas pois se aplica não somente ao estudo da Química mas ao nosso diaadia Podemos perceber sua relevância quando tentamos transformar o jantar de um dia no almoço de outro por exemplo A frasetítulo deste boxe foi dita por um grande químico francês nascido em meados do século XVIII chamado Antoine Lavoisier Este estudioso propôs as bases da Química moderna iniciada pela publicação do livro Tratado elementar de Química no qual divulgou a Lei de Conservação das Massas Esta lei diz que a soma das concentrações de reagentes deve ser igual à soma da concentração dos produtos Ou seja em uma reação química assim como na natureza nada se perde e nada se cria As substâncias apenas se transformam umas nas outras Ora as concentrações dos produtos originados em uma reação quando multiplicadas são o numerador da fração que calcula a constante de equilíbrio ao passo que a multiplicação das concentrações dos reagentes é o denominador Quanto mais produto formado isto é quanto maior sua concentração no meio maior será o numerador e quanto mais reagente consumido menor será o denominador Bioquímica I O que são ácidos e bases 96 C E D E R J Início Equilíbrio Reagentes Reagentes Produtos Figura 51 Quando esta reação atinge o equilíbrio a concentração de produtos é maior do que a concentração de reagentes Substituindo esta informação na equação que calcula a constante de equilíbrio você verá que o numerador da fração será maior do que o denominador e portanto o valor da Keq será alto 1 Se no equilíbrio encontrássemos mais reagentes do que produtos o inverso aconteceria o denominador seria maior que o numerador e o resultado da equação Keq seria baixo 1 A que conclusão você pode chegar sobre a constante de equilíbrio de um ácido forte em comparação com a de um ácido fraco Será maior ou menor Se você respondeu que a Keq de um ácido forte é maior do que a de um ácido fraco acertou Se um ácido se dissocia muito favorece a formação de produtos e portanto aumenta o numerador e diminui o denominador da fração que calcula a constante de equilíbrio fazendo com que esta tenha um valor mais alto Sempre que o assunto em relação à constante de equilíbrio for ácido em água estaremos nos referindo à dissociação deste em próton e íon negativo Vamos recorrer novamente ao exemplo hipotético que você viu diversas vezes nesta aula HA H2O H3O A A constante de equilíbrio desta reação como você já viu é defi nida por Keq H3O A HA H2O Reorganizando esta equação e mudando a água de lado Keq H3O A HA H2O Keq H2O H3O A HA Matematicamente trocar a concentração da água de posição colocando este termo em multiplicação à Keq não altera o resultado da igualdade A concentração da água é um elemento constante Não C E D E R J 97 AULA 5 MÓDULO 1 importa o ácido utilizado nem o quanto ele se dissociará formando hidrônio a água pura é um reagente com concentração sempre constante e vale 555 M veja o boxe a seguir para saber como calculála Qual é a concentração da água Para obter a concentração de água a ser utilizada no cálculo da constante de equilíbrio precisamos fazêlo em molaridade Molaridade é uma grandeza química que relaciona quantos MOLES de uma substância estão presentes em um litro desta mesma mol L ou simplesmente molar Passo a passo veja como chegar à concentração molar da água 1 Cada mol de água pesa 18g 16g do oxigênio 2g dos dois hidrogênios 2 Um litro de água 1000mL é equivalente a 1kg 1000g de água pois a relação entre massa e volume densidade desta substância como você aprendeu na Aula 2 é igual a 1 3 18g de água correspondem a um mol 1000g de água serão correspondentes a quantos moles 18g 1 mol 1000g x 18x 1000 x x 555 moles Como estamos falando de 1L de água são 555 molesL ou 555M Dizer que em 1000g de água há 555 moles de água é dizer que há 555 molesL dessa substância 555 molesL é o mesmo que dizer que a concentração molar molaridade da água é 555 M Essa é a concentração da água Foto Johannes Wienke Fonte wwwsxchu Cód 468892 1000 18 A concentração da água multiplicada pela constante de equilíbrio de uma reação de dissociação Keq x H2O pode ser chamada CONSTANTE DE DISSOCIAÇÃO DE UM ÁCIDO Ka pois leva em consideração apenas a concentração de ácido existente no equilíbrio e as concentrações dos produtos da dissociação desta substância Ka H3O A HA Veja se o conceito de Ka fi cou claro realizando a atividade a seguir ela é de execução rápida e fundamental para que você continue lendo a aula CONSTANTE DE DISSOCIAÇÃO DE UM ÁCIDO Ka Constante de equilíbrio da dissociação de um ácido que se refere à dissociação de um ácido em um próton e sua base conjugada MOLES PLURAL DE MOL É uma unidade de quantidade de moléculas de uma substância Um mol é o equivalente a 6 x 1023 moléculas da substância É uma unidade de medida assim como uma dúzia representa 12 unidades de um determinado objeto um dia representa 24 horas etc Em massa um mol equivale ao peso molecular de uma substância só que em gramas exemplo 1 mol de H2O 2 x 1 g 1 x 16g 18g Bioquímica I O que são ácidos e bases 98 C E D E R J 5 Conceituando constante de dissociação Esta atividade vai ajudálo a conceituar constante de dissociação de uma forma diferente Em vez de perguntar o que é esta constante verifi que se entendeu de fato o conceito respondendo à seguinte pergunta o que você conclui acerca dos valores da Ka de ácidos fortes e fracos isto é qual dos dois tipos de ácidos apresenta valores de Ka mais elevados Por quê RESPOSTA COMENTADA Antes de saber a resposta da atividade veja novamente a equação da constante de dissociação de um ácido Ka H3O A HA Para um ácido que se dissocie facilmente teremos um numerador de valor elevado ao passo que o denominador será de valor baixo os reagentes viraram produtos HA H3O A Assim ácidos com alto grau de dissociação terão constantes de dissociação altas enquanto ácidos com baixo grau de dissociação terão Ka baixas Ora um ácido com alto grau de dissociação nada mais é do que um ácido forte ou seja uma espécie química que libera facilmente seus prótons quando está em água Logo podemos concluir que os ácidos fortes possuem uma Ka alta e ácidos fracos possuem Ka baixa Ácido forte alto grau de dissociação numerador de valor mais alto que o denominador Ka alta Ácido fraco baixo grau de dissociação numerador de valor menor que o denominador Ka baixa ATIVIDADE 4 C E D E R J 99 AULA 5 MÓDULO 1 CONCLUSÃO O que você aprendeu na aula de hoje pode até lhe parecer distante abstrato demais mas a verdade é que estes conceitos fazem parte do dia adia da vida dos cientistas e não apenas da área bioquímica Biologia Molecular Biologia Celular Genética Microbiologia entre outras são áreas que precisam se alicerçar nesses conceitos básicos para avançarem nos seus conhecimentos Medir o grau de acidez de uma solução e saber se ele está adequado ao funcionamento da enzima que se quer estudar se está adequado a células e microorganismos em cultura replicados em condições laboratoriais proporcionar o meio de reação adequado à replicação de uma molécula de DNA tudo isso só é possível quando se tem em mente conceitos básicos como as defi nições e os cálculos que você aprendeu hoje e continuará aprendendo nas próximas aulas Foto Griszka Niemiadomski Fonte wwwsxchu cód 254591 Fonte wwwsxchu Cód 468892 Foto Johannes Wienke Fonte wwwsxchu cód 133415 Foto Emanuel Lobeck ATIVIDADE FINAL Ácidos extrato de uva mudança de cor Existem diversas maneiras de se caracterizar o grau de acidez de uma substância Uma delas é utilizar substâncias coloridas que de acordo com a acidez do meio em que se encontram mudam de cor Algumas destas substâncias como o tornassol descoberto por um químico muito importante chamado Boyle são amplamente utilizadas em diversas partes do mundo Algumas outras vêm sendo testadas obtidas de extratos naturais de plantas como o de repolhoroxo e o de uva 1 Bioquímica I O que são ácidos e bases 100 C E D E R J Utilizar o extrato de uva para indicar o grau de acidez de uma solução é um procedimento de observação de mudança na cor do extrato em contato com o ácido que se deseja monitorar Analise o quadro a seguir Um ácido forte em contato com o extrato de uva faz com que este extrato fi que bem vermelho Quanto mais o ácido vai fi cando fraco mas claro este extrato vai se tornando passando pelo vermelhoclaro rosa e chegando ao lilásazulado quando o meio é neutro ou seja quando não apresenta nenhum grau de acidez 1 2 3 4 5 6 7 Vermelho forte Vermelho Rosaescuro Rosa Rosaclaro Lilásrosado Lilásazulado a Com base nas informações que você acabou de obter e em tudo o que aprendeu nesta aula defi na ácidos b Com base no que você aprendeu que acontece com um ácido forte em solução aquosa explique por que o extrato sofre alteração de cor RESPOSTA COMENTADA a Como você aprendeu nesta aula o que defi ne uma substância como ácida é a capacidade de gerar íons H em um ambiente aquoso b A presença de prótons livres pode alterar as propriedades químicas de outras substâncias quando estes entrarem em contato As moléculas do extrato de uva por exemplo sofrem alteração de cor ao reagirem com os prótons do ácido com o qual foram postas em contato Assim é o fato de reagir com o H que faz o extrato mudar de cor C E D E R J 101 AULA 5 MÓDULO 1 Ácidos e bases foram defi nidos por diversos químicos ao longo da história desta ciência A primeira defi nição foi proposta por Arrhenius e diz que ácidos são substâncias capazes de doar prótons e que bases são aquelas que uma vez em água se dissociam formando o íon hidroxila OH Bronsted e Lowry dois outros cientistas químicos concordaram com a defi nição de Arrhenius para ácidos e ampliaram a defi nição do que são bases dizendo que estas são as substâncias capazes de receber um próton quando em solução Estas defi nições de Bronsted Lowry são as adotadas até os dias de hoje A dissociação de ácidos e bases é um fenômeno de grande importância biológica Quantifi car o quanto um ácido é forte ou fraco é uma tarefa altamente relevante e é feita levandose em consideração a proporção entre espécies dissociadas produtos e nãodissociadas reagentes quando uma reação química atinge o equilíbrio A relação entre as concentrações dos reagentes e produtos de uma reação é medida pela constante de equilíbrio Keq desta Quando falamos especifi camente de ácidos podemos calcular sua constante de dissociação Ka A Keq indica se a reação está ocorrendo em favorecimento à formação de reagentes ou de produtos A constante de dissociação de um ácido Ka revela se este é forte ou fraco pois quanto maior essa constante for mais o ácido se dissociou e portanto mais forte ele é R E S U M O INFORMAÇÃO SOBRE A PRÓXIMA AULA Na aula que vem você aprenderá um pouco mais sobre quantifi cação de graus de acidez o que é chamado pH objetivos Meta da aula Apresentar o que é pH potencial de hidrogênio uma medida da acidez e basicidade das soluções Ao fi nal desta aula você deverá ser capaz de caracterizar o processo de ionização da água calcular o pH de uma solução identifi car de acordo com o pH soluções ácidas e básicas calcular o pOH de uma solução calcular volume e concentrações necessários para neutralizar uma solução O que é pH de uma solução 6 A U L A Prérequisitos Para compreender esta aula você precisa ter entendido bem a questão do equilíbrio das reações reversíveis assim como ter entendido como se calcula a constante de equilíbrio de uma reação e qual o seu signifi cado Além disso você também precisará lembrar o conceito de logaritmo Portanto se julgar necessário volte ao conteúdo das aulas anteriores consulte seus livros do Ensino Médio ou tire eventuais dúvidas com o tutor 1 2 3 4 5 Bioquímica I O que é pH de uma solução 104 C E D E R J INTRODUÇÃO Quantifi car é uma necessidade sempre presente para o homem moderno para o homem que começou a desenvolver atividades além daquelas direcionadas unicamente para a sua subsistência Começou na Antiguidade quando os pastores utilizavam pedras para contabilizar seus rebanhos cada pedra correspondia a uma ovelha que saía para pastar pela manhã e que deveria estar de volta no fi nal da tarde Com o aumento do tamanho dos rebanhos utilizar pedras para simbolizar as ovelhas fi cou mais complicado Começou a surgir assim a representação gráfi ca para unidades os números Em decorrência do aparecimento dos números surgiram sistemas de medidas unidades de referência para massa distância valores volumes dentre outros Todos os sistemas e as medidas a que se referem foram desenvolvidos pela necessidade de o homem quantifi car estabelecer referência às quais se remeter Já imaginou como explicar para alguém uma determinada distância sem poder se referir a quilômetros metros ou qualquer outra unidade de medida Difícil não é Da mesma maneira que seria muito difícil descrever uma dada distância sem as referências a que estamos acostumados é quase impossível preparar duas soluções com o mesmo grau de acidez em lugares diferentes sem que haja uma forma de medirmonitorar este parâmetro A quantifi cação de graus de acidez e basicidade é feita calculandose o pH da solução em questão O pH de uma solução é muito importante para as reações bioquímicas e para o funcionamento das enzimas como veremos em outras aulas Por enquanto é fundamental que você entenda o que é e como se obtêm valores de pH de uma solução Foto Gari Tamin Fonte wwwsxchu cód 587664 Fonte wwwsxchu cód 364123 Foto Hugo Humberto Plácido da Silva Foto Float Fonte wwwsxchu cód 46533 Figura 61 Maneiras de mensurar tamanho velocidade e volume C E D E R J 105 AULA 6 MÓDULO 1 Agora que você já aprendeu o que são ácidos e bases pode perceber que o conceito destes dois tipos de substância só faz sentido se as imaginarmos em um ambiente aquoso pois é só nessas condições que um ácido liberará prótons e uma base estará apta a receber estes O comportamento de ácidos e bases em solução aquosa está diretamente ligado a uma das propriedades da água a sua ionização Mas você sabe o que é isso VOCÊ SABIA QUE A ÁGUA PURA É CAPAZ DE CONDUZIR CORRENTE ELÉTRICA Quando os cientistas estavam estudando as propriedades físico químicas da água eles se depararam com o fato de a água ser capaz de conduzir corrente elétrica e ao mesmo tempo com a necessidade de entender esse fenômeno A água embora seja uma molécula polar é também uma molécula neutra ou seja sem cargas Como explicar a condução de corrente elétrica se este fenômeno requer a presença de íons no meio condutor A resposta para essa pergunta veio quando se chegou à conclusão de que ocorre naturalmente um pequeno grau de ionização da água ou seja que ela se separa em íons positivos H e negativos OH Mas você sabe como isto ocorre Na verdade duas moléculas de água participam da reação de ionização Uma delas captura um próton da outra resultando na formação de uma hidroxila OH e de um íon hidrônio Esta última molécula é de fato um próton ligado a uma molécula de água 2 H2O H3O OH Quando a água se ioniza dá origem a um próton livre Prótons livres não existem em solução pois logo se associam a outras moléculas O hidrônio portanto é formado porque a água se ioniza e o próton originado não fi ca livre associandose a outra molécula de água Mas para simplifi car podemos representar a ionização da água como H2O H OH São muito poucas as moléculas de água que se ionizam em determinado momento No entanto embora a quantidade não seja Bioquímica I O que é pH de uma solução 106 C E D E R J expressiva já é signifi cativa uma vez que a água é uma substância extremamente abundante nos seres vivos e que H e OH participam de uma série de reações bioquímicas COMO CALCULAR O GRAU DE IONIZAÇÃO DA ÁGUA Dica importante Os cálculos a seguir são importantes para que você entenda como surgiu o conceito de pH e a maneira de calculálo Não é necessário que você se apegue aos detalhes numéricos mas sim ao conceito de como calcular o grau de ionização da água o seu produto iônico Estudando passo a passo você provavelmente não terá difi culdades em entender mas caso isso aconteça procure seu tutor no pólo e esclareça suas dúvidas A reação de ionização da água assim como qualquer outra reação química pode ser expressa por sua constante de equilíbrio Expressando a reação de ionização da água na sua forma simplifi cada como H2O H OH podemos defi nir sua constante de equilíbrio por Keq H OH H2O que é o mesmo que Keq x H2O H OH O valor da constante de equilíbrio como você aprendeu na aula passada é proporcional às concentrações de produtos e reagentes na solução quando esta alcança o equilíbrio No caso específi co da ionização da água a Keq será proporcional à concentração de íons e de água não ionizada quando a reação alcança o equilíbrio Olhando para a equação da Keq da ionização da água podemos substituir a H2O por 555M que é a concentração da água pura se tiver dúvidas olhe o boxe explicativo da aula passada É possível usar esse valor para a concentração da água mesmo nesse caso pois é sabido que o grau de ionização da água é muito pequeno apenas uma em 107 moléculas de água se ioniza sendo irrelevante em termos práticos Assim a equação fi ca Keq x 555 H OH C E D E R J 107 AULA 6 MÓDULO 1 Kw é a representação para o que é chamado de produto iônico da água Se substituirmos Keq x 555 por Kw temos Kw H OH Seu valor pode ser obtido de duas maneiras calculandose o produto Keq x 555 ou o produto H OH Como é possível obter o valor da constante de equilíbrio da água realizando experimentos de CONDUTIVIDADE ELÉTRICA e descobriram que ela vale 18 x 1016 podemos calcular Kw Kw Keq x 555 Kw 18 x 1016 x 555 999 x 1016 Para expressar este número em ordem de grandeza é preciso arredondar o 999 para 100 e escrevêlo na forma de potência de 10 Kw 10 x 102 x 1016 Kw 10 x 1014 O produto iônico da água portanto vale 10 x 1014 Isso expressa o seu grau de ionização que é bastante baixo mas mesmo assim transmite corrente elétrica Mais detalhes você aprenderá adiante ainda nesta aula CONDUTIVIDADE ELÉTRICA Parâmetro que mede a facilidade com que um material sólido ou líquido transmite corrente elétrica Por que a dissociação da água não interfere no cálculo do grau de acidez ou basicidade de uma substância Apesar de a água se dissociar em H e OH ela não interfere na medida do grau de acidez por dois motivos 1 o seu grau de ionização é muito baixo 2 quando ela se ioniza gera tanto H quanto OH Assim ela não favorece mudanças na solução nem para ácido nem para básico É fácil saber de onde vem o eq escrito junto com o K na constante de equilíbrio Mas e o w de KW A resposta é mais simples do que você imagina como o KW representa a constante de dissociação da água seu produto iônico o w vem de water que é água em inglês Bioquímica I O que é pH de uma solução 108 C E D E R J 1 Caracterizando a ionização da água Leia a sinopse a seguir No fi lme Do que as mulheres gostam Mel Gibson faz o papel de um publicitário que perde uma promoção no trabalho para uma mulher representada por Helen Hunt porque a agência de publicidade decidiu se feminilizar Tentando desesperadamente imaginar algo impressionante para seu chefe ele resolve passar uma tarde agindo como mulher para entendê las melhor faz esfoliação depilação pinta as unhas Na cena seguinte ele cai na banheira enquanto segura um secador de cabelos ligado e é eletrocutado Explique por que Mel Gibson no fi lme foi eletrocutado por cair em uma banheira somente com água com um secador de cabelos ligado Considere em sua resposta as particularidades do transmissor da corrente elétrica RESPOSTA COMENTADA A água da banheira transmitiu a corrente elétrica que vinha do secador ligado A água é capaz de transmitir corrente elétrica porque sofre ionização ainda que em uma taxa baixa A formação de H e de OH íons positivos e negativos faz com que esta substância se torne apta a conduzir corrente elétrica ATIVIDADE 1 C E D E R J 109 AULA 6 MÓDULO 1 AFINAL O QUE É pH O pH potencial de hidrogênio iônico é uma medida de o quanto uma solução possui íons H Medir o quanto há de prótons livres na solução é o mesmo que medir o seu grau de acidez Soluções com muitos prótons livres serão portanto classifi cadas como muito ácidas ao passo que aquelas com baixa concentração de prótons livres serão pouco ácidas A escala de pH foi desenvolvida de tal forma que por ela é possível classifi car as soluções em ácidas neutras ou básicas Calcular o pH de uma solução não é difícil mas é preciso que você tenha entendido o cálculo da constante de dissociação da água apresentado na seção anterior O pH de uma solução é definido como você já sabe pela concentração de prótons presentes nela Assim uma solução que tenha H 102 001 possui mais prótons do que uma outra que apresente H 105 000001 Para transformar esses valores de concentração de H em uma escala um bioquímico chamado Sören P T Sörensen adotou a seguinte expressão matemática pH log H Calma calma Pode até parecer complicado à primeira vista mas você logo perceberá o quanto é simples obter o pH de uma solução Se você não se lembra de como calcular logaritmos é fundamental que leia com atenção o boxe a seguir Como é mesmo que se calcula logaritmo Antes de mais nada é bom que você leia uma definição formal para logaritmo Dizse que o logaritmo de um número real numa dada base é o expoente a que é necessário elevar a base de modo a obter o número Vejamos isso em termos práticos log a b a b Será o expoente ao qual a base b precisa ser elevada para que o resultado seja a Base Número real Bioquímica I O que é pH de uma solução 110 C E D E R J A expressão anterior se lê log de a na base b Para calcular o log de a na base b precisamos elevar b a um determinado expoente de forma que esta operação dê a como resultado A base não é chamada assim à toa ela será a base para um determinado expoente de forma que o resultado obtido seja o número do qual se quer saber o log Veja um exemplo numérico log 16 x 2x 16 2x 24 x 4 2 16 2 x 2 x 2 x 2 24 Agora imagine que a base para cálculo do log não seja 2 mas sim 10 lembrese de que quando não há base escrita ela sempre é 10 Sempre teremos uma potência de 10 como resultado do logaritmo do número real Veja log 100 x 10x 100 10x 102 x 2 100 10 x 10 102 Se tivéssemos escrito o número do qual se quer obter o logaritmo diretamente na forma de uma potência de 10 ficaria mais simples ainda concorda log 105 x 10x 105 x 5 Viu como não é nenhum bichodesetecabeças Você acabou de aprender o que precisa para calcular o pH de uma solução Mas voltemos à expressão que defi ne o pH de uma solução pH log H Você já sabe que quando escrevemos log sem colocar nenhum número subscrito sem mencionar a base significa que estamos calculando o logaritmo na base 10 Logo o pH de uma solução é defi nido em parte pelo log na base 10 da H Ora a concentração de prótons é sempre expressa em potências de 10 Isso facilita o cálculo do pH de uma solução concorda Veja um exemplo Para calcular o pH de uma solução que tenha a H 103 pH log H ou se preferir escrever com as parcelas em posições trocadas e ter uma expressão no mesmo formato daquela com a qual você aprendeu a calcular o logaritmo no boxe anterior log H pH C E D E R J 111 AULA 6 MÓDULO 1 Substituindo H pela concentração do nosso exemplo log 103 pH Desenvolvendo esta expressão por partes temos 10pH 103 pH 3 pH 3 Assim o pH de uma solução que tenha H 103 M é 3 Calculando o logaritmo foi possível criar uma escala de pH baseada nas concentrações de hidrogênio livres em uma solução Não importa se a H é 101M ou 1010 M pois quando expressarmos o pH desta solução teremos um número natural que nesses dois exemplos seria 1 ou 10 É para ter um número natural como valor de pH que o dinamarquês que propôs este cálculo colocou o sinal de negativo na frente do resultado do log Assim ao invés de ter uma escala com valores negativos por exemplo pH 3 temos sempre números positivos Quer saber se esses conceitos estão de fato claros Faça a atividade a seguir 2 Calculando o pH de uma solução I Esta atividade é para você fi xar a maneira de calcular o pH de uma solução Faça quantas vezes achar necessário até não ter mais nenhuma difi culdade nesse procedimento a Calcule o pH de uma solução cuja H 102 M b Calcule o pH de uma solução cuja H 108 M c Calcule o pH de uma solução cuja H 104 M ATIVIDADE 2 Bioquímica I O que é pH de uma solução 112 C E D E R J d Calcule o pH de uma solução cuja H 107 M e Calcule o pH de uma solução cuja H 1012 M RESPOSTA COMENTADA Como o passoapasso do cálculo do pH está bastante discriminado na aula nesta resposta você encontrará apenas a resolução do problema sem maiores explicações Caso tenha dúvidas volte ao texto da aula e compare etapa por etapa o que você fez e identifi que o ponto em que errou Se ainda assim não esclarecer todas as suas dúvidas procure o tutor pois este assunto é muito importante na sua formação bioquímica e pode ser aplicável a qualquer área de pesquisa pela qual você se interesse a pH log H log H pH log 102 pH 102 10pH 2 pH pH 2 b pH log H log H pH log 108 pH 108 10pH 8 pH pH 8 c pH log H log H pH log 104 pH 104 10pH 4 pH pH 4 d pH log H log H pH log 107 pH 107 10pH 7 pH pH 7 e pH log H log H pH log 1012 pH 1012 10pH 12 pH pH 12 C E D E R J 113 AULA 6 MÓDULO 1 Após executar a Atividade 2 você certamente já sabe calcular o pH de uma solução Você sabe também ordenar os resultados encontrados de acordo com o grau de acidez Qual das soluções é mais ácida pH 2 8 4 7 ou 12 O que indica o grau de acidez de uma solução é a H presente Assim uma solução cuja concentração de H seja 101 01 M é mais ácida do que uma que tenha H 109 M 0000000001 M Se você pensar nos valores de pH derivados das concentrações 101 e 109 1 e 9 perceberá que quanto mais baixo o valor do pH mais ácida é a solução pois maior é a concentração de H Para identifi car a solução mais ácida da Atividade 2 é só pensar naquela que apresenta o menor valor que signifi ca maior H a solução da letra a cujo pH vale 2 é a mais ácida de todas Mais baixo signifi ca mais alto Como o pH é calculado por logaritmo na base 10 de um número que é uma potência de 10 elevada a um expoente negativo H quanto menor o valor encontrado para o pH mais ácida é a solução em questão Assim valores mais baixos de pH signifi cam acidez mais alta MAS ATÉ QUE VALOR DE pH É POSSÍVEL ENCONTRAR Para responder a essa pergunta é preciso voltar a algumas informações do início desta aula Uma substância neutra é aquela que tem a mesma quantidade de íons que causam acidez H e de íons que causam basicidade isto é capazes de tornar o meio alcalino OH Por ter a mesma quantidade concentração de ambos eles se neutralizam A água pura é uma substânciareferência de neutralidade ou seja há nela a mesma quantidade de H e OH Lembra do produto iônico da água KW do início da aula KW H OH 10 x 1014 Esta expressão nos diz que a concentração de H multiplicada pela concentração de OH é igual a 10 x 1014 M Sendo a água uma substância neutra este valor deve ser dividido igualmente entre H e OH Considerando as regras matemáticas sobre operações com potências e sabendo que H OH o valor para cada uma dessas concentrações é 10 x 107 M Bioquímica I O que é pH de uma solução 114 C E D E R J Operações com potências Existem diversas regras que regem as operações matemáticas envolvendo potências De seu interesse para esta aula somente é relevante a que explica como multiplicar e dividir números que estão expressos na forma de potências de 10 As regras são simples 1 Toda vez que você estiver MULTIPLICANDO números com a mesma base que estejam elevados a algum expoente você deve SOMAR OS EXPOENTES Veja exemplos 103 x 105 108 22 x 2 23 lembrese de que números sem expoente expresso estão sempre elevados a 1 107 x 107 1014 102 x 102 100 1 o resultado de qualquer número elevado a zero é sempre 1 2 Toda vez em que você estiver DIVIDINDO números com a mesma base que estejam elevados a algum expoente você deve SUBTRAIR OS EXPOENTES Veja os exemplos 103 105 102 22 2 2 107 107 100 1 102 102 104 Se multiplicamos H por OH que têm valores idênticos e o resultado for 10 x 1014 signifi ca que H 107 M e OH 107 M pois estes dois valores multiplicados resultam em 1014 Sem perceber você acabou de achar os valores que fornecem os limites máximo e mínimo de pH Como Muito simples se colocamos ácidos ou bases em solução aquosa é possível alterar a concentração de H adicionando ácidos ou de OH adicionando bases de forma a aumentar o seu grau de acidez ou de basicidade Considerando que em água H x OH sempre será igual a 10 x 1014 M aumentar a concentração de prótons signifi ca diminuir a de hidroxilas Portanto o valor máximo para o pH de uma solução é 14 pois a concentração mínima de hidrogênios possível é 1014 M Tabela 61 C E D E R J 115 AULA 6 MÓDULO 1 H OH 100 1 1014 102 1012 106 108 107 107 1014 100 1 Mostrando em cálculos pH log H log H pH log 1014 pH 1014 10pH 14 pH pH 14 Então quando a concentração de prótons em solução é mínima valendo 1014 M o grau de acidez desta é mínimo também Na escala de pH o valor para a menor acidez é o maior valor da escala ou seja 14 É importante que você perceba que numa situação em que a concentração de H é mínima a de OH é máxima volte à Tabela 61 se continuar com dúvidas Quando uma solução apresentar 1014 M de H a concentração de OH será máxima 100 ou seja 1 M Matematicamente isso se explica assim H OH 10 x 1014 1014 x OH 10 x 1014 OH 10 x 1014 1014 OH 100 10 Usando a mesma lógica quanto você acha que vale a concentração de H quando a concentração de OH é mínima Tabela 61 Exemplos de concentrações de H e suas concentrações de OH correspondentes Bioquímica I O que é pH de uma solução 116 C E D E R J Se você respondeu que também vale 10 M acertou pois o cálculo matemático é o mesmo H OH 10 x 1014 H x 1014 10 x 1014 H 10 x 1014 1014 H 10 Ora se pensarmos em potências de 10 novamente como você já viu no boxe explicativo e é possível que se lembre do Ensino Fundamental todo número elevado a zero inclusive o 10 dá 1 como resultado Ou seja uma concentração de H igual a 1 é o mesmo que H 100 M Aonde chegamos com isso tudo Na amplitude da escala de pH o valor mínimo é zero e o máximo 14 H 100 1M H OH 107 M H 1014 M 000000000000001 M ácido ácido 7 0 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 14 Neutro Ácido Básico Figura 62 Escala de pH Os valores de pH aumentam à medida que as concentrações de H diminuem sendo os valores mínimo e máximo respectivamente 0 e 14 Quando as concentrações de prótons e hidroxilas são iguais o valor de pH é 7 exatamente o valor médio da escala Qual é o pH da água pura Você acabou de aprender que a água é uma substância neutra ou seja que possui a mesma concentração de H e OH Esta concentração vale como você também já aprendeu 107 M É ela que deve ser utilizada para calcular o pH da água pH log H log H pH log 107 pH 107 10pH 7 pH pH 7 Assim o pH da água bem como o de toda substância neutra é 7 C E D E R J 117 AULA 6 MÓDULO 1 A seguir você encontrará três atividades para ajudálo a se tornar craque em calcular o pH de uma solução e identifi car soluções como ácidas ou básicas Não deixe de fazêlas pois as aulas seguintes dependem de você aprender bem os conceitos de pH acidez e basicidade 3 Ácido ou básico Um estudante de iniciação científi ca preparou duas soluções uma de ácido acético CH2COOH ácida e outra de hidróxido de sódio NaOH básica Como estava tarde ele saiu com pressa do laboratório e esqueceuse de etiquetar os dois frascos identifi candoos corretamente No dia seguinte o estudante percebeu o que havia feito de errado e fi cou pensando em como não desperdiçar o seu trabalho e o material que gastou Decidiu medir os pHs das duas soluções e desta maneira identifi cálas Veja o que ele obteve de informações Identifi que os frascos corretamente dizendo o que é a solução de cada frasco ácido acético ou hidróxido de sódio Frasco 1 Frasco 2 RESPOSTA COMENTADA Olhe novamente a escala de pH Olhando para esta escala é simples deduzir que a solução do frasco 1 que apresentou pH 12 é a solução básica ou seja a de hidróxido de sódio O frasco 2 com pH 6 é o que contém ácido acético ATIVIDADE Frasco 1 Frasco 2 pH obtido 12 pH obtido 6 7 0 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 14 Neutro Ácido Básico 3 Bioquímica I O que é pH de uma solução 118 C E D E R J 4 Calculando o pH de uma solução II Um técnico de laboratório acabou de preparar uma solução com 01 M de HCl O HCl é um ácido forte que sofre dissociação completa em água ou seja todos os hidrogênios do HCl fi carão livres na forma de H a concentração que você puser de HCl em água é a concentração de H que encontraremos livres O chefe do laboratório pediu ao técnico que lhe desse uma solução de pH 1 para realizar um experimento Pergunta o técnico pode entregar ao seu chefe a solução de HCl 01 M que acabou de preparar ou precisará de outra Justifi que matematicamente sua resposta RESPOSTA COMENTADA Para saber se a solução recémpreparada pelo técnico pode ser usada pelo chefe do laboratório é preciso descobrir seu pH O técnico preparou uma solução de HCl 01 M Considerando que este ácido sofre dissociação de 100 a H encontrada quando adicionamos este ácido à água é de 01 M também Escrevendo esse valor na forma de potências de 10 temos que a solução preparada apresenta H 101 M O próximo passo é calcular o pH pH log H log H pH log 101 pH 101 10pH 1 pH pH 1 A solução que o técnico praparou portanto pode ser dada ao chefe do laboratório para fazer o experimento ATIVIDADE 4 C E D E R J 119 AULA 6 MÓDULO 1 pH TUDO BEM MAS O QUE É pOH Não é comum mas você pode ouvir falar em vez de grau de acidez grau de basicidade que é medido pelo pOH Algum mistério Nem pensar A lógica de cálculo do pOH é exatamente a mesma do pH só que em vez de utilizar a concentração de H utilizase a de OH aplicandoa exatamente na mesma fórmula que você já aprendeu tão bem para calcular o pH Assim para uma solução que apresente OH de 101 M o pOH será 1 e isso quer dizer que esta solução é bastante básica Considerando que o cálculo do pOH vem também do valor do produto iônico da água KW H x OH 10 x 1014 seu valor máximo também é 14 e é complementar ao valor do pH assim como os valores de concentração de H e OH são complementares até 1014 A maneira mais simples de calcular o pOH de uma solução portanto é utilizar o próprio valor de pH pois pH pOH 14 Com isso queremos dizer que 1 em uma situação em que o valor de pH é máximo ou seja 14 a concentração de H é mínima a OH por ser inversamente proporcional à de H é máxima OH 100 1 M Assim pOH 0 valores de pOH baixos indicam alta basicidade e portanto baixíssima acidez 2 quando o pH é mínimo isto é pH 0 e H 100 1 M o pOH será máximo valendo 14 pois OH 1014 Um valor alto de pOH portanto indica uma basicidade mínima e uma acidez máxima 3 quando pH pOH estamos diante de uma solução neutra onde H OH 107 Bioquímica I O que é pH de uma solução 120 C E D E R J 5 Calculando o pH e o pOH de uma solução Considere uma solução 001M de NaOH uma base muito forte que se dissocia completamente em água todas as hidroxilas do NaOH estão dissociadas em água ou seja livres na forma de OH Perguntas a Qual é a OH presente nesta solução b Sabendo que o produto iônico da água KW 10 x 1014 qual é a H presente nesta solução c Qual é o pH desta solução d Qual é o pOH desta solução RESPOSTA COMENTADA a O hidróxido de sódio é uma base muito forte que se dissocia completamente em água Assim a concentração de NaOH de uma solução é essencialmente a mesma concentração de OH que encontraremos nela portanto 001 M 102 M b Uma OH 001M é o mesmo que OH 102 M Considerando o KW e as regras de operações com potências em números de mesma base KW H x OH 10 x 1014 H x 102 10 x 1014 H 10 x 1014 102 H 10 x 1012 Ou seja a concentração de prótons nesta solução de NaOH 001 M é 1012 M c Sabendo que H 1012 para calcular o pH é necessário apenas aplicar a expressão pH log H log H pH log 1012 pH 1012 10pH 12 pH pH 12 ATIVIDADE 5 4 C E D E R J 121 AULA 6 MÓDULO 1 d Como você viu existem duas maneiras de calcular o pOH Podemos utilizar a concentração de OH encontrada no item a e aplicála à expressão pOH log OH log OH pOH log 102 pOH 102 10pOH 2 pOH pOH 2 ou podemos simplesmente utilizar o valor de pH calculado no item c e pH pOH 14 12 pOH 14 pOH 1412 pOH 2 COMO MUDAR O PH DE UMA SOLUÇÃO Até agora você aprendeu como calcular o grau de acidez de uma solução e enquadrálo em uma escala mundialmente utilizada a escala de pH Mas reparou que você aprendeu a calcular o pH de uma solução como um parâmetro estático isto é como um parâmetro inalterável A verdade é que o grau de acidez de uma solução pode ser alterado Esse fenômeno acontece tanto pela adição de mais prótons quanto pelo aumento da concentração de OH que resulta como você já sabe pelo KW da água em uma diminuição concomitante da concentração de H Imagine que em um frasco há 100 mL de uma solução de HCl um ácido forte portanto totalmente dissociado na concentração de 01 M 101 M Ora se há 101 M de ácido forte há 101 M de H também e o pH vale 1 Agora imagine também que quiséssemos neutralizar esta solução ou seja fazêla alcançar pH 7 Para que isso aconteça é necessário igualar as concentrações de H e de OH É recomendável que para esse procedimento seja utilizada uma base forte como o NaOH por exemplo Considerando uma solução de NaOH na mesma concentração da solução de HCl 01M quanto de volume teremos que adicionar aos 100 mL para que a solução no fi nal tenha pH 7 Ora o NaOH é uma base forte e se dissocia completamente em água Assim usar uma solução 01 M de NaOH é o mesmo que utilizar 01 M de OH O M que vem logo em seguida ao 01 como você Bioquímica I O que é pH de uma solução 122 C E D E R J já aprendeu signifi ca molaridade A molaridade é uma unidade química que diz quantos moles de uma substância há em um litro de solução Pense um pouco se uma solução de HCl 01 Molar tem 01 mol de H por litro para neutralizála será necessário adicionar a mesma quantidade de OH Assim para neutralizar os 100 mL da solução de HCl 01 M com uma solução 01 M de NaOH serão necessários 100 mL também Reações de neutralização Sempre que estivermos falando de reações de neutralização tenha em mente que o objetivo é fazer com que as concentrações de H e de OH se igualem e portanto o pH da solução seja 7 Para calcular o volume necessário para neutralizar uma substância ácida com uma básica ou viceversa você precisa pensar em quantidades avaliar a quantidade de H presente em uma e assim descobrir a quantidade de OH que deve ser adicionada para que tenhamos H OH A Atividade Final desta aula é mais difícil do que as outras atividades que você já fez até agora É uma atividadedesafi o que vai proporcionar a você a chance de integrar todos os conteúdos desta aula e o das três anteriores além de desenvolver mais seu raciocínio químico Embora seja mais difícil do que de costume ela é encaminhada passo a passo para que você não se perca e consiga realizála com sucesso Não deixe de fazêla Boa sorte CONCLUSÃO Monitorar a acidez dos meios é importante fi siologicamente Nos exames de urina por exemplo um dos indicativos de que há quadro de infecção é a alteração do pH deste líquido Para que um médico entenda os dados dos laboratórios de análises clínicas é fundamental que estejam todos falando de um parâmetro único ou seja de uma única escala de medição de acidez Você pode até não ter se dado conta ainda mas saber o quanto uma substância é ácida é importante para o seu diaadia Se alguém lhe diz que está com gastrite certamente terá de evitar alimentos ácidos Assim CocaCola vinagre suco de limão cerveja e vinho se tornam C E D E R J 123 AULA 6 MÓDULO 1 7 0 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 14 Neutro Ácido Básico Suco gástrico Suco de limão CocaCola Vinho Faixa de pH da urina Sangue Água do mar Leite de magnésia Figura 63 Valores de pH de algumas substâncias conhecidas elementos quase proibitivos à dieta Veja a seguir por curiosidade alguns pHs de substâncias conhecidas e de alguns fl uidos corpóreos Como cientista independentemente da área a que se dedicar provavelmente você precisará saber calcular o pH de uma solução Imitar o ambiente de uma célula para monitorar o comportamento de uma proteína a atividade de uma enzima crescer microorganismos em cultura para estudar aspectos que indiquem como sanar as doenças causadas por eles dentre muitas outras situações são demandas possíveis para esse conhecimento Para professores de Ciências é importante propor para seus alunos experiências que permitam a eles a experimentação de um conceito na prática Muitas vezes propondo aulas práticas para enriquecer o processo de aprendizagem do seu aluno saber calcular o pH será importante ATIVIDADE FINAL Desafi o Uma das maneiras de monitorar a saúde do corpo de um indivíduo é medir o pH dos seus líquidos corporais É possível fazer isso provocando a mudança do pH do líquido corpóreo uma solução de pH desconhecido adicionando uma solução de pH de valor conhecido até alcançar a neutralidade pH 7 Neste caso de acordo com o volume utilizado da solução conhecida é possível inferir o valor do pH do líquido corpóreo Analise as informações 1 2 e 3 e em seguida responda 2 3 Bioquímica I O que é pH de uma solução 124 C E D E R J Paciente 123210 Amostra Suco gástrico Hora da coleta 600h jejum Volume do frasco 5ml NaOH 002 M NaCL 015 M HCL 1 M CaCl2 05 M 1 3 Amostra Estoque de soluções do laboratório Suco gástrico secreção produzida pelas células da mucosa estomacal composta basicamente de ácido clorídrico HCl e pepsina 2 Defi nição Sabendo que o técnico que analisou a amostra de suco gástrico gastou 25 mL de uma solução do estoque do laboratório para neutralizálo a Identifi que a solução utilizada para reação de neutralização b Calcule quantos moles de OH estão presentes nos 25 mL utilizados para a neutralização do suco gástrico c Calcule a concentração molar de H no suco gástrico d Determine o pH do suco gástrico C E D E R J 125 AULA 6 MÓDULO 1 RESPOSTA COMENTADA a Para neutralizar uma solução de suco gástrico composto basicamente por HCl que é um ácido forte é necessário utilizar uma base forte Portanto dentre as soluções presentes no estoque do laboratório o técnico certamente escolheu a de NaOH 002 M b O NaOH é uma base forte e se dissocia completamente em água Assim a concentração de NaOH gera a mesma concentração de hidroxilas OH livres Nesta solução de NaOH 002 M temos 002 moles de OH em 1 L de solução ou se preferir em 1000 mL de solução Para saber quanto de OH está presente nos 25 mL utilizados para neutralizar o suco gástrico é só fazer uma regra de três 002 moles 1000 mL x moles 25 mL x 002 x 25 1000 x 000005 x 5 x 105 de OH Então há 5 x 105 moles de OH em 25 mL de NaOH 002 M c Para neutralizar uma solução é necessário igualar suas concentrações de H e de OH Ora se o técnico do laboratório utilizou 5 x 105 moles de OH para atingir o pH 7 signifi ca que era essa a quantidade de H que havia presente nos 5 mL da amostra de suco gástrico Lembrando que molaridade é quantidade de moles presentes em 1 L 1000 mL 5 mL 5 x 105 1000 mL x x 1000 x 5 x 105 5 x 103 x 5 x 105 5 x 5 x 102 5 x 102 M x 001 M de H d Para calcular o pH de uma solução é só aplicar a fórmula que você já aprendeu tão bem nesta aula log H pH Sabendo a H que você obteve na letra c desta atividade log 102 pH 10pH 102 pH 2 pH 2 O pH do suco gástrico do paciente 123210 é 2 totalmente dentro da faixa da normalidade Bioquímica I O que é pH de uma solução 126 C E D E R J INFORMAÇÕES SOBRE A PRÓXIMA AULA Dependendo da solução em questão adicionar ácidos ou bases pode não alterar o pH Soluções como esta são chamadas tampões Como elas podem resistir à presença de mais prótons sem alterar o pH é o que você aprenderá na próxima aula Ácidos e bases só podem ser classifi cados desta maneira se estiverem em ambiente aquoso A dissociação desses dois tipos de compostos altera a neutralidade da água Levando em consideração que a água é uma substânciareferência de neutralidade porque além de sofrer baixíssimo grau de ionização apresenta concentrações iguais de H e OH H OH colocar ácidos e bases em água faz com que tenhamos alteração de suas concentrações de íons de forma a tornála ácida ou básica Quando a H OH estamos diante de um meio ácido quando a OH H o meio é básico O grau de acidez de uma solução é medido por uma escala conhecida como pH potencial de hidrogênio O pH de uma solução é defi nido pela expressão log H e apresenta valores que variam de 0 a 14 Valores inferiores a 7 indicam que a solução é ácida ao passo que valores superiores a 7 indicam basicidade alcalinidade Para alterar o pH de uma solução é necessário alterar a sua concentração de H quer seja adicionando H à solução quer seja adicionando OH que faz com que a concentração de H diminua automaticamente de acordo com o produto iônico da água KW R E S U M O objetivos Meta da aula Apresentar o que é soluçãotampão e como ela é capaz de manter seu pH constante Ao fi nal desta aula você deverá ser capaz de defi nir soluçãotampão calcular o pK de soluções pela equação de Handerson e Hasselbach relacionar pK com faixa de tamponamento relacionar o sistema de tamponamento do sangue com a taxa respiratória O que é solução tampão 7 A U L A Prérequisitos Para acompanhar bem esta aula você vai precisar de alguns conteúdos explorados durante as Aulas 5 e 6 tais como o comportamento dos ácidos em soluções aquosas e o conceito de constante de dissociação 1 2 3 4 Bioquímica I O que é soluçãotampão 128 C E D E R J INTRODUÇÃO Na Aula 5 discutimos os conceitos de ácidos e bases Segundo a defi nição de Bronsted e Lowry são ácidas as substâncias capazes de doar prótons H e básicas aquelas capazes de recebêlos O grau de acidez de uma solução como você viu na Aula 6 é medido pela sua concentração de prótons pelo seu potencial de hidrogênio iônico ou simplesmente pH Assim o pH de uma solução refl ete a sua concentração de prótons que pode ser máxima valendo 1M o que signifi ca pH 0 ou mínima valendo 1014M o que signifi ca pH 14 Se nós perguntarmos o que é preciso para alterar o pH de uma solução provavelmente você responderá que basta aumentar a sua concentração de H livres o que pode ser feito por adição de um ácido forte por exemplo HCl ácido clorídrico No entanto algumas moléculas apresentam propriedades que podem impedir que isso aconteça Não é toda solução aquosa que sofre imediatamente alteração de pH frente à adição de H proveniente de um ácido dissociado São essas moléculas com propriedades particulares que você verá na aula de hoje O QUE É SOLUÇÃOTAMPÃO Uma gota de uma solução 1M de HCl ácido clorídrico adicionada em água pura muda o pH da água diminuindoo concorda Isso ocorre porque o HCl é um ácido forte que se dissocia completamente quando adicionado em água aumentando a concentração de H livre Mas se os prótons liberados pela dissociação de um ácido em água não fi cassem livres O pH da solução seria alterado Parecem estranhas essas perguntas mas o fato é que existem algumas moléculas com uma propriedade especial associaremse a prótons ou liberálos de acordo com o meio em que se encontram se ácido ou básico Essa propriedade faz com que elas sejam capazes de manter o pH de uma solução inalterado mesmo quando adicionamos um ácido Quando estão em solução aquosa essas moléculas dão origem àquilo que chamamos SOLUÇÃOTAMPÃO SOLUÇÃOTAMPÃO Solução que possui a capacidade de resistir a variações no seu pH quando lhe é adicionado um ácido ou uma base C E D E R J 129 AULA 7 MÓDULO 1 1 Defi nindo tampões Imagine que você esteja em um laboratório onde haja dois bécheres um com água pura e outro com uma soluçãotampão que você precisa utilizar em um experimento e que tenha pH em torno de 7 Estes bécheres não estariam identifi cados mas você precisaria fazêlo rapidamente pois necessitaria do tampão dali a pouco para uma experiência com seus alunos Para identifi cálos portanto você procedeu da seguinte maneira 1 separou um pouco de cada solução em um recipiente menor 2 colocou um indicador de pH junto com as soluções em cada um desses recipientes Esse indicador de pH funciona na faixa de 3045 ou seja indica pHs ácidos Quando o pH de uma solução está acima de 45 o indicador fi ca alaranjado quando o pH é menor do que 3 o indicador torna a solução vermelha 3 adicionou ácido clorídrico 1M HCl um ácido forte aos dois recipientes gota a gota A solução do recipiente 1 teve sua coloração alterada rapidamente do laranja para o vermelho ao passo que a do recipiente 2 mantevese alaranjada PERGUNTA Qual dos recipientes contém a soluçãotampão Justifi que sua resposta RESPOSTA COMENTADA Quando adicionamos um ácido forte como o HCl a um recipiente onde haja água pura esse ácido se dissocia completamente de imediato dando origem a uma grande quantidade de H livres Esse aumento na concentração de prótons livres faz com que o pH da solução se altere diminuindoo Na presença do indicador de pH mencionado na atividade o laranja de metila substâncias com pH acima de 45 mostramse alaranjadas Conforme a substância vaise acidifi cando a cor muda para o vermelho Um tampão é uma substância capaz de resistir à alteração do pH por possuir grupamentos capazes de interagir com os prótons liberados por um ácido forte por exemplo Assim se a solução do frasco 1 mudou rapidamente de cor é porque ela não era capaz de resistir à adição de H e portanto não era o tampão Conseqüentemente no frasco 1 temos água pura e no 2 o tampão ATIVIDADE 1 Bioquímica I O que é soluçãotampão 130 C E D E R J Os tampões possibilitam que o pH de uma solução resista à adição de ácidos ou bases Mas que substâncias podem funcionar como tampões Como o fenômeno de tamponamento ocorre Para responder a essas perguntas será preciso retomar alguns conceitos e aprofundá los Vamos lá FORÇA DE UM ÁCIDO SUA IONIZAÇÃO E pK Como você aprendeu na Aula 5 uma reação ácidobase é aquela em que um ácido se dissocia e dá origem a um próton e a um íon negativo que é chamado de base conjugada do ácido que a originou Assim HA H A Na reação anterior o ácido hipotético HA deu origem à base conjugada A Os ácidos fortes assim como as bases fortes dissociamse por completo em água ou seja geram 100 da sua concentração em prótons e em sua base conjugada Ácidos como o clorídrico HCl o sulfúrico H2SO4 ou o fosfórico H3PO4 são ácidos fortes pois se ionizam completamente quando diluídos em água Mas há ácidos e bases também que apresentam um comportamento diferente não se ionizando por completo quando adicionados em água Por isso são considerados ácidos e bases fracos Para você compreender as propriedades dos ácidos e bases fracos em solução teremos de rever alguns conceitos e defi nições explorados nas aulas anteriores Vamos a eles Um doador de H e seu aceptor de H correspondente são chamados par conjugado ácidobase Observe o exemplo a seguir que mostra a reação de dissociação do ácido acético CH3COOH H CH3COO ácido acético acetato O ácido acético e o ânion acetato formam um par conjugado ácidobase Os diferentes ácidos por possuírem características moleculares distintas apresentam diferentes tendências ao doarem seus prótons em solução Quanto maior for a tendência mais forte será o ácido C E D E R J 131 AULA 7 MÓDULO 1 Podemos medir essa tendência avaliando o equilíbrio da reação de ionização do ácido Veja a seguir a reação de ionização de um ácido hipotético HA H A ácido base conjugada Quando essa reação atinge o equilíbrio podemos calcular sua constante de equilíbrio Keq que refl ete a relação entre as concentrações de produtos e reagentes nesse ponto Quando a constante de equilíbrio se refere à reação de ionização de um ácido como você já aprendeu na Aula 5 podemos chamála de Ka Keq de um ácido Ka H A HA Olhando para essa equação podemos deduzir que quanto mais formas nãoionizadas HA encontrarmos menor será o valor de Ka concorda Ora quanto mais formas nãoionizadas mais fraco é o ácido Portanto quanto menor o valor de Ka mais fraco o ácido é ou seja mais formas nãodissociadas são encontradas em solução aquosa Para compreender melhor o signifi cado da constante Ka faça o seguinte a compare os valores das constantes de equilíbrio das reações de ionização dos ácidos listados na Tabela 71 b responda qual é o ácido mais forte e qual é o mais fraco Tabela 71 Reações de ionização e constantes de dissociação de algumas substâncias Substância Reação de ionização Ka M Ácido fosfórico H3PO4 H3PO4 H H2PO4 725 x 103 Ácido fórmico HCOOH HCOOH H HCOO 178 x 104 Ácido acético CH3COOH CH3COOH H CH3COO 174 x 105 Ácido carbônico H2CO3 H2CO3 H HCO3 447 x 107 Então qual foi a sua resposta Quanto maior for o valor de Ka maior será a quantidade de formas ionizadas em relação à forma nãodissociada ou seja mais forte é o ácido Assim dentre os ácidos exemplifi cados o fosfórico é o mais forte enquanto o carbônico é o mais fraco Bioquímica I O que é soluçãotampão 132 C E D E R J Lembra que para estimar graus de acidez os pesquisadores sentiram necessidade de desenvolver uma escala numérica que representasse a concentração de prótons presente na solução o pH Não seria muito mais simples se houvesse também uma escala assim para avaliar se os ácidos são mais fortes ou mais fracos Certamente que sim Tal escala foi desenvolvida e de maneira análoga à escala de pH Confuso Calma vamos a um exemplo Imagine duas soluções X e Y e suas constantes de dissociação Ka X 103 Ka Y 107 Esses valores indicam que a solução X é um ácido mais forte do que o ácido Y pois sua constante de dissociação no equilíbrio é mais alta Uma outra maneira de você obter a mesma informação é por meio do pKa Bastante atenção o pH é defi nido por log H em analogia o pKa foi defi nido como log Ka Assim pKa log Ka Para a solução X temos pKa x log Ka 10 pKa x 103 pKa x 3 pKa x 3 Afi nal 725 x 103 000725 447 x 107 0000000447 C E D E R J 133 AULA 7 MÓDULO 1 2 Calculando o pK de uma solução A partir do exemplo que você acabou de ver para a solução X calcule o pKa da solução Y RESPOSTA COMENTADA O pK de uma solução é defi nido por log da sua constante de dissociação no equilíbrio Para a solução Y que foi classifi cada como ácida ao apresentar uma Ka e não uma Kb temos pKa Y log Ka 10 pKa Y 107 pKa Y 7 pKa Y 7 ATIVIDADE Continuando a analogia entre pH e pK responda às seguintes questões para entender e fi xar os conceitos ao mesmo tempo Uma alta concentração de H resultará em um pH alto baixo Um ácido que apresente alta constante de dissociação no equilíbrio é forte fraco Um ácido que apresente Ka baixo terá pKa alto baixo Um ácido forte terá pKa alto baixo Quanto maior a concentração de prótons em uma solução menor será o valor de pH desta Assim soluções com pH 1 ou 2 por exemplo são bastante ácidas Para uma solução ser bastante ácida ela provavelmente conterá um ácido forte ou seja um ácido que se dissocie completamente em água Esses ácidos apresentam em solução aquosa altas concentrações de H e de sua base conjugada e baixas concentrações de sua forma nãoionizada Aplicando a expressão que você já aprendeu 2 Bioquímica I O que é soluçãotampão 134 C E D E R J para constantes de equilíbrio de uma reação fi ca fácil comprovar que a Ka desse tipo de ácido forte é alta Portanto ácidos fortes apresentam alta Ka ácidos fracos apresentam baixa Ka Aplicando o logaritmo à constante de dissociação no equilíbrio é possível observar um fenômeno semelhante ao que acontece com a escala de pH assim como para pH maior o valor signifi ca que menor H para pKa maior valor signifi ca menor Ka Ora menor Ka signifi ca ácido mais fraco como você já viu Assim ácidos fortes apresentam pKa baixo ácidos fracos apresentam pKa alto Assim quanto menor o pK mais forte é o ácido Você pode estar se perguntando de quem foi a idéia de aplicar logaritmo à constante de equilíbrio em analogia ao que foi feito para graus de acidez pH A verdade é que o conceito de pK surge da própria equação de constante de equilíbrio Veja Ka H A HA Rearrumando os termos desta equação temos Ka x HA H A Ka x HA A H Invertendo a ordem das parcelas H Ka x HA A Aplicando logaritmo negativo a todos os termos da expressão log H log Ka x HA A log H log Ka log HA A Ora log H nada mais é do que pH log Ka como você acabou de aprender é o pKa Substituindo essas informações na equação temos C E D E R J 135 AULA 7 MÓDULO 1 pH pKa log HA A Se invertermos o termo log HAA o que resultará na mudança de sinal teremos a seguinte equação pH pKa log A HA Essa equação que acabamos de deduzir é muito conhecida no campo da Bioquímica e foi chamada de Equação de Handerson e Hasselbach em homenagem aos pesquisadores que a desenvolveram Dessa equação podemos deduzir uma informação importante quando as concentrações do ácido e de sua base conjugada são iguais a relação AHA será igual a 1 O log de 1 vale zero Assim pH pKa log A base conjugada HA ácido pH pKa 0 pH pKa Então acabamos de relacionar pH com pK O que isso tem a ver com os tampões Simples para que a relação entre base conjugada e ácido nãoionizado seja 1 é necessário que 50 do ácido esteja dissociado e 50 esteja nãoionizado Muitas substâncias podem ser encontradas em solução aquosa em duas formas diferentes com ou sem prótons associados Isso vai ocorrer em valores de pH próximos ao seu pK como você vai entender melhor mais à frente nesta aula quando estivermos exemplifi cando as curvas de titulação Essas substâncias poderão atuar como tampões Assim complementando a defi nição de soluçãotampão que você viu no início desta aula é possível dizer que uma soluçãotampão é aquela em que parte da substância se encontra protonada ácido na forma nãoionizada e parte encontrase desprotonada na forma de base conjugada É por meio desse balanço entre formas protonadas e desprotonadas que um tampão impede variações de pH Mas como Você vai entender melhor mais adiante quando estivermos falando das curvas de titulação Para o bom funcionamento dos organismos vivos é necessária a existência de ambientes nos quais o pH se mantenha estável mesmo após a adição de ácidos ou bases Muitas moléculas biológicas como por exemplo Bioquímica I O que é soluçãotampão 136 C E D E R J Mais motivos para manter o pH constante Uma das principais causas da necessidade de manutenção do pH interno dos organismos seja intracelular ou extracelular é a grande sensibilidade das enzimas a variações de pH Lembra que na Aula 5 falamos um pouco sobre uma enzima presente no estômago a pepsina Essa enzima trabalha na sua capacidade máxima no pH do suco gástrico que é em torno de 2 fora desse pH ela tem a capacidade de quebrar proteínas o que é sua função diminuída Assim como a pepsina todas as enzimas têm um pH no qual as suas atividades são favorecidas Nos meios intracelulares o pH fica em torno de 74 assim como o pH do sangue Em valores de pH acima ou abaixo deste a atividade das enzimas é comprometida e junto com ela uma série de funções biológicas como o metabolismo de nutrientes a replicação de DNA a divisão celular a produção de proteínas de todo tipo inclusive as estruturais Dependendo da variação de pH as enzimas podem não apenas ter sua atividade reduzida como também perder essa atividade completamente Como isso acontece é assunto para daqui a algumas aulas 3 Calculando pK pela Equação de Handerson e Hasselbach Talvez você já tenha ouvido falar no ácido lático Essa molécula é um produto do metabolismo anaeróbio na ausência de oxigênio no músculo quando sujeito a exercício intenso Uma vez acumulado nas células musculares o ácido lático pode levar à cãibra O ácido lático é um ácido fraco e sua base conjugada chamase lactato Veja a reação ácido lático lactato ATIVIDADE CH3 C C OH O OH CH3 C C H O OH O as proteínas e os ácidos nucléicos possuem diversos grupos funcionais que podem ser protonados ou desprotonados As propriedades dessas moléculas podem variar muito em função do seu estado de protonação Esse estado por sua vez depende da acidez da solução na qual elas se encontram O sangue é um exemplo de excelente tampão Em um adulto normal o pH sangüíneo é mantido constantemente em 74 Condições que promovam uma pequena queda no valor do pH do sangue são extremamente perigosas sendo esse quadro denominado ACIDOSE Isso ocorre por exemplo em casos de diabetes não controlados devidos à superprodução de ácidos no metabolismo Se o pH atingir valores próximos a 70 graves conseqüências poderão ocorrer inclusive a morte do indivíduo ACIDOSE Ruptura do equilíbrio ácidobásico do plasma promovendo a queda do pH do sangue a valores inferiores a 74 2 C E D E R J 137 AULA 7 MÓDULO 1 Analise a seguinte situação em uma solução de pH 48 há uma concentração de 01M de ácido lático Nesse momento há de lactato 001M Utilizando a Equação de Handerson e Hasselbach calcule o pK do ácido lático RESPOSTA COMENTADA Para resolver essa atividade você não precisava fazer nada além de aplicar corretamente a Equação de Handerson e Hasselbach pH pKa log base conjugada ácido nãoionizado 48 pKa log 001 01 48 pKa log 102 101 48 pKa log 101 Resolvendo log 101 log 101 x a 10x 101 a x 1 Portanto log 101 vale 1 Substituindo na equação 48 pKa 1 a pKa 48 1 a pKa 58 VOCÊ SABE O QUE É TITULAÇÃO No fi nal da aula passada você aprendeu como fazer uma reação de neutralização Naquela ocasião aprendeu também que é possível descobrir o pH de uma solução utilizando outra solução de caráter contrário ao da concentração conhecida se ácido usando uma base se básico usando um ácido Sabendo o volume da solução conhecida utilizado para neutralizar a solução desconhecida é possível calcular o pH se não se lembra bem desses cálculos é bom voltar à Atividade Final da Aula 6 Bioquímica I O que é soluçãotampão 138 C E D E R J TITULAÇÃO Método que utiliza uma solução de concentração conhecida para determinar a concentração de outra solução Se pouco a pouco adicionarmos uma base forte por exemplo NaOH 01 M à solução de ácido acético representaremos por HAc daqui por diante a tendência é que o pH da solução vá aumentando concorda Lembrese de que o aumento do pH signifi ca que a concentração de prótons livres está diminuindo e com isso estão sendo mais favorecidas as formas dissociadas do ácido fraco em questão Chegará um momento em que o pH da solução será tal que encontraremos metade das formas Em pHs baixos CH3COOH H CH3COO Em pHs próximos ao pK CH3COOH H CH3COO Figura 71 Comportamento de um ácido fraco o acético em solução aquosa de pH variante Em valores de pH baixos a reação favorece as formas nãoionizadas quando o pH se iguala ao pK metade das formas é protonada e a outra metade encontrase dissociada O que você fez na Atividade Final da aula passada nada mais foi do que uma TITULAÇÃO utilizando um ácido forte o HCl e uma base forte o NaOH Há outros tipos de titulação como por exemplo a que utiliza uma base forte para titular um ácido fraco É a essa que vamos nos ater por agora e para isso é necessário ver como se comporta um ácido fraco em água Observe novamente o que acontece com o ácido acético em água CH3COOH H CH3COO Um ácido fraco como você já sabe não se dissocia por completo em água O equilíbrio químico da reação formação de ácido dissociado ou permanência na forma nãoionizada vai depender do pH do meio em que esse ácido se encontra Em um meio solução em que o pH esteja baixo ou seja em que haja uma concentração alta de H a reação não será favorecida na formação de espécies dissociadas Assim em pHs baixos é possível dizer que a maior parte das moléculas de ácido acético estará na sua forma protonada Figura 71 C E D E R J 139 AULA 7 MÓDULO 1 protonadas e metade das formas desprotonadas Ora de acordo com o que você está aprendendo nesta aula o ponto em que 50 são formas protonadas e 50 são desprotonadas nada mais é do que o pK do ácido O pK corresponde ao valor de pH no qual o tampão está apresentando sua maior capacidade tamponante Qualquer procedimento de titulação pode ser representado por um gráfi co que mostre a curva de titulação No caso do ácido acético NaOH a curva de titulação mostrará o comportamento do ácido fraco frente à adição de base forte Figura 72 Curva de titulação de 100 mL de ácido acético por 100 mL de NaOH No início do procedimento o pH é baixo 2 e a concentração de espécies de HAc protonadas é 100 Conforme vai ocorrendo a adição de base o pH da solução vai aumentando até se aproximar do pK do ácido acético Quando isso acontece pH pK 50 das moléculas de ácido estão dissociadas Ac e 50 se encontram ainda nãoionizadas Repare que em pHs próximos ao pK do ácido acético o pH da solução varia muito pouco frente à adição da base forte Passando dessa faixa que é chamada faixa de tamponamento o número de espécies dissociadas bases conjugadas formadas aumenta até atingir 100 o que ocorre em pH por volta de 75 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 pH 576 pH 376 100 Ac 50 HAc e 50 Ac 100 HAc pH pKa 476 pH Bioquímica I O que é soluçãotampão 140 C E D E R J A capacidade tamponante de uma solução também depende da concentração do tampão Quanto maior a concentração da base conjugada maior a quantidade de H que pode reagir com ela Da mesma forma quanto maior a concentração do ácido conjugado maior a quantidade de OH que pode ser neutralizada pela dissociação do ácido A faixa de pH próxima ao pK de uma solução de ácido fraco é dita sua faixa tamponante na qual o tampão funciona embora não com sua capacidade máxima Essa faixa fi ca em torno de 1 ponto abaixo e outro acima do pK do tampão exemplo a faixa de tamponamento de um tampão com pK 476 é entre pH 376 e 576 e nela o ácido fraco funciona como um tampão Mas você consegue dar uma explicação para isso acontecer À medida que adicionamos a base forte à solução de ácido fraco a relação base conjugadaácido muda O NaOH se dissocia completamente gerando alta concentração de OH Essas hidroxilas geradas pela dissociação da base são neutralizadas pelos H existentes na solução devido à dissociação do ácido fraco formando água A adição de uma base forte a um ácido fraco em pH baixo portanto leva à formação de H2O Ocorre como conseqüência a diminuição da H o que promoverá uma dissociação adicional do ácido de forma que o equilíbrio da reação venha a ser novamente atingido A quantidade de ácido fraco que se dissocia é praticamente equivalente à quantidade de base forte adicionada Dessa forma uma grande quantidade de OH pode ser adicionada sem que haja uma grande variação no pH da solução Na faixa de tamponamento ou seja valores de pH próximos ao pK do ácido fraco a adição de uma grande quantidade de base forte não promove grandes mudanças de pH Se o ácido fraco não estivesse presente o pH iria variar muito com uma pequena adição de NaOH já que não haveria nenhuma fonte de H para neutralizar as hidroxilas OH adicionadas C E D E R J 141 AULA 7 MÓDULO 1 4 Qual tampão funcionará Imagine que você trabalhe em um laboratório de Bioquímica Um estagiário recémingresso pediulhe auxílio para executar um experimento Ele precisava testar a atividade de uma proteína que só funcionava em condições muito restritas com pH em torno de 72 Para garantir o sucesso do experimento você sugeriu ao estagiário que fi zesse as reações químicas em um meio tamponado e não em água Ele perguntou apontando para uma prateleira com diversos frascos que tampão deveria utilizar Você olhou para a prateleira e estes foram os tampões que viu 1 Tampão tris 01 M pH 72 pK 81 2 Tampão fosfato de sódio 01 M pH 72 pK 72 3 Tampão borato de sódio 01 M pH 100 pK 92 4 Tampão acetato de sódio 01 M pH 35 pK 47 Analisando os pKs qual tampão você indicaria para o estagiário RESPOSTA COMENTADA O pK é o valor de pH em que metade das moléculas está protonada e a outra metade não Nesse valor a capacidade tamponante de uma substânciatampão é máxima Assim ao fazer um experimento para o qual a manutenção do pH é importante é indicado escolher um tampão cujo pK seja próximo ao pH que você precisa manter Portanto o tampão que você deveria ter sugerido ao estagiário é o tampão fosfato de sódio 2 Se você pensou em sugerir o tris não acertou por pouco O tris é capaz de tamponar uma solução de pH 72 mas nesse pH não é um tampão efi ciente pois está a quase uma unidade de pH distante do seu pK ATIVIDADE Fonte wwwsxchu cod 110807 Foto Nick Cowie 3 Bioquímica I O que é soluçãotampão 142 C E D E R J UM EXEMPLO BIOLÓGICO NOSSO SANGUE COMO UMA SOLUÇÃOTAMPÃO Agora você entendeu como funcionam as soluçõestampão Assim podemos defi nir como soluçãotampão aquela formada por um ácido fraco doador de prótons e sua base conjugada aceptora de prótons Na faixa de pH próxima ao valor pK aproximadamente entre uma unidade de pH acima e uma unidade de pH abaixo do pK a adição de H ou OH tem efeitos muito menores sobre o pH do meio do que em pHs fora da faixa tamponante Por exemplo o par H2PO4 HPO4 2 apresenta um pK de 686 sendo um tampão efetivo entre os pHs 59 e 79 Já o par NH4 NH3 cujo pK é 925 pode agir como tampão entre os pHs 83 e 103 Note que a faixa de tamponamento de diferentes soluçõestampão pode variar e que isso acontece de acordo com o pK do ácido fraco presente na solução Nosso sangue tem um sistema de tamponamento efi ciente pois pequenas variações no pH sangüíneo podem ser fatais para o indivíduo O sistema de tamponamento do sangue é mais complexo do que os outros sistemastampão usados como exemplo ao longo desta aula e se chama sistema bicarbonato HCO3 Não sabe de onde vem essa molécula Vai descobrir já já O gás carbônico CO2 que expiramos vem do metabolismo celular que o lança na corrente sangüínea para que possa ser eliminado pelos pulmões Na presença de água esse CO2 que está dissolvido no sangue pode participar de uma reação que origina o ácido carbônico No equilíbrio essa reação é CO2 H2O H2CO3 O ácido carbônico como todo ácido pode sofrer dissociação gerando um próton e sua base conjugada que é o bicarbonato No equilíbrio temos H2CO3 H HCO3 Repare que as duas reações apresentadas são reversíveis isto é podem acontecer nos dois sentidos Então podemos escrever CO2 H2O H2CO3 H HCO3 C E D E R J 143 AULA 7 MÓDULO 1 O ácido carbônico não é uma molécula muito estável ou seja tende rapidamente a se dissociar formando bicarbonato ou a retornar a CO2 e água Como dissemos essas reações estão representadas no equilíbrio Assim um aumento de CO2 desloca o equilíbrio da reação para a direita ou seja favorece a formação de H2CO3 e conseqüentemente de HCO3 ao contrário um aumento no bicarbonato HCO3 desloca a reação para a esquerda favorecendo a formação de H2CO3 e por conseguinte de CO2 Por isso podemos resumir as equações dizendo que no fi nal das contas o CO2 está em equilíbrio com o HCO3 Os ácidos produzidos no metabolismo liberam prótons que em vez de diminuirem o pH do sangue se associam ao bicarbonato gerando por fi m CO2 Este pode ser eliminado na respiração impedindo a acidifi cação do sangue Quando o bicarbonato se associa ao H e forma ácido carbônico há remoção de prótons do sangue O ácido carbônico retorna a CO2 e água e o pH do sangue aumenta Ou seja O sistema de tamponamento do sangue envolve alguns passos importantes produção de H2CO3 a partir de CO2 e água dissociação do ácido carbônico em bicarbonato HCO3 retorno do bicarbonato a ácido carbônico e desse ácido a CO2 que pode ser eliminado pelos pulmões Esse não é o único mas é o principal sistema de controle do pH do sangue Sua maior vantagem está no fato de que ele pode ser rapidamente ajustado pela respiração isto é a concentração de CO2 dissolvido no sangue pode ser ajustada rapidamente por meio de mudanças na taxa respiratória Para entender melhor esse controle do pH do sangue com a taxa respiratória não deixe de fazer a Atividade Final CONCLUSÃO Fisiologicamente a manutenção do pH do sangue e do meio intracelular é fundamental para o bom funcionamento do organismo Diversas funções podem ser comprometidas caso enzimas sejam desnaturadas percam sua capacidade de catalisar reações químicas como a replicação do DNA a divisão celular a síntese de novas proteínas a geração de energia dentre outras Bioquímica I O que é soluçãotampão 144 C E D E R J Tampões fi siológicos estão presentes em todas as nossas células e como no caso do sangue fora delas também Os aminoácidos unidades constituintes das proteínas podem funcionar como tampões por exemplo Mas isso é assunto para daqui a duas aulas ATIVIDADE FINAL Qual a relação entre pH do sangue e respiração ATENÇÃO Esta é uma atividadedesafi o Não deixe de tentar fazêla pois ela acrescentará informações importantes às que você estudou na última seção da aula de hoje sobre tamponamento no sangue Boa sorte e neurônios à obra O exercício físico é recomendado por médicos para o bem da saúde desde que realizado com a orientação de profi ssionais competentes Dependendo da intensidade do exercício muitas modifi cações metabólicas podem ocorrer no organismo Analise as informações a seguir Em atividade muscular intensa ocorre aumento na taxa respiratória do indivíduo bem como alta produção de ácido lático Essa substância pode sofrer a seguinte reação de dissociação e os produtos são secretados na corrente sangüínea CH3 C C CH3 C C H 1 OH OH O OH O O Foto Michal Zacharzewski Fonte wwwsxchu cód 425341 ácido lático lactato 4 C E D E R J 145 AULA 7 MÓDULO 1 Relação entre pH sangüíneo e intensidade do exercício praticado 2 3 Intensidade do exercício físico moderado intenso pH do sangue 742 734 Relação entre taxa respiratória e pH sangüíneo imediatamente após exercício físico intenso 742 734 Taxa respiratória aumento da entrada de O2 e saída de CO2 Com base nas informações 1 2 e 3 diga qual é a relação existente entre exercício físico produção de lactato alteração do pH do sangue e taxa respiratória Mencione a relação existente entre a concentração de CO2 no sangue e o pH deste líquido RESPOSTA COMENTADA O exercício físico intenso faz com que as células produzam altas concentrações de ácido lático Esse ácido lático se dissocia dando origem a lactato e H que vão para a corrente sangüínea O aumento da concentração de prótons no sangue provenientes do ácido lático ionizado fazem com que o pH do sangue diminua O sangue possui um sistema de tamponamento pois alterações no seu pH podem ser fatais para o indivíduo Esse sistema de tamponamento é baseado no equilíbrio entre CO2 e HCO3 no sangue veja a reação a seguir CO2 H2O H2CO3 H HCO3 pH do sangue Bioquímica I O que é soluçãotampão 146 C E D E R J Quando acontece um aumento na concentração de H no sangue o equilíbrio é desestabilizado e tende a ser deslocado no sentido da formação de CO2 Esse CO2 precisa ser eliminado para não formar mais ácido carbônico e conseqüentemente bicarbonato e H Para eliminar o CO2 o organismo aumenta a sua taxa respiratória O aumento da taxa respiratória e da eliminação de CO2 restabelece o pH do sangue Uma soluçãotampão é aquela capaz de resistir a variações de pH Soluções como essa são formadas por um ácido fraco doador de prótons e sua base conjugada aceptora de prótons É possível calcular a constante de dissociação desses ácidos Ka quanto maior a constante de dissociação mais forte é o ácido Uma relação entre força do ácido e pH pode ser estabelecida por meio do pK O valor do pK é numericamente semelhante ao do pH da solução na qual as concentrações do ácido e de sua base conjugada são iguais Ou seja o pK de um ácido corresponde ao pH da solução no qual esse ácido se encontra 50 protonado 50 desprotonado Na faixa de pH próxima ao pK a adição de uma base forte não resulta em grandes variações de pH já que cada vez que íons OH se dissociam da base um próton proveniente do ácido os neutraliza formando água Dessa forma até que o ácido esteja completamente dissociado a base é tamponada Sistemas de tamponamento fi siológico como o bicarbonato no sangue são fundamentais ao bom funcionamento do organismo É o balanço entre ácido carbônico e bicarbonato balanço esse que pode ser infl uenciado pelo ritmo respiratório aumento de saída de CO2 que mantém o pH do sangue sempre em 74 R E S U M O INFORMAÇÃO SOBRE A PRÓXIMA AULA Na próxima aula você começará a aprender um pouco sobre os aminoácidos moléculas que são unidades formadoras de proteínas Até lá objetivos Meta da aula Apresentar o que são aminoácidos com ênfase em algumas das suas propriedades químicas Ao fi nal desta aula você deverá ser capaz de caracterizar a estrutura de um aminoácido identifi car moléculas quirais Introdução aos aminoácidos 8 A U L A 1 2 Bioquímica I Introdução aos aminoácidos 148 C E D E R J INTRODUÇÃO Você já ouviu falar em aminoácidos Essas moléculas estão mais presentes na sua vida do que você imagina Os aminoácidos estão por exemplo em suplementos alimentares comercializados como o que você pode ver na Figura 81 Aminoácidos essenciais Lisina Leucina Valina Fenilalanina Treonina Isoleucina Triptofano Metionina Histidina 1958 mg 1569 mg 1223 mg 1053 mg 1042 mg 725 mg 400 mg 385 mg 375 mg Aminoácidos nãoessenciais Glicina Prolina Hidroxiprolina Ácido Glutâmico Alanina Arginina Ácido Aspártico Serina Tirosina Cisteína Taurina 11355 mg 6808 mg 5789 mg 5065 mg 4704 mg 3821 mg 2981 mg 1815 mg 182 mg 86 mg 07 mg Figura 81 Foto de um frasco de um suplemento alimentar e detalhe de seu rótulo mostrando as quantidades de aminoácidos presentes Os aminoácidos possuem algumas funções no nosso organismo mas a principal delas é a de serem as unidades formadoras das proteínas As proteínas são as macromoléculas mais abundantes nos seres vivos ocorrendo em todas as células e em todos os compartimentos celulares Conforme veremos com mais detalhes nas próximas aulas as proteínas têm tamanhos e formas variados e mais do que isso apresentam grande diversidade de funções biológicas Um pouco de difi culdade em perceber a presença das proteínas na sua vida Vamos a alguns exemplos Todos nós já vimos um vagalume brilhando no escuro Por incrível que pareça aquele brilho resulta da ação de uma proteína chamada luciferase que faz uma reação química gerando um produto que emite luz para saber mais sobre como essa reação acontece visite o site httpwwwucsbrccetdefq naeqmaterialdidaticotextosinterativos26htm C E D E R J 149 AULA 8 MÓDULO 1 A luciferase faz parte de um grupo de proteínas chamadas enzimas Uma enzima é uma proteína que participa de reações químicas A duplicação do DNA para divisão celular assim como a quebra dos nutrientes que ingerimos na alimentação para que possam ser absorvidos e utilizados por nosso organismo são outros exemplos de atuações das enzimas sobre esse tipo de proteínas você aprenderá mais nas Aulas 19 e 20 As proteínas também podem estar presentes na constituição da estrutura do que vemos O chifre de um animal ou as nossas próprias unhas e cabelos são exemplos disso A proteína ali presente se chama queratina e por fazer parte da estrutura do organismo é denominada proteína estrutural Independentemente do fato de realizarem alguma reação química ou de estarem presentes num fi o de cabelo ou num chifre podemos dizer que as proteínas apresentam algo em comum todas são formadas por aminoácidos Existem vinte aminoácidos na constituição das proteínas O que eles são e como são suas estruturas é o que você vai aprender na aula de hoje O QUE É AMINOÁCIDO Aminoácido é uma molécula orgânica ou seja composta de átomos de carbono A particularidade do aminoácido como o próprio nome já diz é conter dois outros grupamentos um amino e um carboxil que caracteriza os ácidos orgânicos Lembra as aulas de Química Orgânica do Ensino Médio Naquela ocasião você aprendeu que um grupamento amino é o radical NH3 Aprendeu também que um ácido orgânico é caracterizado pelo grupamento carboxila o radical COO Um aminoácido é portanto uma molécula que apresenta esses dois radicais juntos Veja a Figura 82 NH3 C H COO R Figura 82 Estrutura geral de um aminoácido No centro da molécula há um átomo de carbono Associados a ele há um grupamento amino NH3 um grupamento carboxila COO um hidrogênio H e um radical variável representado pela letra R Bioquímica I Introdução aos aminoácidos 150 C E D E R J A representação genérica de um aminoácido como a que você viu na Figura 82 mostra um átomo de carbono central chamado carbono α Esse carbono α assim como todo átomo de carbono é capaz de realizar quatro ligações químicas as quais estão discriminadas a seguir 1 ligação com um grupamento amino NH3 2 ligação com um grupamento carboxila COO 3 ligação com um átomo de hidrogênio H 4 ligação com um radical variável representado pela letra R Dependendo do grupamento R que estiver ligado ao carbono central teremos um aminoácido diferente cada um com suas particularidades Você acabou de aprender a fórmula geral dos aminoácidos Mas sabe por que eles são tão importantes Essas moléculas são as unidades formadoras das proteínas um dos grupos de macromoléculas que são focos de estudo da Bioquímica por causa da sua importância para os seres vivos Conhecer a estrutura dos aminoácidos é importante para que em aulas futuras você possa compreender a estrutura das proteínas Como acabou de ver substituir o radical R é a maneira de gerar diferentes moléculas de aminoácido Como constituintes de proteínas nos organismos participam vinte aminoácidos diferentes Veja a Figura 83 C E D E R J 151 AULA 8 MÓDULO 1 Glicina Alanina Valina Fenilanina Tirosina Triptofano Leucina Metionina Isoleucina Serina Treonina Cisteína Lisina Arginina Histidina Prolina Asparagina Glutamina Aspartato Glutamato Figura 83 Estruturas dos 20 aminoácidos constituintes das proteínas com os grupamentos laterais R de cada um destacados É importante ressaltar que essas estruturas variam seu estado de protonação de acordo com o meio em que se encontram Em pH neutro como estamos representando todos os grupamentos COOH constituintes da fórmula geral de um aminoácido nesta fi gura estão desprotonados COO e todas as aminas NH3 estão protonadas Parecem muitas estruturas para ter em mente Se você analisar com cuidado a fi gura anterior verá que os vinte aminoácidos formadores de proteínas apresentam várias similaridades Vamos a elas Bioquímica I Introdução aos aminoácidos 152 C E D E R J Comece olhando para glicina alanina valina leucina e isoleucina Glicina Alanina Valina Leucina Isoleucina Figura 84 Glicina alanina valina leucina e isoleucina os aminoácidos mais simples dentre os 20 constituintes de proteínas Qual é o grupamento lateral da glicina Compare este aminoácido com todos os demais dentre os 20 da Figura 83 O que você pode concluir A glicina é o menor aminoácido pois seu grupamento R é formado por um simples átomo de hidrogênio A alanina vem logo em seguida com um metil CH3 de grupamento lateral Sua vez analise alanina valina e leucina identifi cando as diferenças entre eles A alanina a valina a leucina e isoleucina têm grupamentos R constituídos basicamente por carbono e hidrogênio formando o que chamamos CADEIA ALIFÁTICA Essas são bastante apolares isto é não se dissolvem bem na água já discutimos esse conceito na Aula 4 CADEIA ALIFÁTICA Cadeia alifática ou aberta é uma cadeia linear de átomos formada por C e H Pode ser ramifi cada ou não C E D E R J 153 AULA 8 MÓDULO 1 Importante Como você já aprendeu o carbono central da estrutura genérica de todos os aminoácidos é chamado carbono α Quando há carbonos na cadeia lateral eles são denominados β γ δ ε e assim por diante Carbono α Carbono β Carbono γ Carbono δ Carbono ε Lisinia Repare que as diferenças entre glicina alanina valina e leucina são apenas acréscimos de radicais metil CH3 A glicina tem apenas um átomo de hidrogênio como grupamento lateral a alanina substituiu o seu radical R por um metil carbono β a valina é uma alanina com mais dois carbonos a leucina é uma alanina com mais três carbonos A isoleucina como o nome já diz é um ISÔMERO da leucina Ela também apresenta quatro carbonos no grupamento lateral mas dispostos de maneira diferente Assim como existem aminoácidos com o grupamento lateral R alifático existem alguns que apresentam estruturas carbônicas fechadas nessa mesma posição Esse é o caso da fenilalanina da tirosina e do triptofano que apresentam ANÉIS AROMÁTICOS como parte dos seus grupamentos R ISÔMERO Duas moléculas são isômeras quando apresentam a mesma fórmula molecular mesmas quantidades de todos os átomos e fórmula estrutural diferente Ou seja duas moléculas são isômeras quando apesar de terem o mesmo número de átomos apresentam uma organização destes diferentes formando moléculas diferentes ANEL AROMÁTICO Hidrocarbonetos aromáticos são cadeias nãolineares formadas de carbono e hidrogênio que possuem no mínimo um anel de benzeno que pode também ser chamado fenil O termo aromático foi utilizado devido ao cheiro agradável dessas moléculas Figura 85 Fenilalanina titosina e triptofano os aminoácidos aromáticos devido à presença do anel benzênico Fenilanina Tirosina Triptofano Anel aromático benzeno também chamado de fenil Bioquímica I Introdução aos aminoácidos 154 C E D E R J Veja as estruturas da fenilalanina e da tirosina Levando em consideração os aminoácidos que você já analisou que relações entre eles é possível estabelecer A fenilalanina não tem esse nome à toa o anel aromático benzeno também pode ser chamado fenil Se você examinar a estrutura da alanina e da fenilalanina vai perceber rapidamente que a única diferença entre esses dois aminoácidos é o grupamento fenil A tirosina por sua vez é muito parecida com a fenilalanina apresentando uma hidroxila a mais no grupamento lateral R Você sabia A tirosina foi descoberta no queijo que em grego é chamado tyros Um aminoácido que pode causar graves problemas Você já reparou que em alguns rótulos de produtos industrializados especialmente nos de refrigerantes light vêm escrito CUIDADO CONTÉM FENILALANINA Faz idéia do porquê desse aviso A resposta é que algumas pessoas nascem com uma doença chamada fenilcetonúria PKU que é uma deficiência na enzima que metaboliza o aminoácido fenilalanina Sem essa enzima a fenilalanina hidroxilase que converte a fenilalanina em um outro aminoácido a tirosina funcionando corretamente a fenilalanina se acumula nos fluidos corporais inclusive no sangue A alta concentração de fenilalanina acarreta uma série de conseqüências para o indivíduo que aparecem dos 3 aos 6 meses de vida Estas podem ser retardo mental retardo no desenvolvimento psicomotor no andar e no falar convulsões cérebro de tamanho reduzido dentre outras Os sintomas da fenilcetonúria são hipopigmentação em geral as crianças que nascem com PKU são mais claras cabelos pele e olhos do que seus parentes e em alguns casos odor característico na urina Se a doença não for diagnosticada os altos níveis de fenilalanina podem levar à morte do indivíduo Para detectar a fenilalanina é que os médicos fazem o tão conhecido teste do pezinho teste de Guthrie Por esse teste algumas gotas do sangue do recémnascido são tiradas do pé e analisadas É medida a quantidade C E D E R J 155 AULA 8 MÓDULO 1 de fenilalanina no sangue que já pode ter aumentado por causa da ingestão de proteínas provenientes do leite materno O teste do pezinho pode parecer uma crueldade mas fazêlo na criança com 48 horas de vida é importante para detectar doenças como a fenilcetonúria Não há tratamento medicamentoso para a doença Para manter os níveis de fenilalanina controlados é necessário fazer dieta com restrição de proteínas e administrar aminoácidos exceto é lógico a fenilalanina por via oral em cápsulas Fonte wwwsxchu cód 513908 Foto Ramon Gonzalez 1 Derivados de triptofano grupos virtuais O triptofano é um aminoácido cuja presença em proteínas não é muito expressiva Dizse inclusive que o triptofano é um aminoácido raro Esse composto não é produzido por nosso organismo portanto precisa estar na nossa dieta para que o tenhamos em quantidades satisfatórias a fi m de sintetizar nossas próprias proteínas Além disso o triptofano é utilizado no nosso corpo como o precursor de diversas moléculas de grande importância fi siológica Pesquise em livros de Bioquímica na biblioteca do pólo você encontra ATIVIDADE O triptofano é um aminoácido menos abundante do que os outros nas proteínas Sua fórmula estrutural apresenta um anel aromático fazendo uma estrutura cíclica com um nitrogênio e com outros átomos de carbono Esse anel maior benzeno carbonos nitrogênio é chamado indol A presença desse anel faz com que o triptofano seja o precursor de uma série de outras moléculas de grande importância fi siológica 1 Bioquímica I Introdução aos aminoácidos 156 C E D E R J alguns na internet ou pergunte a algum médico ou cientista o nome de uma molécula que não uma proteína que seja produzida utilizando o aminoácido triptofano como precursor Em seguida vá até o grupo de estudo da disciplina Bioquímica I clique na atividade Derivados de Triptofano e poste o nome da substância que você encontrou Existem muitos derivados de triptofano você não terá problemas para achar um Outra maneira de participar desta atividade é entrar no grupo de estudos pegar o nome de uma substância que já foi postada pelos colegas e fazer uma breve busca sobre a função desse composto Disponibilize as suas descobertas para os outros alunos da disciplina escrevendo um parágrafo sobre o assunto postando links esclarecedores ou colocando arquivos na aba Documentos do grupo de estudos Não deixe de participar Você vai Agora observe a Figura 83 por completo Esses três aminoácidos sobre os quais você acabou de aprender são bastante volumosos em relação aos outros não são A explicação para isso é simples e como você pode imaginar vem do fato de que esses anéis são muito grandes e ocupam muito espaço A presença de anéis aromáticos confere a esses aminoácidos não apenas odor característico e grande volume mas também a capacidade de absorver luz ultravioleta para mais detalhes veja o boxe explicativo a seguir Essa propriedade é muito importante e pode ser usada em diversos estudos sobre estrutura de proteínas e até mesmo auxiliar na determinação da concentração de uma proteína que está em um tubo de ensaio O que há antes e depois do arcoíris Como você acabou de ver nesta aula os anéis aromáticos presentes nos aminoácidos fenilalanina tirosina e triptofano lhes conferem algumas particularidades Absorver luz ultravioleta é uma delas Mas você tem idéia de como isso funciona Quando falamos de luz estamos falando de dois tipos a que vemos e a que não vemos A luz visível luz branca pode ser decomposta em 7 cores que são as cores do arcoíris Talvez você se lembre de que a luz é uma onda e que como toda onda tem um comprimento medido em nanômetros 109 m De acordo com o comprimento Foto Jens Nicolay Fonte wwwsxchu 361322 C E D E R J 157 AULA 8 MÓDULO 1 dessa onda a cor da luz varia Assim na ordem do arcoíris a luz branca é decomposta em violeta 380440 nm azul 440490 nm verde 490565 nm amarelo 565590 nm laranja 590630 nm e vermelho 630780 nm Todos os comprimentos de onda de luz que são superiores a 780 nm são chamados infravermelhos e abaixo de 380 nm de ultravioletas É esse tipo de luz comprimento de onda inferior a 380 nm que os anéis aromáticos absorvem Vale ressaltar que como eles estão abaixo da região de luz visível os anéis não têm cor e sua presença e quantidade são monitoradas por um aparelho capaz de enxergar comprimentos de onda nãovisíveis como o ultravioleta UV Esse aparelho se chama espectrofotômetro A absorção de luz é proporcional à concentração do elemento que é capaz de absorver luz É por isso que podemos utilizar essa propriedade dos aminoácidos aromáticos fenilalanina tirosina e triptofano para estipular a concentração de proteínas em um tubo de ensaio efetuando a análise com o auxílio de um espectrofotômetro Observe agora as estruturas da serina e da treonina Figura 86 Serina e treonina aminoácidos que não apresentam apenas carbonos e hidrogênios na sua cadeia lateral Compare a serina com a alanina Qual a diferença entre as duas Se você respondeu que a serina é uma alanina com acréscimo de uma hidroxila acertou A treonina por sua vez é a serina com mais um metil mais um carbono e seus hidrogênios associados Você sabia A treonina foi o último aminoácido a ser descoberto e isso aconteceu em 1938 Serina Treonina Bioquímica I Introdução aos aminoácidos 158 C E D E R J 2 Analisando os aminoácidos I Você aprendeu na Aula 3 que a água possui cargas parciais negativas concentradas próximas ao átomo de oxigênio e cargas parciais positivas concentradas nos dois átomos de hidrogênio Devido a essa distribuição eletrônica a água é um dipolo Na mesma aula você aprendeu também que para uma substância interagir quimicamente com a água ela precisa ser polar ou seja ter uma distribuição eletrônica de tal maneira que se formem pólos de concentração de carga parcial positiva e outros de carga parcial negativa Os hidrocarbonetos moléculas formadas exclusivamente por átomos de carbono e hidrogênio não são moléculas polares e portanto não interagem bem com a água Os álcoois que são moléculas formadas por carbono hidrogênio e oxigênio são completamente miscíveis em água Tente associar esses conhecimentos aos que você está construindo agora sobre aminoácidos Observe as estruturas a seguir Desses dois aminoácidos leucina e treonina qual interage melhor com a água Justifi que sua resposta RESPOSTA COMENTADA A presença de átomos de oxigênio além dos carbonos e hidrogênios no grupamento R é uma característica marcante tanto da treonina quanto da serina Devido à presença do oxigênio os seus grupamentos R apresentam um caráter mais polar quando comparados por exemplo ao grupo R da leucina ou isoleucina Assim a treonina interage quimicamente melhor com a água Se você quiser estender um pouco mais essa análise tente tirar algumas conclusões sobre a solubilidade da fenilalanina x tirosina em água utilizando a mesma lógica ATIVIDADE Leucina Treonina 1 C E D E R J 159 AULA 8 MÓDULO 1 Outros aminoácidos também apresentam átomos de oxigênio em seus grupamentos R como é o caso da asparagina e da glutamina Você verá esses aminoácidos em detalhes adiante Por enquanto observe as estruturas da metionina e da cisteína Metionina Cisteína Figura 87 Metionina e cisteína apresentam um átomo de enxofre S na sua cadeia lateral Esses dois aminoácidos apresentam um átomo diferente dos demais o átomo de enxofre S No caso da cisteína o enxofre fi ca bem na extremidade do grupamento R A presença do átomo de enxofre é importante para a constituição da estrutura das proteínas como você verá na Aula 11 Duas cisteínas localizadas em regiões distantes de uma proteína podem fazer ligações covalentes uma com a outra através de seus enxofres Essas ligações SS são chamadas pontes de enxofre ou pontes dissulfeto Tais pontes têm um papel fundamental na manutenção da estrutura das proteínas Na verdade esses enxofres na extremidade do grupamento R da cisteína funcionam como uma tomada juntando regiões distantes das proteínas Mas isso é assunto para as Aulas 13 e 14 sobre Estrutura Terciária e Enovelamento Protéico respectivamente Vamos agora aos aminoácidos ácido aspártico e ácido glutâmico Observe a fi gura O que há em comum em seus grupamentos R Figura 88 Ácido aspártico e ácido glutâmico Aspartato Glutamato Bioquímica I Introdução aos aminoácidos 160 C E D E R J Tanto o aspártico aspartato quanto o glutâmico glutamato têm em comum a presença de uma carboxila COO no grupamento lateral Repare que portanto estes dois aminoácidos apresentam duas carboxilas uma no grupamento lateral e outra presente em todos os vinte aminoácidos Para complementar seus conhecimentos sobre esses dois aminoácidos faça a atividade a seguir 3 Analisando os aminoácidos II O ácido aspártico e o ácido glutâmico são dois aminoácidos formadores de proteínas Observe novamente a estrutura desses dois aminoácidos Com base na análise dos grupamentos laterais desses dois aminoácidos em qual classifi cação química apolar ácido básico você os encaixaria RESPOSTA COMENTADA Além da carboxila que caracteriza a estrutura de um aminoácido genérico esses dois aminoácidos apresentam uma carboxila no grupamento lateral O próton dessa carboxila pode se dissociar mesmo em pHs ácidos o pKa do grupamento carboxila fi ca em torno de 3 conferindo a esse grupamento uma carga negativa O excesso de elétrons determinado pela dissociação do próton faz com que o aspártico e o glutâmico sejam chamados aminoácidos ácidos Um grupamento ácido como você sabe pode sofrer ionização em água Em pH 70 as carboxilas dos grupamentos R tanto do aspártico quanto do glutâmico estão desprotonadas ou seja COO o que confere uma carga líquida negativa aos dois aminoácidos em questão Quando está desprotonado o ácido aspártico é chamado de aspartato e o ácido glutâmico de glutamato ATIVIDADE Aspartato Glutamato 1 C E D E R J 161 AULA 8 MÓDULO 1 Continuando a análise comparativa Só para continuar nossas análises comparativas entre os aminoácidos repare que o aspártico nada mais é do que uma alanina com uma carboxila adicionada O glutâmico por sua vez é bastante semelhante ao aspártico apresentando apenas mais um carbono CH2 no seu grupamento R Muito semelhantes a esses dois aminoácidos ácido aspártico e ácido glutâmico são a asparagina e a glutamina Analisando com cuidado as estruturas tanto dos aminoácidos ácidos quanto da asparagina e da glutamina o que você percebe Figura 89 A asparagina e glutamina são muito semelhantes ao ácido aspártico e ao ácido glutâmico respectivamente A asparagina é quase idêntica ao ácido aspártico a diferença está na substituição do OH da carboxila COOH do grupamento lateral por um NH2 A glutamina por sua vez é bastante parecida com o glutâmico também com a substituição do OH da carboxila do grupamento R por um NH2 Asparagina Glutamina Aspártico Asparagina Figura 810 Comparação entre aspártico e asparagina A mesma lógica de raciocínio pode ser utilizada para comparar glutâmico e glutamina Bioquímica I Introdução aos aminoácidos 162 C E D E R J A asparagina foi o primeiro aminoácido a ter sido descoberto isso em 1806 Recebeu esse nome pelo fato de ter sido descoberto no aspargo Agora falta pouco para terminarmos a análise dos vinte aminoácidos formadores de proteínas Para isso vamos analisar a lisina a arginina e a histidina Lisina Arginina Histidina Figura 811 Lisina arginina e histidina aminoácidos com mais de um átomo de nitrogênio A lisina é o mais simples desses três pois apresenta uma cadeia lateral linear e na extremidade um NH3 A arginina por sua vez apresenta como grupamento R uma seqüência de quatro carbonos intercalada pela presença de um nitrogênio entre o terceiro e o quarto se contarmos a partir do carbono α Além disso há mais dois nitrogênios na cadeia lateral ambos ligados ao quarto carbono 4 Analisando aminoácidos III Analise as informações a seguir e preencha a tabela com a classifi cação da lisina e da arginina ATIVIDADE Ácidos orgânicos são moléculas constituídas de carbono e apresentam um grupamento carboxila COOH em sua estrutura 1 C E D E R J 163 AULA 8 MÓDULO 1 RESPOSTA COMENTADA Na Atividade 3 você classifi cou os aminoácidos aspártico e glutâmico como aminoácidos ácidos De fato essa classifi cação está correta pois como diz a defi nição de ácidos orgânicos primeiro quadrinho desta atividade a presença de carboxilas faz com que eles sejam bons doadores de prótons em valores de pH correspondentes a um alto grau de acidez alta concentração de H De acordo com a defi nição de BronstedLowry que você viu na Aula 5 e reviu nesta atividade a NH2 é capaz de receber prótons e fi car com carga positiva sendo portanto classifi cada como base Analisando a estrutura da lisina e da arginina vemos que há nos seus grupamentos laterais NH3 Assim esses dois aminoácidos são caracterizados como aminoácidos básicos Já para BronstedLowry você viu o comportamento da amônia NH3 que na presença de água H2O foi capaz de receber um próton e se tornar o íon NH4 Classifi cação dos aminoácidos pela sua natureza química 1 Apolares 2 Aromáticos 3 Ácidos aspártico e glutâmico 4 Básicos Lisina Arginina Bioquímica I Introdução aos aminoácidos 164 C E D E R J A presença de NH2 nos grupamentos R da lisina e da arginina confere a esses dois aminoácidos características de base Isso acontece porque a amônia é capaz de receber prótons o que é defi nição de base segundo BronstedLowry Com isso estamos dizendo que a lisina e a arginina alteram seus estados de protonação de acordo com o meio em que se encontram Em pHs muito ácidos onde a concentração de H livre é alta esses aminoácidos encontramse protonados Somente quando o pH alcança valores muito altos ou seja valores em que há baixíssima concentração de H é que esses NH3 dos grupamentos laterais liberam seus prótons para o meio Assim em pH fi siológico em torno de 7 esses aminoácidos apresentam carga líquida positiva Mas isso você entenderá com detalhes na aula que vem Por enquanto vamos voltar à histidina A histidina apresenta uma fórmula estrutural bastante complexa com uma estrutura cíclica cadeia fechada no seu grupamento lateral volte à Figura 811 para observar Essa estrutura chamada anel imidazol mas não se preocupe com esse termo por agora tem dois nitrogênios em sua composição Dependendo do pH em que esse aminoácido se encontre um desses nitrogênios é capaz de aceitar um próton e fi car com carga positiva o que é comportamento característico de uma base Por isso podemos classifi car a histidina como um aminoácido básico também Assim sendo lisina arginina e histidina são aminoácidos básicos Talvez você esteja se perguntando por que a prolina fi cou por último Veja sua estrutura Figura 812 Estrutura da prolina um aminoácido com a mais particular das estruturas por formar um ciclo cadeia fechada com o grupamento amino da estrutura geral de um aminoácido Prolina A prolina é um aminoácido curioso Seu grupamento R forma uma dobra e se une ao grupamento amino Essa dobra é bastante rígida o que faz da prolina um aminoácido pouco fl exível o que pode acarretar rigidez na estrutura de proteínas em regiões em que esse aminoácido esteja C E D E R J 165 AULA 8 MÓDULO 1 presente mas como já dissemos você vai aprender sobre estrutura de proteínas nas Aulas 11 a 14 Concluindo a análise Os vinte aminoácidos formadores de proteínas apresentam particularidades que são derivadas do grupamento lateral R que possuem Aminoácidos como a glicina alanina valina leucina e isoleucina assim como a prolina não apresentam em seus grupamentos laterais nada além de carbonos e hidrogênios Como não há grupamentos ionizáveis em água esses aminoácidos não importa em que pH estejam são neutros com carga líquida nula Além disso as cargas parciais dessas ligações CH estão distribuídas de tal forma que se anulam não promovendo formação de pólos na molécula Esses cinco aminoácidos portanto são apolares Por causa dessa segunda característica esses aminoácidos são pouco solúveis em água Além desses cinco aminoácidos que você acabou de ver com a mesma característica química apolar de carga líquida nula há também a metionina A metionina apresenta um átomo de enxofre na sua cadeia lateral mas este não está na extremidade disponível para interagir onde encontramos um CH3 que é apolar A cisteína assim como a metionina apresenta um átomo de enxofre S a diferença entre esses dois aminoácidos está no fato de que a cadeia lateral da cisteína não acaba em um CH3 mas sim no átomo de enxofre Este átomo possui uma capacidade de atrair elétrons que é parecida com a do oxigênio Com isso queremos dizer que há formação de pólos parciais na molécula de cisteína o que faz com que ela seja polar mesmo tendo carga líquida nula Outras moléculas que apresentam características semelhantes às da cisteína são a serina e a treonina que apresentam uma hidroxila cada uma na extremidade de suas cadeias laterais a asparagina e a glutamina que apresentam um grupamento NH2 nas suas cadeias laterais A presença de pólos na cisteína serina treonina asparagina e glutamina faz com que esses aminoácidos sejam facilmente solúveis em água Bioquímica I Introdução aos aminoácidos 166 C E D E R J Fenilalanina tirosina e triptofano por sua vez se comportam exatamente de modo oposto O anel aromático presente nas suas estruturas faz com que esses aminoácidos sejam insolúveis em água o anel aromático é bastante hidrofóbico apolar A tirosina acaba tendo uma solubilidade um pouco melhor em água por conta da hidroxila que apresenta ligada ao anel aromático mas ainda assim não é uma molécula hidrofílica Os aminoácidos ácidos aspártico e glutâmico apresentam como próprio nome o diz um grupamento ácido COOH em suas cadeias laterais Eles alteram seu estado de protonação de acordo com o meio em que se encontram Assim dependendo do pH em que esses aminoácidos estejam o grau de protonação e também a sua carga podem variar Em pH fi siológico aspártico está sempre ionizado na forma de aspartato com uma carga negativa pelo fato de a carboxila do grupamento R ter perdido seu H e glutâmico na forma de glutamato pelo mesmo motivo Esses dois são aminoácidos polares carregados negativamente em pH 7 Com cargas opostas ao aspartato e glutamato estão a arginina a lisina e a histidina que por terem um grupo amino NH2 na cadeia lateral que varia seu estado de protonação acabam apresentando cargas positivas Assim esses três aminoácidos são polares e podem apresentar cargas positivas Entretanto em pH fi siológico em torno de 70 apenas a arginina e a lisina apresentarão carga líquida positiva já que o pK da protonação do nitrogênio do anel imidazol da histidina é 60 diferente dos pKs dos grupos amino da arginina e da lisina que são próximos de 100 de forma que esse aminoácido só se encontra com carga líquida positiva em pHs abaixo de 60 Resumindo podemos classificar os aminoácidos em quatro grandes grupos apolares aromáticos polares sem carga e polares com carga positiva ou negativa Veja a Tabela 81 Tabela 81 Classifi cação dos aminoácidos Os vinte aminoácidos constituintes de proteínas Aminoácidos apolares Aminoácidos aromáticos Aminoácidos polares sem carga Aminoácidos polares carregados Glicina Alanina Valina Leucina Isoleucina Prolina Metionina Fenilalanina Tirosina Triptofano Serina Treonina Cisteína Asparagina Glutamina Lisina Arginina Histidina Aspartato Glutamato C E D E R J 167 AULA 8 MÓDULO 1 Vale dizer que há uma outra classifi cação de aminoácidos bem mais simples do que essa que não leva em consideração as estruturas químicas das moléculas mas que só vale para humanos aminoácidos essenciais e nãoessenciais Aminoácidos essenciais são aqueles que nosso organismo não é capaz de sintetizar e que por isso são essenciais à nossa dieta Os não essenciais são aqueles para os quais dispomos de vias de síntese Para saber quais são produzidos por nosso organismo e quais precisamos comer veja a Tabela 82 Tabela 82 Aminoácidos que são essenciais e os que não são essenciais à dieta dos seres humanos Aminoácidos essenciais Aminoácidos nãoessenciais Leucina Glicina Isoleucina Alanina Valina Tirosina Triptofano Serina Fenilalanina Ácido Aspártico Treonina Ácido Glutâmico Metionina Asparagina Lisina Glutamina Histidina Cisteína Arginina Prolina Repare que a maioria dos aminoácidos que produzimos são aqueles cujas estruturas pudemos comparar com as de outros aminoácidos ex serina alanina OH OUTROS AMINOÁCIDOS Existem portanto vinte aminoácidos que podem ser encontrados em todas as proteínas sejam elas proteínas de uma bactéria de uma planta ou de um mamífero Entretanto podemos encontrar outros aminoácidos além dos vinte já listados em um grupo restrito de proteínas Eles são modifi cados por enzimas específi cas após já estarem formando a estrutura das proteínas Bioquímica I Introdução aos aminoácidos 168 C E D E R J correspondentes Os exemplos mais clássicos são a 4hidroxiprolina e a 5hidroxilisina Figura 813 presentes na proteína colágeno você verá mais detalhadamente esses aminoácidos quando tratarmos do colágeno na Aula 15 Figura 813 4Hidroxiprolina e 5hidroxilisina dois aminoácidos raros na constituição de proteínas presentes somente em proteínas como o colágeno Observe que eles são apenas modifi cações da prolina e da lisina pela inserção de uma hidroxila OH Outros exemplos importantes são a ornitina e a citrulina Figura 814 que não são encontradas em proteínas mas participam de vias metabólicas importantes no nosso organismo como o ciclo da uréia conforme veremos em Bioquímica II Prolina 4Hidroxiprolina 4Hidroxilisina Lisina Cadeia lateral Cadeia lateral Grupamento ácido Grupamento amino Grupamento amino Carbono α Carbono α Ornitina Citrulina Figura 814 Ornitina e Citrulina não fazem parte da constituição de proteínas mas têm função metabólica importante C E D E R J 169 AULA 8 MÓDULO 1 OS AMINOÁCIDOS DAS PROTEÍNAS SÃO SEMPRE L AMINOÁCIDOS VOCÊ SABE O QUE É ISSO Em todos os aminoácidos o carbono α está ligado a quatro constituintes diferentes à exceção da glicina na qual o grupo R é um átomo de H Em tal situação dizemos que esse carbono é assimétrico ou seja que não há igualdade entre nenhum dos radicais de forma que não há simetria na molécula se você cortar a molécula ao meio com uma linha que passe pelo carbono α não verá igualdade nas duas metades Figura 815 Fórmula estrutural da alanina que mostra o carbono central carbono α ligado a quatro radicais diferentes amina R1 carboxila R2 hidrogênio R3 e metila R4 Por ter quatro radicais diferentes ligados a esse carbono α ele é chamado assimétrico À exceção da glicina todos os aminoácidos possuem o carbono α assimétrico Todo carbono assimétrico é também chamado carbono quiral A maior característica dos carbonos ou centros quirais é terem imagens especulares que não podem ser sobrepostas perfeitamente Complexo Calma você já vai entender o que isso signifi ca Primeiro vamos a um exemplo mais cotidiano Faça a experiência se tiver um espelho por perto ou se não apenas tente imaginar Projete sua mão direita a uma distância de aproximadamente 5 centímetros do espelho Agora encoste sua mão esquerda no espelho só que com a palma voltada para você Compare a imagem da sua mão direita com a sua mão esquerda encostada no espelho São iguais não são Dizemos que a sua mão esquerda é a imagem especular imagem no espelho da sua mão direita Pois é Mas e se você quiser colocar a sua mão direita em cima da sua mão esquerda ambas com as palmas voltadas para baixo Isso não será possível Veja a Figura 816 Alanina Bioquímica I Introdução aos aminoácidos 170 C E D E R J Figura 816 Embora suas mãos pareçam iguais e uma seja a imagem especular da outra não é possível colocar a direita sobre a esquerda Fonte wwwsxchu Embora pareçam iguais elas são apenas parecidas e há elementos os dedos em lugares diferentes em uma e em outra O mesmo acontece com uma molécula que tem um carbono quiral Veja na Figura 817 o que acontece com a alanina Foto Giuseppe Crimeni Espelho Figura 817 Embora no espelho as duas imagens da alanina pareçam ser exatamente a mesma estrutura isso não é verdade As posições de R1 e R3 na estrutura do lado esquerdo estão trocadas em relação à do lado direito Os quatro grupos R que formam os aminoácidos podem ocupar dois arranjos diferentes no espaço em relação a um plano os quais não são perfeitamente sobreponíveis não é possível projetar um sobre o outro C E D E R J 171 AULA 8 MÓDULO 1 Resumindo para cada molécula de aminoácido há duas estruturas possíveis Essas duas possibilidades estruturais representam os ESTEREOISÔMEROS desses aminoácidos que são chamados de D destrógero nome derivado de lado direito e L levógero derivado de lado esquerdo A alanina por exemplo pode ser chamada de Dalanina ou de Lalanina dependendo da posição de seus grupos R ESTEREOISÔMEROS Moléculas quase iguais que possuem os mesmos átomos os mesmos grupamentos funcionais mas apresentam diferente organização espacial dos seus átomos A designação L ou D foi proposta por Emil Fisher em 1891 quando este pesquisador caracterizou as formas D e L do gliceraldeído um intermediário do metabolismo da glicose nas nossas células você aprenderá sobre essa molécula em Bioquímica II Agora que você já sabe o que é um Laminoácido podemos explicar por que as proteínas só possuem Laminoácidos isso acontece porque as enzimas que sintetizam os aminoácidos possuem SÍTIOS ATIVOS capazes de sintetizar apenas as formas L dos aminoácidos SÍTIO ATIVO Local onde ocorre a reação química catalisada pela enzima Apenas alguns poucos peptídeos pequenos segmentos de aminoácidos de bactérias possuem aminoácidos na forma D No nosso organismo os Daminoácidos são produzidos por enzimas que convertem os Laminoácidos em Daminoácidos Essas enzimas são específicas para cada aminoácido e não são abundantes Na verdade não se conhece racemases nome que se dá a esse grupo de enzimas para todos os aminoácidos no nosso organismo Está querendo saber por que temos uma enzima que produz aminoácidos que não vão ser utilizados para constituir proteínas Faz todo sentido Acontece que os Daminoácidos produzidos têm funções especiais em geral associadas ao sistema nervoso central como é o caso da Dserina CONCLUSÃO Os aminoácidos são moléculas fundamentais para a vida pois são as unidades formadoras de todas as proteínas dos organismos Entender a estrutura desses aminoácidos é importante para que nas próximas aulas você entenda a maneira como as proteínas se estruturam espacialmente Bioquímica I Introdução aos aminoácidos 172 C E D E R J ATIVIDADE FINAL Carbonos quirais A seguir você encontrará diversos pares de moléculas Identifi que nelas a se há carbono assimétrico e qual é aponte na fi gura b se a molécula é quiral c se uma é a imagem especular da outra Dupla 1 a b c Dupla 2 a b c Dupla 3 a b c 2 C E D E R J 173 AULA 8 MÓDULO 1 Dupla 4 a b c RESPOSTA COMENTADA Antes de mais nada é preciso que você tenha em mente as defi nições de carbono assimétrico molécula quiral e imagem especular Carbono assimétrico é aquele que possui ligados a si quatro radicais diferentes e que faz com que nenhum plano que se trace sobre a molécula dê origem a duas metades iguais simétricas Toda molécula que possui um carbono assimétrico é uma molécula quiral cujo centro quiral é esse carbono Para ser quiral o refl exo dessa molécula em um espelho imaginário não pode ser sobreponível à molécula original assim como suas mãos que embora pareçam exatamente iguais são apenas uma a imagem especular da outra A partir daqui podemos começar a responder à atividade A Dupla 1 tem um único carbono que é assimétrico portanto a molécula é quiral Se você imaginar um espelho entre as duas moléculas representadas verá que a da direita é exatamente a imagem especular da esquerda Na Dupla 2 o carbono do meio é assimétrico também e por isso a molécula é quiral Novamente imaginando um espelho entre as duas verá que uma é a imagem especular da outra Na Dupla 3 temos apenas um átomo de carbono que possui 3 radicais diferentes ligados a ele o Br se repete ou seja este carbono não é assimétrico Se você olhar a molécula da direita num espelho verá que a da esquerda representa exatamente seu refl exo Olhando com um pouco mais de cuidado perceberá que a molécula da esquerda pode ser sobreposta à da direita na verdade o refl exo é exatamente igual à molécula original Por isso não é uma molécula quiral Por fi m na Dupla 4 temos novamente apenas três radicais diferentes ligados ao carbono o que faz com que ele não seja assimétrico A molécula da direita é o refl exo da molécula da esquerda se você analisar com atenção verá que não é possível sobrepôlas Isso faz dessa molécula diferentemente da molécula da Dupla 3 uma molécula quiral mesmo não tendo carbono assimétrico Bioquímica I Introdução aos aminoácidos 174 C E D E R J Os aminoácidos são moléculas que apresentam um grupamento amino NH3 e um grupamento carboxila COOH característico dos ácidos orgânicos Há vinte aminoácidos constituintes de proteínas os quais podem ser agrupados de duas maneiras de acordo com a capacidade de síntese em humanos em essenciais à dieta e nãoessenciais ou em uma classifi cação mais geral de acordo com suas características químicas Glicina alanina prolina valina leucina isoleucina e metionina são aminoácidos que não possuem nem carga líquida nem polaridade sendo pouco solúveis em água os aminoácidos aromáticos triptofano tirosina e fenilalanina são também pouco solúveis em água e por possuírem um anel aromático são os mais volumosos dos vinte aminoácidos Grupamentos formados por carboxilas oxigênio enxofre e nitrogênio proporcionam a alguns aminoácidos características polares quer sejam neutros ou carregados No primeiro caso encontramos a serina a treonina a cisteína a asparagina e a glutamina No segundo precisamos de uma subdivisão a lisina a histidina e a arginina são carregadas positivamente ao passo que o aspártico e o glutâmico são carregados negativamente Outra questão importante sobre a estrutura dos aminoácidos que constituem proteínas é o fato de que tirando a glicina todos possuem um carbono quiral ou seja têm quatro radicais diferentes ligados ao carbono α As duas formas possíveis de cada aminoácido são chamadas D e L Constituindo proteínas na maior parte dos organismos há apenas aminoácidos na forma L pois as enzimas que os sintetizam são capazes de fazêlo somente dessa maneira Entender a estrutura desses aminoácidos é fundamental para a compreensão futura das conformações que as proteínas compostas por eles assumem R E S U M O objetivos Meta da aula Apresentar as propriedades químicas dos aminoácidos que os fazem capazes de receber ou doar prótons Ao fi nal desta aula você deverá ser capaz de caracterizar o comportamento de um aminoácido em solução aquosa defi nir a carga líquida de um aminoácido de acordo com seu estado de protonação relacionar o grupamento do aminoácido com seu pK de dissociação identifi car o estado de protonação de um aminoácido de acordo com o pH em que este se encontra Propriedades químicas dos aminoácidos I 9 A U L A Prérequisitos Para acompanhar com tranqüilidade esta aula é importante que você tenha em mente como funciona uma substância tampão o que você aprendeu na Aula 7 Além disso não deixe de rever também nessa mesma aula o que é pK de uma substância 1 2 3 4 Bioquímica I Propriedades químicas dos aminoácidos I 176 C E D E R J INTRODUÇÃO Na aula passada você aprendeu que a estrutura genérica de um aminoácido é formada por um carbono α ligado a uma amina NH3 uma carboxila COOH um hidrogênio H e um radical R variável Os diferentes radicais R é que fazem com que tenhamos muitas estruturas de aminoácidos possíveis dentre as quais apenas vinte aparecem como formadoras de proteínas As proteínas são moléculas fundamentais à vida e têm diversas funções no nosso organismo Uma das funções que as proteínas podem assumir é funcionarem como catalisadoras aceleradoras de reações químicas Proteínas que têm essa função são denominadas enzimas Uma enzima precisa muitas vezes receber ou doar prótons para uma outra molécula transformandoa Um exemplo Quando fazemos exercício físico intenso é comum que nosso músculo comece a trabalhar com pouco oxigênio fazendo unicamente a quebra de glicose para gerar energia O produto fi nal deste processo é uma molécula chamada piruvato O piruvato em uma situação anaeróbica de pouco oxigênio não tem nenhum destino e tenderia a se acumular dentro da célula Só que isso não acontece pois nós temos uma enzima capaz de converter o piruvato em uma outra molécula o lactato Nesta reação há duas vantagens 1 acontece a regeneração de um composto necessário para que a quebra da glicose continue acontecendo e 2 o lactato gerado pode ser secretado na corrente sangüínea não se acumulando no músculo Por que estamos falando tudo isso Veja as estruturas do piruvato e do lactato Figura 91 O produto fi nal da quebra da glicose é chamado de piruvato O piruvato é convertido em lactato pela adição de hidrogênios na sua molécula sinalizado com a seta larga Quem faz essa reação é uma enzima chamada lactato desidrogenase que pega o H do NADH Para pegar esse H a enzima precisa ser capaz de ligálo a ela e depois transferilo para outro composto O NAD gerado é importante para a quebra da glicose continuar acontecendo Piruvato Lactato Lactato desidrogenase NADH NAD C E D E R J 177 AULA 9 MÓDULO 1 O lactato é muito parecido com o piruvato diferindo apenas pelo H que foi adicionado ao oxigênio apontado com a seta larga Os hidrogênios adicionados vieram de um composto chamado NADH O NADH doou o seu H para a lactato desidrogenase que foi capaz de se ligar a esse hidrogênio Isso só aconteceu porque no sítio ativo desta enzima há aminoácidos capazes de receber um hidrogênio e em seguida transferilo para o piruvato convertendoo em lactato Concluindo as enzimas são capazes de receber e doar prótons por causa dos aminoácidos que as compõem A importância de um fenômeno como este é muito grande pois uma enormidade das reações no nosso organismo acontece por adição ou retirada de hidrogênios catalisadas por enzimas Você terá melhor dimensão disso em Bioquímica II Agora que você já tem uma idéia de como é importante um aminoácido doar ou receber prótons que tal entender como isso funciona de fato O COMPORTAMENTO DOS AMINOÁCIDOS EM SOLUÇÃO Quando um Laminoácido é dissolvido em água ele pode apresentar uma região carregada positivamente a parte da amina NH3 e uma região carregada negativamente a parte da carboxila COO Isso sempre acontece em pH 70 Veja a Figura 92 Figura 92 Em pH 70 um aminoácido apresenta uma região carregada positivamente amina e outra carregada negativamente carboxila Quando uma molécula apresenta duas cargas distintas em duas regiões da sua estrutura dizemos que essa molécula é um íon dipolar também chamado de ZWITERION ou anfólito Essa dualidade de cargas faz com que o aminoácido possa atuar tanto como ácido quanto como base Figura 93 ZWITERION Vem do alemão íon híbrido e signifi ca que uma molécula tem uma parte com carga negativa e outra com carga positiva podendo funcionar tanto como ácido quanto como base de BronstedLowry Bioquímica I Propriedades químicas dos aminoácidos I 178 C E D E R J Cuidado para não confundir Você acabou de ver que um aminoácido pode ter uma região com carga positiva e outra com carga negativa sendo um íon dipolar Cuidado para não confundir com o que aprendeu sobre a água que também é chamada de dipolar mas NÃO apresenta cargas reais como os aminoácidos apenas cargas parciais geradas pelo deslocamento da nuvem eletrônica para perto do átomo de oxigênio Figura 93 Um aminoácido pode se comportar como uma base recebendo um próton e fi cando com carga positiva ou como um ácido doando um próton e fi cando com um excesso de elétrons carga negativa Qual dos dois comportamentos a molécula vai assumir dependerá de uma mudança de pH no meio para ácido ou para básico Então vamos a alguns exemplos O que aconteceria se dissolvêssemos um aminoácido em pH 2 solução ácida Mudança de pH e concentrações de H Vale a pena lembrarmos que a escala de pH varia de forma logarítmica Isso quer dizer que se mudarmos o pH de 7 para 6 por exemplo estamos aumentando a concentração de prótons na solução em 10 vezes e não em uma vez como poderia parecer Se mudarmos o pH de 7 para 5 aumentamos a concentração de hidrogênios livres em 100 vezes e assim por diante Por outro lado se subirmos o pH de 7 para 9 diminuímos a concentração de prótons em 100 vezes Podemos diminuir o pH de uma solução adicionando ácidos como por exemplo ácido clorídrico e ácido sulfúrico Podemos também aumentar o pH de uma solução adicionando uma base como hidróxido de sódio ou hidróxido de potássio Para refrescar sua memória reveja a Aula 6 Comportamento de base Comportamento de ácido C E D E R J 179 AULA 9 MÓDULO 1 Se dissolvermos o aminoácido em pH 2 solução ácida ocorrerá a entrada de prótons na molécula do aminoácido já que neste pH a quantidade de prótons livres é 100000 vezes maior do que em pH 7 Com esta concentração de prótons muito mais elevada aliada à presença de grupos protonáveis neste valor de pH a tendência será esses prótons se ligarem à molécula de aminoácido Assim um aminoácido em pH ácido tenderá a receber prótons ou seja a se comportar como uma base 1 Caracterizando o comportamento de um aminoácido Na seqüência do que você acabou de aprender nesta aula sobre aminoácidos que se comportam diferentemente dependendo do pH da solução em que se encontram se dissolvermos o aminoácido em uma solução com pH 9 solução básica a Quantas vezes a concentração de H desta solução é maior ou menor do que em uma solução com pH 7 b Os prótons tenderão a se agregar ou a se dissociar dos grupamentos protonáveis da molécula Assim o aminoácido está exibindo comportamento de ácido ou de base RESPOSTAS COMENTADAS Em uma solução de pH 7 a H 107 enquanto em uma solução de pH 9 a concentração de H é 109 ou seja 100 vezes menor do que em uma solução de pH 7 Portanto se dissolvermos o aminoácido em uma solução com pH 9 solução básica na qual a concentração de prótons livres é 100 vezes menor do que em pH 7 ocorrerá a saída de prótons da molécula do aminoácido ATIVIDADE 1 Bioquímica I Propriedades químicas dos aminoácidos I 180 C E D E R J Estes dois casos extremos que você acabou de ver pH muito ácido e muito alcalino podem parecer drásticos e pouco realísticos mas na verdade não são pois nosso organismo não se mantém sempre em pH neutro no estômago onde se dá a digestão das proteínas o pH pode chegar a 15 ou 2 é provável que os aminoácidos aí encontrem em situação bastante parecida com a primeira nos lisossomas das nossas células onde muitas de nossas proteínas são degradadas e recicladas o pH pode atingir valores em torno de 5 muitas bactérias podem viver em ambientes de pHs tanto muito ácidos como muito básicos O fato de um aminoácido ser capaz de receber ou de doar prótons de acordo com a concentração de H a que é submetida lembra algo que você aprendeu nas últimas aulas Pense um pouco se você adicionar prótons a uma solução e estes prótons imediatamente se associarem a uma molécula portanto não fi carem livres o pH da solução vai ser alterado imediatamente Ora em situações como a descrita anteriormente ou seja adição de H sem alteração do pH a molécula presente na solução está funcionando como um tampão Veja na seção a seguir com mais detalhes como os aminoácidos podem exercer este papel CURVAS DE TITULAÇÃO DOS AMINOÁCIDOS Vamos tomar como exemplo a glicina Figura 94 já que é o aminoácido mais simples de todos e observar o que ocorre com sua molécula quando ela é exposta à variação de pH Figura 94 A estrutura da glicina em pH neutro 70 O grupamento lateral está destacado em cinzaclaro e os grupamentos ionizáveis em cinzaescuro Em pH 7 a molécula se apresenta com uma carga positiva sobre sua porção amino NH3 e com uma carga negativa sobre a porção carboxílica COO Glicina C E D E R J 181 AULA 9 MÓDULO 1 Em pH ácido por exemplo pH 1 conforme você já sabe a concentração de H livre é alta Em uma situação como essa a tendência desses prótons é de se agregarem às moléculas que sejam capazes de receber um próton como é o caso dos aminoácidos Neste pH como existe muito H livre a glicina está completamente protonada isto é sua carboxila recebeu um próton está na forma COOH e o seu grupamento amino na forma NH3 Enquanto a carboxila vai seqüestrando prótons do meio o pH da solução se mantém constante Observe a Figura 95 ainda utilizando a glicina como exemplo e entenda molecularmente o que está acontecendo Figura 95 Em pH neutro a glicina apresenta sua carboxila ionizada COO Em pH ácido por exemplo 1 a concentração de H é alta representada pelos H em torno da glicina de tal maneira que o grupamento carboxila é protonado recebe um próton do meio Em pH neutro a glicina encontravase com a carboxila dissociada COO Em pH ácido a glicina fi ca completamente protonada ou seja com sua carboxila na forma COOH e o seu grupamento amino na forma NH3 Por ter recebido um próton que neutralizou sua carga negativa COO COOH sua carga líquida passou a valer 1 E se adicionarmos a esta solução de pH 1 gotas de uma base forte como KOH hidróxido de potássio por exemplo Uma base forte se dissocia imediatamente em solução aquosa o pH tenderá a subir já que a hidroxila OH do KOH roubará os prótons livres da solução formando água H OH H2O A associação entre H e OH fará Aumentando a acidez Em pH 1 Em pH 7 Glicina Glicina Glicina Bioquímica I Propriedades químicas dos aminoácidos I 182 C E D E R J com que a concentração de H no meio diminua com menos prótons livres o pH sobe para valores mais altos Ao alcançar o pH 7 você já sabe como estará a fórmula da glicina volte à Figura 94 Vamos então continuar adicionando mais hidróxido de potássio O pH continuará a subir até um ponto em que mesmo colocando mais hidróxido de potássio ele passa a não se alterar muito O que está ocorrendo neste momento Veja a Figura 96 Figura 96 Dependendo do pH em que o aminoácido se encontra seus grupamentos se encontrarão protonados ou desprotonados Em pH ácido a alta concentração de H faz com que todos os grupamentos estejam completamente protonados em pH neutro só metade dos grupamentos está protonado por fi m quando o pH é básico a baixa concentração de H no meio promove a dissociação destes íons do aminoácido fazendo com que ele se encontre 100 desprotonado Nesse valor de pH o grupamento COOH da glicina começa a perder seu próton passando à forma COO Os prótons da solução roubados pela hidroxila adicionada são compensados pelos prótons liberados pela carboxila da glicina o que faz com que o pH não se altere Podemos dizer que ela atuou como um tampão pois ao perder o hidrogênio da carboxila evitou que o pH da solução subisse muito A carga líquida do aminoácido nesta situação é 1 Figura 97 Glicina protonada Glicina parcialmente protonada Glicina desprotonada Em pH ácido Em pH neutro Em pH básico C E D E R J 183 AULA 9 MÓDULO 1 Gráfi co 91 Comportamento do pH de uma solução de glicina a partir da adição de uma base forte Quantidade de OH adicionada em equivalentes 0 05 1 15 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 pH Observe o Gráfi co 91 Se continuarmos a adicionar mais hidróxido de potássio todas as moléculas de glicina perderão seu hidrogênio da carboxila e então o pH da solução voltará a subir muito rapidamente Sua carga líquida nesse ponto é nula Figura 97 Adicionando mais e mais hidróxido de potássio percebemos que há um segundo momento no qual o pH da solução não se altera mais E agora o que será que está acontecendo A resposta é simples Uma vez que adicionamos muito hidróxido de potássio o pH da solução fi cou em torno de 8 ou 9 ou seja a concentração de prótons livres fi cou muito baixa e a concentração de hidroxilas livres tornouse relevante O grupamento amino da glicina passa a perder seu próton NH3 NH2 que se junta às hidroxilas provenientes da base formando água Com isso o pH da solução fi ca inalterado Sua carga neste ponto é 1 Figura 97 e o pH da solução já está básico acima de 7 Bioquímica I Propriedades químicas dos aminoácidos I 184 C E D E R J Figura 97 Resumo do que ocorre com a glicina quando o pH da solução sobe Em pH ácido todos os grupamentos estão protonados a carga da carboxila é nula e a do grupamento amino 1 em pH neutro a carboxila está desprotonada carga 1 e a amina protonada 1 fazendo com que a carga líquida da glicina seja nula Em pH básico todos os grupamentos estão desprotonados a carboxila vale 1 e a amina não tem carga Quantidade de H no aminoácido x Quantidade de H no meio Analisando a relação entre a quantidade de prótons em um aminoácido em relação ao meio em que este se encontra podemos dizer que em um meio ácido a concentração alta de prótons faz com que estes se associem aos aminoácidos Assim em pH ácido os aminoácidos estão completamente protonados em um meio alcalino a concentração de prótons é baixa de tal maneira que faz com que os prótons da molécula de aminoácido se dissociem e fi quem livres no meio Assim em pH básico os aminoácidos estão completamente desprotonados em pH neutro 70 a carboxila está dissociada está na forma COO e a amina está protonada NH3 Em pH ácido Carga líquida 1 Em pH neutro Carga líquida 0 Em pH básico Carga líquida 1 C E D E R J 185 AULA 9 MÓDULO 1 2 Qual é a carga Veja a estrutura dos aminoácidos a seguir A leucina e a isoleucina assim como a glicina são dois aminoácidos apolares Eles apresentam grupamentos laterais quase iguais não fosse pela organização diferenciada dos átomos de carbono Sobre esses dois aminoácidos responda a Qual é o estado de protonação destas moléculas Leucina completamente protonado parcialmente protonado completamente desprotonado Isoleucina completamente protonado parcialmente protonado completamente desprotonado b As estruturas apresentadas têm que carga líquida Leucina 1 zero 1 Isoleucina 1 zero 1 c Em pH ácido portanto as cargas líquidas dessas moléculas seriam Leucina 1 zero 1 Isoleucina 1 zero 1 d Em pH alcalino portanto as cargas líquidas dessas moléculas seriam Leucina 1 zero 1 Isoleucina 1 zero 1 ATIVIDADE Leucina Isoleucina 2 Bioquímica I Propriedades químicas dos aminoácidos I 186 C E D E R J RESPOSTAS COMENTADAS Repare que as estruturas da leucina e da isoleucina estão com uma carga positiva sobre a amina e uma carga negativa sobre a carboxila Isso signifi ca que as moléculas já sofreram desprotonação de um de seus grupamentos ionizáveis estão parcialmente protonadas No estado em que estão representadas tanto uma quanto outra molécula têm carga líquida zero Este estado de protonação de ambas é condizente com uma região de pH em torno de 7 ou seja neutra Se colocássemos estas duas substâncias em pH ácido a alta concentração de prótons faria com que a carboxila fi casse na forma COOH e as moléculas estariam completamente protonadas A carga líquida em pH ácido portanto seria 1 COOH neutro e NH3 1 Já em pH alcalino a situação se inverteria As moléculas liberariam seus prótons para o meio os quais iriam reagir com hidroxilas livres formando água Totalmente desprotonadas as moléculas estariam com carga negativa no grupamento COO e nenhuma carga sobre o grupamento amino o que na soma perfaz uma carga líquida de 1 Leucina Isoleucina C E D E R J 187 AULA 9 MÓDULO 1 Resumindo há pelo menos dois momentos em que um aminoácido pode impedir alterações no pH de uma solução ou seja pode agir como tampão Momento 1 Quando o aminoácido está em meio bastante ácido está comple tamente protonado grupamentos nas formas COOH e NH3 Neste momento se adicionarmos uma base à solução o pH começará a subir até uma determinada região que depende do aminoácido em questão mas que é ainda na faixa de pH ácido e as carboxilas começarão a sofrer dissociação COOH COO liberando prótons no meio e mantendo a concentração de H constante Em pH 70 os aminoácidos encontramse com a carboxila α desprotonada carga negativa e a amina protonada carga positiva Momento 2 Quando um aminoácido está em um meio de pH neutro e continuamos a adicionar uma base a este meio o pH da solução subirá até um determinado ponto na faixa do básico Neste momento os grupamentos amino começarão a se dissociar NH3 NH2 liberando prótons para o meio Estes prótons reagirão com as hidroxilas livres formando água e por alguns instantes por mais que adicionemos mais base o pH se manterá constante Assim como todo tampão o comportamento da glicina em uma solução em que ocorre mudança de pH pode também ser expresso por uma curva de titulação Reveja o Gráfi co 91 Repare que há neste gráfi co duas regiões destacadas uma em pH ácido e outra em pH alcalino Nestas duas regiões a inclinação da curva se altera fi cando menos acentuada Isso signifi ca que nesses trechos hidroxilas estão sendo adicionadas sem que haja uma alteração expressiva do pH da solução Isso acontece porque este aminoácido se comporta como um ácido fraco liberando prótons de acordo com a mudança de pH do meio Como a glicina tem dois grupamentos capazes de liberar um próton cada um existem duas faixas de pH em que este aminoácido funciona como um tampão Bioquímica I Propriedades químicas dos aminoácidos I 188 C E D E R J De posse dessas informações pense um pouco será que existe uma ordem na remoção dos prótons que estão presos à molécula do aminoácido Ou será que os prótons saem sempre juntos independente do grupo ao qual estão presos Se há uma ordem qual grupamento perde próton primeiro durante a curva de titulação a carboxila ou o grupamento amino A resposta para estas questões não é difícil A carboxila é um grupamento ácido cuja tendência é de perder prótons quando colocada em solução aquosa A afi nidade da carboxila pelo próton não é muito elevada Já o grupamento amino NH3 se comporta como uma base de BronstedLowry ou seja uma molécula que costuma receber um próton O grupamento amino portanto é um grupamento que tem grande afi nidade por prótons Desta forma de fato existe uma ordem na saída dos prótons da molécula do aminoácido Os grupamentos que têm mais facilidade de perder seus prótons o fazem nas primeiras adições de hidroxila Os grupamentos que têm mais afi nidade pelos seus prótons perdemnos apenas quando a quantidade de hidroxila adicionada é muito alta ou seja em pH mais básico É exatamente a menor ou a maior afi nidade de um grupamento por seu próton que vai determinar a forma da curva de titulação Entendendo afinidade Podemos comparar o compor tamento dos aminoácidos em soluções cujo pH está variando de ácido a básico grosseiramente ao que ocorre por exemplo quando o vento sopra em uma árvore com folhas amarelas que estão fracamente presas ao galho ou com folhas verdes jovens e bem fixadas ao galho Obviamente as folhas amarelas são as primeiras a cair ao chão e só com um vento mais forte é que as folhas verdes então caem No nosso caso o vento é a hidroxila que estamos adicionando à solução de aminoácidos e as folhas amarelas e verdes são os prótons que devem cair ou sair da molécula Obviamente os prótons que são como as folhas amarelas que estão menos presos são primeiramente removidos da molécula e os prótons que são como as folhas verdes são removidos posteriormente Logo fazendo a analogia entre um aminoácido e a nossa árvore de folhas amarelas e verdes o próton da carboxila é tipo folha amarela e o próton do grupo amino é tipo folha verde C E D E R J 189 AULA 9 MÓDULO 1 Outra coisa importante para você reparar é que há um ponto assinalado na curva em torno do pH 23 bem no meio da região destacada Esse ponto representa o pK dos grupamentos carboxila do aminoácido ou seja o valor de pH no qual metade das carboxilas está protonada e a outra metade está desprotonada Figura 98 Figura 98 Detalhe do Gráfi co 91 destacando a região onde o tamponamento acontece por desprotonação da carboxila O ponto assinalado na curva pH em torno de 23 representa o pK deste grupamento carboxila ou seja o valor de pH em que metade dessas COOH está protonada e metade não Para a glicina este pK vale precisamente 234 Observe agora a região destacada do gráfi co em torno do pH 95 onde também há um ponto assinalado O que este ponto representa Na faixa de pH básico o grupamento amino se dissocia liberando um próton NH3 NH2 O ponto assinalado revela o pK deste grupamento ou seja o valor de pH no qual metade das aminas está protonada e a outra metade está desprotonada Figura 99 Quantidade de OH 05 0 1 15 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 pH 0 1 2 3 4 0 05 1 pK1 234 50 COOH e 50 COO Quantidade de OH pH Bioquímica I Propriedades químicas dos aminoácidos I 190 C E D E R J Figura 99 Detalhe do Gráfi co 91 destacando a região onde o tamponamento acontece por desprotonação da amina O ponto assinalado na curva pH em torno de 95 representa o pK deste grupamento amino ou seja o valor de pH em que metade dessas NH3 está protonada e metade não Para a glicina este pK vale precisamente 960 Por que esta explicação toda sobre pKs Para você ver como de fato os aminoácidos são tampões eles possuem grupamentos ionizáveis os quais se dissociam em um determinado valor de pH Assim como para os tampões que você aprendeu na Aula 7 o valor de pH em que você encontra metade de um grupamento ionizável do aminoácido protonado corresponde ao pK deste grupamento CONCLUSÃO Um aminoácido possui pelo menos dois grupamentos capazes de liberar prótons quando está em solução a carboxila α e a amina α isto é os grupamentos carboxila e amina ligados ao carbono α da molécula de aminoácido Estes dois grupamentos fazem com que a curva de titulação de um aminoácido revele pelo menos dois pKs Aminoácidos cujos grupamentos laterais apresentam radicais ionizáveis capazes de se dissociar apresentarão mais de dois pKs É isso que você aprenderá na aula que vem 05 0 1 15 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 pH 0 8 9 10 11 0 05 1 15 2 12 13 Quantidade de OH pK2 960 50 NH3 e 50 NH2 Quantidade de OH pH C E D E R J 191 AULA 9 MÓDULO 1 ATIVIDADE FINAL pH pK e estrutura dos aminoácidos As propriedades que tornam as proteínas fundamentais à vida estão diretamente relacionadas com as características químicas dos aminoácidos que as compõem A seguir você encontra dois aminoácidos apolares a alanina e a valina cada um com seus pKs representados Suas tarefas são a Relacionar os pKs aos grupamentos a que eles se referem se são pKs para dissociação da COOH ou da NH3 Alanina pK1 24 carboxila amina pK2 97 carboxila amina Valina pK1 23 carboxila amina pK2 96 carboxila amina b Identifi car circulando qual é a estrutura destes dois aminoácidos em pH 5 analise novamente os pKs apresentados na letra a Alanina Valina 3 4 Bioquímica I Propriedades químicas dos aminoácidos I 192 C E D E R J c Agora considere que esses aminoácidos estão em uma solução de pH 11 Circule a estrutura correspondente a cada aminoácido nesta condição Alanina Valina RESPOSTAS COMENTADAS De acordo com o que você aprendeu nesta aula os aminoácidos se comportam em solução aquosa como ácidos fracos Isso é o mesmo que dizer que eles são capazes de doar prótons de acordo com o meio em que se encontrem Grupamentos que possuem menos afi nidade pelos prótons tenderão a liberálos em água após pequenos aumentos na concentração de OH Com pequenos aumentos no pH de uma solução pela adição de OH de uma base forte a carboxila sofre dissociação Assim os pKs de valores mais baixos 24 para a alanina e 23 para a valina se referem à dissociação do grupamento COOH que passa a COO O valor de pK mais alto 97 para a alanina e 96 para a valina se refere à dissociação da amina NH3 NH2 A amina se dissocia somente quando as concentrações de prótons caem muito pois ela é uma base de BronstedLowry ou seja tem tendência a receber e não a doar prótons C E D E R J 193 AULA 9 MÓDULO 1 Tanto para a alanina quanto para a valina o pH 5 é maior do que o pK de dissociação da carboxila e menor do que o pK de dissociação da amina Isso signifi ca que a carboxila está dissociada mas a amina ainda não Nesta situação as estruturas encontradas são Já em pH 11 o grupamento amino também encontrase dissociado As estruturas encontradas portanto são Valina Alanina Valina Alanina Bioquímica I Propriedades químicas dos aminoácidos I 194 C E D E R J Os aminoácidos por apresentarem grupamentos tituláveis como o grupamento COOH e NH3 comportamse em solução como um tampão Se você observar a curva de titulação dos aminoácidos quando é adicionada uma base forte à solução é possível perceber algumas regiões desta curva onde o pH da solução não se altera Nessas regiões ocorre a saída de prótons dos grupamentos tituláveis presentes no aminoácido que neutralizam as hidroxilas adicionadas Assim em uma solução ácida a adição de uma base forte provocará a liberação de prótons do grupamento carboxila COOH COO do aminoácido neutralizando a base adicionada Pela adição de mais base todas as carboxilas já se encontram na forma COO e não há mais prótons liberados por esse grupamento para conter mudanças no pH Se a concentração de OH continuar aumentando chegará um ponto em que começará a dissociação do grupamento amino NH3 NH2 também liberando prótons no meio mantendo o pH da solução constante As variações no estado de protonação de um aminoácido também acarretam mudanças na carga fi nal da molécula Para um aminoácido com dois grupamentos dissociáveis há três cargas possíveis o estado completamente protonado confere carga 1 quando está parcialmente protonado a carga é nula por fi m quando está completamente desprotonado a carga do aminoácido é 1 R E S U M O INFORMAÇÃO SOBRE A PRÓXIMA AULA Continuaremos com este assunto na próxima aula quando você verá a titulação do ácido glutâmico um aminoácido ácido e da lisina um aminoácido básico Se você ainda tem dúvida quanto à titulação da glicina vale a pena uma releitura desta aula antes de seguir adiante objetivos Meta da aula Apresentar as propriedades químicas de aminoácidos ácidos e básicos em solução aquosa Ao fi nal desta aula você deverá ser capaz de interpretar o que são os platôs de uma curva de titulação identifi car os grupamentos ionizáveis de um aminoácido de acordo com o pH da solução em que ele se encontra calcular a carga líquida de uma molécula de aminoácido de acordo com seu grau de ionização interpretar o que signifi cam os pKs de um aminoácido defi nir ponto isolétrico Mais propriedades químicas dos aminoácidos 10 A U L A Prérequisitos Para acompanhar bem esta aula é preciso que você tenha em mente o que já aprendeu sobre o comportamento de um aminoácido de cadeia lateral não carregada em solução aquosa tema tratado na aula passada Revise a dissociação dos grupamentos carboxila e amino bem como a curva de titulação da glicina 1 2 3 4 5 Bioquímica I Mais propriedades químicas dos aminoácidos 196 C E D E R J INTRODUÇÃO Na aula passada você viu o que ocorre com a glicina em solução aquosa A glicina é um aminoácido apolar ou seja um aminoácido cuja cadeia lateral um hidrogênio não se dissocia Na glicina a CARBOXILA α e a AMINA α é que são responsáveis por sua capacidade de atuar como um tampão Estes dois grupamentos em solução aquosa são capazes de liberar ou de se associar a prótons dependendo da concentração de H no meio Dessa maneira eles funcionam como ácidos quando doam H ou bases quando aceitam H de BronstedLowry Na Aula 8 você aprendeu que existem vinte aminoácidos de interesse para a bioquímica pois são constituintes das proteínas um grupo de biomoléculas muito importante Naquela ocasião você estudou as estruturas desses aminoácidos e viu que alguns deles apresentam cadeia lateral com grupamentos polares carregados ou não Exemplos destes aminoácidos são o ácido glutâmico e a lisina O ácido glutâmico é aminoácido de caráter ácido com uma cadeia lateral constituída por uma carboxila Esta cadeia lateral é carregada negativamente em pH neutro Figura 101a e quando o aminoácido está com esta carga negativa é chamado de glutamato A lisina Figura 101b por sua vez é um aminoácido básico que apresenta uma amina no seu grupamento lateral Esta amina em pH neutro encontrase protonada ou seja na forma NH3 conferindo à molécula de aminoácido uma carga positiva CARBOXILA α E AMINA α Carboxila COOH e amina NH2 ligadas ao carbono α de um aminoácido Figura 101 Os aminoácidos ácido glutâmico a e lisina b em pH neutro quando estão com seus grupamentos laterais ionizáveis O glutâmico neste pH apresenta duas cargas negativas e uma positiva somando uma carga líquida igual a 1 Nesta situação este aminoácido é chamado de glutamato A lisina apresenta em pH 70 duas cargas positivas e uma negativa somando carga líquida igual a 1 Glutamato em pH 7 Carga líquida 1 1 1 1 Lisina em pH 7 Carga líquida 1 1 1 1 Carga 1 Carga 1 Carga 1 Carga 1 Carga 1 Carga 1 a b C E D E R J 197 AULA 10 MÓDULO 1 Agora que você já se lembrou de como são estes aminoácidos que tal aprender um pouco sobre o comportamento deles em solução aquosa TITULANDO O ÁCIDO GLUTÂMICO Não precisa fi car confuso Ácido glutâmico e glutamato são a mesma molécula só que em estados de protonação diferentes Observe a Figura 102 correspondente à titulação do ácido glutâmico por uma base forte o hidróxido de potássio KOH Figura 102 Titulação do ácido glutâmico pela adição de uma base forte a qual aumenta ao se dissociar a quantidade de OH reduzindo a concentração de H livres O que são os pKs você verá depois da explicação sobre a dissociação dos grupamentos ionizáveis Veja que embora não estejam bem defi nidos existem três platôs três patamares nesta curva Você sabe por que eles existem Sabe a que se referem dica analise novamente a estrutura do ácido glutâmico na Figura 101a Se você respondeu que a existência dos três platôs se deve à existência de três grupamentos ionizáveis na molécula do ácido glutâmico marcou um belo gol Como você sabe os prótons se dissociam das moléculas de acordo com a afi nidade que possuem os grupamentos aos quais estes H estão ligados 0 20 30 15 2 4 6 8 10 pK1 219 pK2 967 Glutamato pKR 425 OH equivalentes Bioquímica I Mais propriedades químicas dos aminoácidos 198 C E D E R J Assim grupamentos ácidos têm tendência maior a liberar prótons O primeiro platô se deve à saída do hidrogênio da carboxila α o segundo se deve à saída do hidrogênio ligado à carboxila do grupamento R À medida que o pH vai aumentando ou seja a concentração de H vai diminuindo grupamentos que naturalmente não são bons doadores de prótons como é o caso das aminas acabam se dissociando também O terceiro platô portanto referese à saída do hidrogênio do grupamento amino Vamos explorar passo a passo a curva de titulação mostrada na Figura 102 começando com o ácido glutâmico em pH bem ácido como por exemplo pH 1 Em pH 1 o ácido glutâmico apresentase completamente protonado suas duas carboxilas estão na forma COOH e seu grupamento amino na forma NH3 Desta maneira ele apresenta carga 1 conforme mostra a Figura 103 Figura 103 Estrutura do ácido glutâmico em pH 1 bastante ácido Todos os grupamentos da molécula encontramse protonados somando carga líquida para o aminoácido 1 À medida que adicionamos hidróxido de potássio à solução o pH da solução vai se elevando até um ponto em que não sobe mais início do primeiro platô Neste ponto no primeiro platô do gráfi co referente à primeira dissociação o próton da carboxila ligada ao carbono α é que está se dissociando enquanto isso acontece o pH da solução pouco se altera Carga 1 Carga 0 Carga 0 Glutâmico em pH 1 Carga líquida 0 0 1 1 C E D E R J 199 AULA 10 MÓDULO 1 Continuando a adição de hidróxido de potássio vemos que o pH da solução sobe gradualmente Nesse momento a estrutura da molécula é a representada na Figura 104 O pH sobe até atingir um valor por volta de 3 no qual se forma um segundo platô Nesse ponto próximo ao pKR segundo platô do gráfi co referente à dissociação do grupamento lateral R é o próton da carboxila do grupamento R que está deixando a molécula do ácido glutâmico Em curvas de titulação de aminoácidos com três grupamentos ionizáveis os dois da estrutura de todo aminoácido mais o do grupamento lateral chamaremos o valor de pH em que o grupamento lateral se dissocia de pKR Figura 104 Ácido glutâmico em pH em torno de 3 Neste pH a carboxila ligada ao carbono α já se dissociou apresentando carga 1 Os outros dois grupamentos ionizáveis da molécula continuam protonados a carboxila do grupamento lateral R apresenta carga 0 e a amina uma carga positiva A carga líquida da molécula por volta do pH 3 é nula Carga 1 Carga 1 Carga 0 Glutâmico em pH 3 Carga líquida 1 1 0 0 Quando o próton da carboxila ligada ao grupamento R se dissocia da molécula o que acontece durante o segundo platô e acaba por volta do pH 55 a carga líquida da molécula se altera assim como sua estrutura Nesse ponto o ácido glutâmico está como representado na Figura 105 Bioquímica I Mais propriedades químicas dos aminoácidos 200 C E D E R J Figura 105 O aminoácido glutâmico em pH 55 Neste pH a quantidade de prótons no meio é tal que o segundo grupamento carboxila da molécula se dissocia A carga líquida da molécula neste pH é 1 pois há um grupamento com carga 1 a amina e dois com carga 1 cada A adição de mais hidróxido de potássio na solução de aminoácido que já estava em pH 55 acarreta uma rápida subida do pH até que tem início o terceiro platô em torno de pH 9 na região do pK2 o próton do grupamento amino passa a deixar a molécula do glutamato Figura 106 Obviamente o primeiro e o segundo platôs não fi cam muito evidentes e acabam por se misturar já que por serem muito próximos o fi m de um passa a ser o começo do outro É importante que você tenha em mente que mesmo não sendo aparentemente tão defi nidos eles se referem cada um a um grupamento que se dissociou O primeiro foi a carboxila α o segundo a outra carboxila da molécula Carga 1 Carga 1 Carga 1 Glutâmico em pH 55 Carga líquida 1 1 1 1 C E D E R J 201 AULA 10 MÓDULO 1 Figura 106 Estrutura do aminoácido glutâmico em pH 11 Neste valor de pH a concentração de hidrogênio é baixa fazendo com que a amina NH3 doe seus prótons para a solução Este grupamento quando está desprotonado NH2 tem carga 0 A carga líquida da molécula nesse pH vale 2 O glutamato portanto funciona como um tampão para três faixas de pH diferente do que você viu na aula passada para os demais aminoácidos Assim como ele todos os aminoácidos que apresentam três grupamentos dissociáveis se comportarão da mesma maneira em uma solução cujo pH esteja sofrendo variações TITULANDO A LISINA Até agora você aprendeu como o ácido glutâmico se dissocia conforme o pH da solução em que ele se encontra vai aumentando Além do fato de ambos serem aminoácidos a lisina e o glutâmico têm mais uma característica em comum que é o fato de ambos apresentarem mais de dois grupamentos ionizáveis A diferença é que o glutâmico possui uma carboxila na sua cadeia lateral o que o faz ser um aminoácido ácido enquanto a lisina possui uma amina no seu grupamento R sendo classifi cada como um aminoácido básico se você não se lembra da estrutura da lisina em pH neutro volte à Figura 101 no início desta aula Que tal aprender a titular um aminoácido básico fazendo uma atividade Carga 0 Carga 1 Carga 1 Glutâmico em pH 9 Carga líquida 0 1 1 2 Bioquímica I Mais propriedades químicas dos aminoácidos 202 C E D E R J 1 Titulando a lisina Suponha que haja uma solução aquosa na qual esteja presente o aminoácido lisina Nesta solução pouco a pouco serão adicionadas gotas de hidróxido de potássio uma base bastante forte A base gota a gota aumentará o pH da solução concorda Veja o gráfi co a seguir a A que se referem os platôs indicados com as setas b No trecho anterior você viu que no ácido glutâmico primeiro se dissocia a carboxila α em seguida a carboxila do grupamento lateral e por último a amina Isso acontece porque as carboxilas têm menos afi nidade pelo próton do que as aminas e por isso os liberam em pHs mais baixos do que as aminas fazem Entre dois grupamentos idênticos como as duas carboxilas do glutâmico o que está associado ao grupamento lateral é que apresenta maior afi nidade pelo próton ou seja que vai se dissociar por último Considerando essas informações complete a estrutura da lisina nos diferentes pHs indique quais são os grupamentos ionizados em cada valor de pH preencha a lacuna para a carga de cada grupamento e calcule a carga líquida da molécula ATIVIDADE 2 4 6 10 8 12 11 9 7 5 3 1 10 20 30 Comportamento da lisina em solução aquosa frente à adição de KOH OH equivalentes 1 2 3 C E D E R J 203 AULA 10 MÓDULO 1 c Relacione a curva de titulação com as estruturas que você completou Em outras palavras aponte no gráfi co o trecho da curva em que as estruturas a b c e d podem ser encontradas RESPOSTA COMENTADA A lisina é um aminoácido básico que apresenta em sua cadeia lateral uma amina NH3 Como você viu na Aula 8 todos os aminoácidos funcionam como tampões Isso acontece pois frente a variações na concentração de prótons do meio em que se encontram seus grupamentos carboxila e amino sofrem dissociação liberando prótons para a solução Dessa maneira os aminoácidos controlam variações drásticas do pH do meio Carga Carga Carga Lisina em pH 1 Carga líquida Lisina em pH 4 Carga líquida Carga Carga Carga a b Carga Carga Carga Carga Carga Carga Lisina em pH 9 Carga líquida Lisina em pH 11 Carga líquida c d Bioquímica I Mais propriedades químicas dos aminoácidos 204 C E D E R J Os platôs vistos no gráfi co de titulação do aminoácido lisina se referem às dissociações que esse aminoácido sofreu por estar em uma solução em que foi adicionada uma base forte o hidróxido de potássio A adição da base forte faz com que a concentração de hidroxilas OH aumente e conseqüentemente que a concentração de H diminua A diminuição na concentração de prótons fará com que pouco a pouco os grupamentos carboxila α amina α e amina R da cadeira lateral se dissociem também O primeiro grupamento a se dissociar é a carboxila por ter menor afi nidade pelo próton em seguida se dissocia a amina α e por último a amina da cadeia lateral As estruturas as cargas de cada grupamento e a carga líquida fi cam dessa maneira a b c d Carga 1 g Carga 0 Carga 0 g Carga 1 Carga 0 Lisina em pH 11 Carga líquida 1 0 0 1 Carga 0 g Carga 1 Carga 1 Lisina em pH 9 Carga líquida 1 0 1 0 Carga 1 Lisina em pH 1 Carga líquida 0 1 1 2 Lisina em pH 3 Carga líquida 1 1 1 1 Carga 1 g Carga 1 Carga 1 C E D E R J 205 AULA 10 MÓDULO 1 De acordo com os valores de pH em cada quadro a b c e d você pode facilmente encaixar as estruturas no gráfi co da titulação Veja como fi ca CONSTANTES DE EQUILÍBRIO Antes de encerrarmos este estudo de curvas de titulação de aminoácidos devemos ainda fazer algumas análises muito importantes Precisamos primeiro definir as constantes de equilíbrio de ionização dos grupamentos dos aminoácidos e seus pKs Relembrando Na Aula 7 foi definida a constante de equilíbrio da dissociação de um ácido KaVimos que quanto maior for o valor de Ka mais forte é o ácido em questão Por outro lado também aprendemos que pKa significa log Ka da mesma forma que pH log H Antes de prosseguirmos vamos observar o seguinte exemplo Ácido forte ácido fosfórico Ka 725 x 103 M pKa log 725 x 103 214 Ácido fraco ácido carbônico Ka 447 x 107M pKa log 447 x 107 635 Logo podemos inferir que quanto mais forte o ácido maior o Ka e menor o pKa Tendo isto em mente vamos agora analisar os pKa dos aminoácidos 2 4 6 10 8 12 11 9 7 5 3 1 10 20 30 Comportamento da lisina em solução aquosa frente à adição de KOH OH equivalentes A B C D Bioquímica I Mais propriedades químicas dos aminoácidos 206 C E D E R J Em nossa analogia da árvore Aula 9 o pK seria como uma medida de quão amarela está a folha da árvore Quanto menor o pK mais facilmente um grupo perde seu próton ou seja quanto menor o pK mais amarela seria a folha e mais forte é o ácido Para você entender mais facilmente o signifi cado do pK dos aminoácidos volte à curva de titulação da glicina que foi discutida na aula passada Reveja então as Figuras 98 e 99 da Aula 9 A curva de titulação da glicina apresenta dois pKs conhecidos como pK1 e pK2 O seu pK1 é 234 e o pK2 960 os pKs de todos os grupamentos ionizáveis de todos os aminoácidos estão na Tabela 101 no fi nal desta aula O que signifi ca isto O que ocorre com a glicina quando ela está em pH 234 e 96 Signifi ca que quando o pH da solução na qual se encontra a glicina atingir o valor de 234 metade das glicinas terão suas carboxilas ainda protonadas COOH como no começo da curva de titulação e metade das glicinas terão suas carboxilas já desprotonadas COO Podemos dizer que se tirássemos um retrato da nossa solução de glicina em pH 234 iríamos encontrála assim Figura 107 Estado de protonação das glicinas em pH 234 o seu valor de pK1 Estas duas formas coexistem em pH 234 50 estariam assim 50 estariam assim e C E D E R J 207 AULA 10 MÓDULO 1 Voltando ao que você aprendeu na Aula 7 observe pH pK log ionizado nãoionizado pH pK log glicinaCOO glicinaCOOH Acabamos de comentar que em pH 234 temos 50 das glicinas com suas carboxilas protonadas e 50 desprotronadas Logo glicina COO glicina COOH 1 Aplicando esta informação na expressão anterior temos pH pK log 1 Como o log de 1 é igual a zero a equação se reduz a pH pK Portanto o pK do grupamento de uma molécula equivale ao valor de pH em que metade das moléculas possuem este grupamento na forma protonada e metade das moléculas na forma desprotonada Observe por completo e não dividido como no fi nal da Aula 9 a curva da titulação da glicina Se você pudesse observar a distribuição das moléculas de glicina próxima ao fi nal do primeiro platô aproximadamente pH 334 como você imagina que seria Acertou se você disse que as carboxilas estariam quase que completamente na forma desprotonada Curva da titulação da glicina 2 4 6 10 8 12 11 9 7 5 3 1 0 0 05 1 15 2 OH equivalentes pH pK1 234 pI1 597 pK2 960 Glicina 13 Bioquímica I Mais propriedades químicas dos aminoácidos 208 C E D E R J Observe Ou seja a proporção entre as carboxilas protonadas e desprotonadas vai se alterando em função do pH E em pH 96 como estaria a distribuição das formas de glicina Neste pH encontraremos as formas Essas formas estão presentes na proporção 50 50 em pH 96 porque este é o segundo pK da glicina ou seja o valor de pH no qual metade das moléculas já teve seu grupamento amina dissociado e a outra metade ainda não Agora você reparou que há um ponto assinalado bem no meio da curva de titulação da glicina no qual está escrito pI 597 O que isso signifi ca você vai aprender em seguida logo depois de fazer a Atividade 2 2 Interpretando pK O ácido aspártico é um aminoácido de caráter ácido que pode sofrer dissociação de três grupamentos a carboxila α a amina α e a carboxila R aquela ligada à cadeia lateral Analise os quadros 1 e 2 a seguir ATIVIDADE 50 estariam assim 50 estariam assim e 134 334 234 999999 das glicinas protonadas 0000001 das glicinas desprotonadas 50 das glicinas protonadas 50 das glicinas desprotonadas 000001 das glicinas desprotonadas 999999 das glicinas protonadas pH gli glicina próton protonada despróton desprotonada 4 C E D E R J 209 AULA 10 MÓDULO 1 Curva de titulação do ácido aspártico Agora responda a Em pH 21 quais são as formas da molécula de ácido aspártico que estão presentes e qual a proporção entre elas b Em pH 39 quais são as formas da molécula de ácido aspártico que estão presentes e qual a proporção entre elas c Em pH 98 quais são as formas da molécula de ácido aspártico que estão presentes e qual a proporção entre elas RESPOSTA COMENTADA Esta atividade lhe permitiu monitorar se de fato você entendeu o signifi cado do pK O pK é o valor de pH em que encontramos metade das formas protonada e a outra metade desprotonada É o valor de pH em que a concentração de H é tal que metade dos grupos dissociáveis naquela faixa já sofreu dissociação 140 20 40 60 80 100 120 0 05 15 10 20 25 30 pK1 21 pK2 39 pK2 98 Completamente protonado Completamente desprotonado A B C D 1 pH 2 COOH yCOO COO COO COO A B C D 140 20 40 60 80 100 120 OH equivalentes Bioquímica I Mais propriedades químicas dos aminoácidos 210 C E D E R J O ácido aspártico assim como o ácido glutâmico que você aprendeu a titular no início da aula é um aminoácido ácido com três grupamentos ionizáveis duas carboxilas e uma amina As carboxilas como você já sabe têm menos afi nidade pelos prótons do que as aminas e por isso se dissociam em pHs mais baixos Assim no primeiro platô da curva de titulação do ácido aspártico o grupamento que se dissociou foi a carboxila α Em seguida se dissociou a carboxila da cadeia lateral e por último em pH básico a amina ligada ao carbono α No gráfi co estão indicados os pKs de dissociação destes grupamentos No pK1 ou seja em pH 21 metade das formas já dissociou o próton da carboxila a e outra metade ainda não Assim neste pH 50 estão na forma A e os outros 50 na forma B O segundo platô se refere à dissociação da carboxila ligada à cadeia lateral No valor de pH indicado como pK2 39 50 das moléculas estão na forma B e os outros 50 já se dissociaram e estão na forma C O terceiro platô em pH básico se refere à dissociação da amina Em pH 98 o pK3 dessa molécula metade delas se encontram na forma C e a outra metade completamente desprotonada ou seja na forma D Entender o signifi cado do pK dos aminoácidos é muito importante para esta disciplina Portanto se fi cou alguma dúvida a respeito desse assunto não deixe de revisar o trecho da aula que não fi cou claro ou se julgar necessário esclarecêlo com um tutor quer por telefone pela plataforma ou presencialmente 3 Responda rápido A titulação da valina com uma base forte por exemplo NaOH resulta em dois pKs A reação de titulação que ocorre em torno do pK2 pH 962 corresponde a ATIVIDADE Valina em pH ácido 2 C E D E R J 211 AULA 10 MÓDULO 1 O QUE É PONTO ISOELÉTRICO Uma outra região da curva de titulação também muito importante é o ponto isoelétrico ou pI O pI é o valor de pH onde o aminoácido titulado tem carga líquida igual a zero No caso da glicina você viu no gráfi co da titulação mostrado anteriormente que o seu pI é igual a 597 Isto signifi ca que em pH 597 a glicina se encontra sem carga ou seja na forma Carga 1 Carga 1 Carga líquida 0 a COOH OH COO H2O b COOH NH2 COO NH2 c NH3 OH NH2 H2O d NH2 OH NH H2O RESPOSTA COMENTADA A valina é um aminoácido apolar que possui dois grupamentos ionizáveis apenas a carboxila e a amina ligadas ao carbono α No segundo pK o grupamento que se dissocia é a amina que estava na forma protonada NH3 e fi ca na forma desprotonada NH2 Assim a resposta correta é a letra c Mas de onde veio esse valor 597 Será que existe uma maneira fácil de se conhecer o pI de cada aminoácido A resposta é positiva e nestes casos a Matemática nos auxilia muito No caso da glicina para saber seu pI sem precisar de fazer uma curva de titulação basta usar a fórmula a seguir Bioquímica I Mais propriedades químicas dos aminoácidos 212 C E D E R J pI ½ pK1 pK2 234 96 2 597 Ou seja o pI fi ca na metade do caminho entre o pK1 e o pK2 Já sei o que você está pensando E o que acontece quando o aminoácido possui 3 pKs Esta fórmula que você acabou de ver é válida somente para os aminoácidos que não apresentam grupamento R titulável isto é grupamentos capazes de perder ou ganhar prótons Em outras palavras vale somente para os que possuem 2 pKs Antes de continuarmos dê uma olhadinha na Tabela 101 que mostra os valores de pK1 e pK2 de todos os vinte aminoácidos bem como os valores de pKR para os aminoácidos com grupamentos R tituláveis Tabela 101 Os aminoácidos seus valores de pK1 pK2 pKR e pI Aminoácido pK1 COOH pK2 NH3 pKR pI Grupo R nãopolar alifáticos Glicina 234 960 597 Alanina 234 969 601 Valina 232 962 597 Leucina 236 960 598 Isoleucina 236 968 602 Metionina 228 921 574 Grupos R aromáticos Fenilalanina 183 913 548 Tirosina 220 911 1007 566 Triptofano 238 939 589 Grupos R polares nãocarregados Serina 221 915 568 Prolina 199 1096 648 Treonina 211 962 587 Cisteína 196 1028 818 507 Asparagina 202 880 541 C E D E R J 213 AULA 10 MÓDULO 1 Glutamina 217 913 565 Grupos R carregados positivamente Lisina 218 895 1053 974 Histidina 182 917 600 759 Arginina 217 904 1248 1076 Grupos R carregados negativamente Aspartato 188 960 365 277 Glutamato 219 967 425 322 Observe que os valores de pK1 variam um pouco dependendo do aminoácido em questão embora todos esses valores estejam relacionados à desprotonação da carboxila Isto ocorre devido à infl uência dos outros átomos da molécula do aminoácido os quais podem facilitar ou difi cultar a saída do próton da carboxila O mesmo ocorre com o pK2 Voltando à pergunta como calcular o pI para aminoácidos que possuem um grupamento lateral R ionizável apresentam pKR A resposta é bem simples tanto quanto o cálculo que você terá que fazer Só é necessário saber qual é o caráter do aminoácido Assim para calcularmos os valores de pI dos aminoácidos ácidos devemos apenas considerar os pK1 e o pKR No caso dos aminoácidos básicos consideramos o pK2 e o pKR assim pI do ácido glutâmico pK1 pKR 2 219 425 2 322 pI da lisina pK2 pKR 2 895 1053 2 974 4 Sobre pI Pense e responda os aminoácidos com grupos R neutros em qualquer valor de pH abaixo do pI a não apresentarão em sua maioria grupos carregados b não apresentarão em sua maioria carga líquida c terão em sua maioria uma carga líquida positiva d terão em sua maioria carga positiva e negativa em concentração igual e terá em sua maioria carga líquida negativa ATIVIDADE 5 Bioquímica I Mais propriedades químicas dos aminoácidos 214 C E D E R J CONCLUSÃO A partir da próxima aula você começará a aprender sobre as proteínas suas estruturas e técnicas utilizadas para estudálas Assim como as estruturas que as compõem os aminoácidos as proteínas também têm pI Uma das técnicas utilizadas para separação de proteínas para que elas possam ser estudadas individualmente é de acordo com seu ponto isoelétrico Este conceito é bastante importante para o estudo das proteínas RESPOSTA COMENTADA O ponto isoelétrico é o ponto em que a carga líquida de um aminoácido é nula Para um aminoácido que não apresente grupamento lateral ionizável o pI signifi ca que todas as moléculas estão com suas carboxilas na forma ionizada COO e com as aminas protonadas NH3 Abaixo do pI será possível encontrar carboxilas ainda protonadas COOH carga 0 fazendo com que a carga líquida da molécula seja positiva Portanto a resposta certa é a c Só para complementar usando a mesma lógica qual seria a carga líquida da valina acima do pI ATIVIDADE FINAL Aminoácidos e cargas elétricas Em uma aula prática de bioquímica o professor pediu que os alunos observassem a migração de um aminoácido sob a ação de um campo elétrico com pólos positivos e negativos Uma gota de uma solução do aminoácido alanina foi pingada em um papel apropriado para este tipo de experimento Em seguida este papel foi imerso em uma outra solução cujo pH era 601 5 C E D E R J 215 AULA 10 MÓDULO 1 João um dos alunos observou que a alanina não se movia na direção de nenhum pólo Se você fosse o professor como explicaria a seu aluno o fato observado O que aconteceria se o aluno utilizasse em vez de pH 601 outro valor de pH como por exemplo 100 RESPOSTA COMENTADA Já ouviu o ditado Os opostos se atraem Esse ditado vem na verdade do estudo da interação entre as cargas elétricas Átomos ou moléculas de cargas opostas tendem a se atrair Assim se uma molécula apresenta carga positiva tende a se aproximar de um pólo negativo Com os aminoácidos não é diferente Se aplicamos a um aminoácido um campo elétrico ele se moverá na direção do pólo de carga oposta à sua Um aminoácido com carga negativa por exemplo migrará para o pólo positivo assim como um aminoácido de carga negativa migrará para o pólo positivo A carga de um aminoácido varia de acordo com o pH da solução em que ele se encontra pois é isso que determina seu grau de protonação e as cargas de seus grupamentos ionizáveis Quando um aminoácido que apresente dois grupamentos ionizáveis como a alanina está com suas carboxilas ionizadas na forma COO com carga 1 e suas aminas protonadas NH3 com carga 1 sua carga líquida é nula Neste valor de pH ou seja no seu ponto isoelétrico esse aminoácido não migrará para nenhum dos pólos Portanto a alanina não migrou porque sua carga em pH 601 equivalente a seu pI é nula Em qualquer outro valor de pH ela apresentaria migração Se em pH pI é possível que ainda haja carboxilas protonadas fazendo com que a carga líquida de algumas moléculas seja 1 e que elas migrem para o pólo negativo Já se pH pI os grupamentos amina já estarão se dissociando e a carga líquida dessas moléculas que já se dissociaram é 1 fazendo com que elas migrem para o pólo positivo Bioquímica I Mais propriedades químicas dos aminoácidos 216 C E D E R J INFORMAÇÃO SOBRE A PRÓXIMA AULA Na próxima aula você começará a estudar como se formam as proteínas um grupo de biomoléculas fundamental à vida Até lá Titular aminoácidos com uma base forte faz com que a concentração de H caia e promova como conseqüência a dissociação dos grupamentos ionizáveis destas moléculas Os aminoácidos ácidos e básicos apresentam uma curva de titulação mais complexa do que a glicina por exemplo Isso porque seus grupamentos R também podem perder prótons COOH no caso dos aminoácidos ácidos ou doar prótons NH3 no caso dos aminoácidos básicos Conforme uma base forte é adicionada em uma solução a concentração de H vai diminuindo Se esta solução é composta por um aminoácido que possua apenas dois grupamentos ionizáveis ela terá duas faixas de tamponamento se for composta por aminoácidos com três grupamentos ionizáveis apresentarão três Em um determinado valor de pH no meio da faixa de tamponamento de um grupamento é possível encontrar metade desses grupamentos protonados e a outra metade desprotonada Este valor de pH é chamado de pK e um aminoácido tem tantos pKs quanto grupamentos ionizáveis Outro ponto importante de uma curva de titulação é o pI ou seja o valor de pH em que a carga da molécula é nula R E S U M O C E D E R J 217 Bioquímica I Referências 218 C E D E R J Aula 1 COX Nelson Lehninger principles of biochemistry 3 ed New York Worth Publishers 2000 Aula 2 COX Nelson Lehninger principles of biochemistry 3 ed New York Worth Publishers 2000 STOWE Keith The ocean science 2 ed Canadá Wiley editors 1993 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO PAULO UNIFESP Disponível em http wwwunifespbr Acesso em 22 jun 2007 WOLLARD K E SOLOMON D O grande circo da siência júnior Lisboa Grodiva Júnior 1993 Aula 3 COX Nelson Lehninger principles of biochemistry 3 ed New York Worth Publishers 2000 Aula 4 COX Nelson Lehninger principles of biochemistry 3 ed New York Worth Publishers 2000 Aula 5 BOHAK Z Purifi cation and characterization of chicken pepsinogen and chicken pepsin Journal of Biological Chemistry v 244 n 17 p 46384648 1969 COX Nelson Lehninger principles of biochemistry 3 ed New York Worth Publishers 2000 TERCI daniela Brotto Lopes ROSSI Adriana Vitorino Indicadores naturais de pH usar papel ou solução Química Nova v 25 n 4 p 684688 jul 2002 C E D E R J 219 Aula 6 COX Nelson Lehninger principles of biochemistry 3 ed New York Worth Publishers 2000 GAMA MS AFONSO J C De Svante Arrhenius ao peagâmetro digital 100 anos de medida de acidez Química Nova online 2006 Disponível em http quimicanovasbqorgbrNo20PreloAGeraisAG05151pdf Acesso em 22 jun 2007 Aula 7 COX Nelson Lehninger principles of biochemistry 3 ed New York Worth Publishers 2000 Aula 8 COX Nelson Lehninger principles of biochemistry 3 ed New York Worth Publishers 2000 NÚCLEO DE AÇÕES E PESQUISA EM APOIO DIAGNÓSTICO Universidade Federal de Medicina Disponível em httpwwwnupadmedicinaufmgbrtriagem fenilconceitohtm Acesso em 22 jun 2007 PHENYLKETONURIA Disponível em httpwwwncbinlmnihgovdisease Phenylketohtml Acesso em 22 jun 2007 Aula 9 COX Nelson Lehninger principles of biochemistry 3 ed New York Worth Publishers 2000 Aula 10 COX Nelson Lehninger principles of biochemistry 3 ed New York Worth Publishers 2000 Maiores informações wwwsantacabrinirjgovbr Serviço gráfi co realizado em parceria com a Fundação Santa Cabrini por intermédio do gerenciamento laborativo e educacional da mãodeobra de apenados do sistema prisional do Estado do Rio de Janeiro ISBN 9788576844325 9 7 8 8 5 7 6 8 4 432 5