TERMODINÂMICA, ÁGUA E OS SISTEMAS VIVOS (PH e TAMPÓES

Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Instituto de Biociências
REG209 – Bioquímica Fundamental
REGESD

Questionário 1 –
Termodinâmica e Água e os sistemas vivos (pH e tampões)

QUESTIONÁRIO CORRIGIDO
Respostas elaboradas por acadêmicos de Biologia, tutor IURI e professora Fabiana Horn.

1) Explique a primeira e a segunda leis da termodinâmica
Primeira lei: A primeira lei da termodinâmica afirma que a energia(U) é conservada, não pode ser criada nem destruída. A variação de energia ∆U é definida como a difrença entre o calor(q) absorvido pelo sistema ao meio externo e o trabalho realizado(w) pelo sistema sobre o meio externo. ∆U= U final- U inicial ou ∆U= q-w (SANDRA PAULA FERRARI)
De acordo com a segunda lei da termodinâmica, os processos espontâneos são caracterizados pela conversão de ordem em desordem. Nesse contexto, a desordem é definida como o número de modos energeticamente equivalentes de arranjar os componentes de um sistema. O grau de desordem de um sistema é indicado pela entropia, quanto maior a desordem maior é a entropia, ou seja, maior é o numero de modos energeticamente equivalente de arranjar os componentes do sistema, maior numero de combinações possiveis, isso é maximo quando o sistema atinge o equilíbrio. (CELINA CORBELLINI)

2) Por que podemos considerar células sistemas abertos ?
As células são sistemas abertos porque consomem nutrientes, liberam subprodutos e geram calor e trabalho e por isso, nunca podem estar em equilíbrio. (CELINA CORBELLINI)

3) Qual a importância da entropia e da entalpia nos sistemas biológicos?
A entropia e a entalpia determinam a espontaneidade de um processo, como as reações químicas, ou seja, podem ser mais ou menos espontâneas dependendo da variação de entalpia e da entropia e isso é determinante nos sistemas biológicos, pois podem regular as reações que ocorrem facilmente e as que necessitam ser catalisadas pela ação enzimática, podendo ser pontos chaves de regulação das rotas metabólicas (IURI)


4) Cite e explique duas propriedades da água importantes do ponto de vista biológico
Calor específico é a quantidade de energia que se deve fornecer a uma substância para elevar a sua temperatura em 1 ºC. Em função da forte organização das moléculas de água pela formação de pontes de hidrogênio, a água é a substância de maior calor específico da natureza. O papel da água nos organismos vivos é a moderação térmica, uma vez que os seres vivos são ¾ de água. Sendo necessária uma grande quantidade de energia para aumentar em 1 ºC a temperatura da água, será necessário fornecer muito calor para alterar a temperatura corpórea de uma animal. (CELINA CORBELLINI)

Viscosidade é a resistência de um fluido ao escoamento. A água é a substância de maior tensão superficial, entretanto sua viscosidade é baixíssima. Esse contraste pode ser explicado pelo rearranjo das pontes de hidrogênio entre as moléculas, o que acontece a cada 10-11 segundos. Um aspecto importante da viscosidade do plasma é a sua função hemodinâmica. Alterações que tornam o sangue mais viscoso irão requerer um maior trabalho cardíaco para realizar o bombeamento. Pacientes com uma doença conhecida como hipercolesterolemia familiar não conseguem absorver o colesterol da circulação. Esse acúmulo de gordura aumenta a viscosidade do sangue e conduz a um maior esforço cardíaco, podendo levar à insuficiência cardíaca. (CELINA CORBELLINI)

Densidade
Cerca de ¾ da composição dos tecidos biológicos deve-se a água e portanto, a densidade desses tecidos é similar a da água. Uma exceção é observada em tecidos pobres em água, como o tecido ósseo, o que lhes confere a resistência mecânica necessária para manutenção do esqueleto. A densidade dos líquidos biológicos é próxima a da água mas sempre maior, pois além de água, os fluidos do corpo contêm proteínas e gorduras. O líquido sinovial possui uma viscosidade muito alta, já que sua função é de lubrificação, portanto não pode escoar. (SANDRA PAULA FERRARI)

5) Qual a importância da tensão superficial na respiração de mamíferos?
Em um líquido que esteja em contato com um outro meio, como o ar, as moléculas localizadas na interface líquido-ar formam uma monocamada extremamente compacta, que delimita a superfície líquida. A força necessária para qualquer molécula atravessar essa camada é denominada tensão superficial. A água é a substância de maior tensão superficial da natureza.
Essa propriedade dificulta as trocas gasosas no nível dos alvéolos nos mamíferos terrestres. Na superfície do alvéolo existe uma fina camada de água e esse filme líquido apresenta uma tensão superficial tão alta que impede a passagem de gases. Para os gases atravessarem a barreira líquida eles deveriam exercer uma força muito grande. O organismo resolveu este problema secretando substâncias que reduzem a tensão superficial nessa região, os surfactantes. O surfactante tem uma natureza anfipática, ou seja, possui uma porção polar em sua molécula e uma porção apolar (geralmente lipídica), como observado nos detergentes. Sendo um detergente, a região polar atrai algumas moléculas de água da superfície do filme líquido e estabelece interação com a região. Além disso, as moléculas do surfactante podem se intercalar entre as moléculas de água da monocamada para propiciar a exposição da região apolar com o ar e assim desfazer a continuidade do filme líquido. Assim sendo, os gases podem transitar e as trocas gasosas (hematose) podem ocorrer sem problemas.


Leitura complementar:
Entre a 12-14º semana de gestação, produz-se o surfactante pulmonar pelos pneumócitos tipo II, formado principalmente por uma substância chamada dipalmitoil lecitina. Quando o recém-nascido não possui surfactante, um grave quadro de cianose se estabelece – a doença da membrana hialina do recém-nascido. Para solucionar esse problema faz-se uso da administração de surfactantes sintéticos em aerossol ou uso de compostos tiólicos (contendo o grupamento SH) como a N-acetilcisteína. Em nascimentos prematuros é possível a administração de uma alta dose de glicocorticóides cerca de 48 h antes do parto para acelerar a maturação dos pneumócitos. Os adultos também podem apresentar quadros agudos da doença em função de outras patologias como a acidose metabólica, edema pulmonar, em casos de afogamento ou em cirurgias cardíacas que fazem uso da circulação extracorpórea.
Além de dificultar as trocas gasosas, a alta tensão superficial dessa fina camada de líquido que recobre a superfície do alvéolo forma uma camada tão compacta que pode impedir a abertura do alvéolo. É como se o filme de líquido puxasse as parede dos alvéolos até que eles colabassem. O surfactante reduz a tensão superfical e assim impede que os alvéolos colabem. (IURI)


6) A lagartixa é um réptil com impressionante capacidade de subir superfícies lisas, inclusive vidro. Descobertas recentes indicam que a lagartixa pode se colar às superfícies lisas por meio de interações de van de Waals entre os septos dos seus pés e a superfície lisa. Qual a vantagem desse método de ser pegajoso sobre as interações covalentes? Não seria mais interessante a formação de pontes de hidrogênio ou ligações covalentes?

As interações de van de Walls são mais fracas que as ligações covalentes e de hidrogênio, portanto para as moléculas interagirem precisam estar muito próximas (muito mais do que ligações covalentes e iônicas, que podem se dar em distâncias maiores entre os atomos), de maneira que as patas da lagartixa estão muito próximas também da superficie, dessa maneira esse tipo de ligação propicia uma maior aproximação e um maior contato, sendo então “pegajosa” (IURI)


7) Explique por que não há ligações de hidrogênio entre moléculas de CH4.
Ligações (ou pontes) de hidrogênio são formadas entre moléculas que possuem um átomo muito eletronegativo como flúor, oxigênio, enxofre ou nitrogênio, então se forma uma interação entre esse átomo e o hidrogênio da outra molécula. Isso ocorre pois esse átomo muito eletronegativo tem uma atração maior pelos elétrons e acaba atraindo mais o elétron do H, logo fica um polo mais negativo (com maior densidade de elétrons) e um polo mais positivo (com menor densidade de elétrons); dessa forma o polo negativo de uma molécula (átomo eletronegativo) atrai o polo positivo de outra (hidrogênio), formando o que se chama de ligações ou pontes de H, ocorre entre moléculas como a água.
O CH4 não forma ligações de hidrogênio entre suas moléculas, pois o carbono não é eletronegativo, logo não exerce atração sobre o elétron do H, de maneira que compartilha o elétron iguamente com o H; assim, o CH4 não forma esses polos negativos e positivos, não atraindo as outras moleculas por esse tipo de atração, logo não formando as ligações de H. (IURI)

8)Discuta a seguinte afirmação “a água é um solvente universal”. Isso é válido para toda e qualquer substância? (pense em termos de polaridade)
A afirmação de que “a água é um solvente universal” não pode ser atribuída a qualquer substância. No caso de um soluto com carga, a parte carregada da molécula do soluto atrai eletricamente um dos pólos da molécula de água; assim, o soluto fica cercado pela água e desta forma sendo solubilizado. * Se por acaso o soluto for um composto apolar e for misturado à água, estes não possuem carga nem pólos e então não têm regiões que possam interagir com a molécula de água, logo vão formar uma estrutura isolada do meio aquoso, sendo cercada pelas moléculas de água (MARIA VERONICA REIS WEBER).

* No caso de compostos covalentes polares (como a glicose), as regiões polares da molécula formam ligações de hidrogênio com a água , sendo dissolvidas por ela. (FABIANA HORN).


9) Explique como o sal de cozinha, cloreto de sódio (NaCl), pode ser dissolvido em água.
Os sais como NaCl se dissolvem na água porque os solventes polares, como a água, enfraquecem as forças de atração entre íons de carga oposta (como Na+ e Cl-), podendo, portanto, manter os íons separados (em solventes apolares, íons de carga oposta atraem-se mutuamente de maneira tão forte que se aglomeram para formar um sal sólido). Um íon imerso em um solvente polar, tal como a água, atrai as extremidades de carga oposta dos dipolos do solvente. O íon é, dessa forma, circundado por uma ou mais camadas concêntricas de moléculas de solvente orientadas. Diz-se que tais íons estão solvatados ou, quando o solvente for água, hidratados. (CELINA CORBELLINI)

10)Quando se prepara uma salada, muitas vezes mistura-se óleo de oliva com o vinagre, entretanto em poucos minutos observa-se que o óleo separou-se inteiramente do vinagre. Descreva as alterações na entropia que ocorrem durante a mistura inicial e a subsequente separação do óleo de oliva e do vinagre.

Quando um composto apolar - como o óleo, por exemplo - é misturado à água, forma-se uma solução heterogênea. Isso ocorre porque tais compostos não possuem carga nem pólos, ou seja, não têm regiões que possam interagir com a molécula de água. No contato inicial de uma substância apolar com a água, há rompimento não compensado de muitas ligações de Hidrogênio, pois a água não forma ligações de hidrogênio com moléculas apolares. (Esse rompimento ocorre também quando um soluto polar entra em contato com a água; neste caso, entretanto, as ligações de Hidrogênio são compensadas pela interação da molécula de água com as moléculas do soluto.) A fim de fazer o maior número de ligações de Hidrogênio possível, as moléculas de água orientam-se envolta da substância apolar e a envolvem, de modo que uma rede de ligações de Hidrogênio é formada ao redor de um soluto apolar. Essa rede de ligações de Hidrogênio representa um decréscimo na entropia do sistema, ou seja, é energeticamente desfavorável. Por esse motivo, quando várias moléculas apolares entram em contato com a água, elas se agrupam, a fim de aumentar a entropia do sistema. Ou seja, ao invés de fazerem uma rede de ligações de Hidrogênio ao redor de cada molécula apolar – o que diminui a entropia e é, conseqüentemente, energeticamente desfavorável –, as moléculas de água “forçam” as apolares a se agruparem. Dessa forma, a superfície de contato entre soluto e água é menor e, portanto, a rede de ligações de hidrogênio formada também. Isso faz com que a diminuição da entropia seja menor quando as moléculas apolares estão agrupadas. (CELINA CORBELLINI)

11) Diferencie osmose e difusão
A difusão é um processo de movimento randômico (aleatório) buscando o estado de equilíbrio, o movimento se dá da região de onde a substância está mais concentrada para região onde esteja menos concentrada. Esse movimento é direcional até que o equilíbrio seja atingido. A rapidez com que a substância se difunde depende principalmente do gradiente de concentração do sistema. Quanto maior o gradiente de concentração, mais rápido a substância se difunde.
Já a osmose é a difusão da água, através da membrana, que se torna possível porque as moléculas de água são pequenas o suficiente para atravessarem a membrana celular. Há ainda a presença de proteínas transportadoras de água, as aquaporinas. Para que ocorra osmose, o gradiente de concentração de água é respeitado, seguindo os princípios da difusão, ou seja, a água se move da região onde há mais água disponível (solução menos concentrada ou hipotônica) para região onde há menos água disponível (solução mais concentrada ou hipertônica). (VILSON ANTONIO DA COSTA ARRUDA)

12) Qual a sua idéia de acidez e de basicidade? O que é uma substância ácida? O que é uma substância básica?
Ácido é toda sustância que doa prótons (H+)
Base é toda substância que recebe prótons (H+)
Os íons H+ e OH- derivados da água são fundamentais para as reações bioquímicas. Moléculas biológicas, como proteínas e ácidos nucléicos, possuem muitos grupos funcionais que agem como ácidos ou bases, por exemplo, grupos carboxila e amino. Essas moléculas influenciam o pH do meio aquoso externo e suas estruturas e reatividades são, por sua vez, influenciadas pelo pH do ambiente. Uma apreciação da química ácido-base é, portanto, essencial para o entendimento dos papéis biológicos de muitas moléculas.
De acordo com a definição estabelecida em 1880 por Svante Arrhenius, um ácido é uma substância que pode doar um próton e uma base é uma substância que pode doar um íon hidroxila. Essa definição é bastante limitada. Em uma definição mais geral, formulada em 1923 por Johannes Brønsted e Thomas Lowry, um ácido é uma substância que pode doar prótons (como na definição de Arrhenius), e uma base é uma substância que pode aceitar um próton. (CELINA CORBELLINI)

13) O valor do pH é um número que varia na escala entre 0-14, mas afinal o que representa este número? Em que nos ajuda a escala de números, denominada “escala de pH”?
pH quer dizer potencial de Hidrogênio, que expressa a concentração do íon Hidrogênio.
O termo pH é usado para determinar o grau de acidez ou alcalinidade de uma substância líquida. Uma substância é ácida quando possui um pH < (menor q) 7, básica quando esse pH for maior que 7 até 14. É considerado neutra, quando possui a mesma quantidade de H+ e OH- e valor 7. (VILSON ANTONIO DA COSTA ARRUDA)

* pH = log 1 = - log [H3O+] (FABIANA)
[H3O+]

14)Calcule a concentração de íons hidrogênio, [H+], para cada uma das seguintes soluções: (coloque apenas a resposta final)
(a) Plasma pH 7,4
O pH nada mais é do que uma medida da concentração de protons de hidrogênio (H+) em uma solução, mas é uma medida logaritima pq somente expressar a concentração seriam numeros muito grandes com notação cientifica x10-6.... coisa assim, então se tira o log p/ deixar o numero "redondo" e mais facil de visualizarpH = log 1 / [H+] = - log [H+]no exercício pH = 7,4 então 7,4 = - log [H+] , então -7,4 = log [H+] e p/ se tirar o logaritimo tem q se fazer a exponencial na base 10 (lembrando as propriedades dos logarítimos à logba = c então bc = a) então fica 10-7,4 = [H+][H+] = 3,9 . 10 -8 M
(IURI)
(b) Suco de laranja pH 3,5
pH = log 1 / [H+] = - log [H+]
3,5 = - log [H+]
-3,5 = log [H+]
[H+] = 10-3,5
[H+] = 0,000316 M
(IURI)

15) Explique o funcionamento de um sistema tampão (leve em consideração a adição de um ácido e de uma base).
Soluções-tampão são soluções formadas por um ácido fraco e seu sal, ou por uma base fraca e seu sal, que têm a propriedade de manter o pH mais ou menos constante durante a adição de H+ ou OH-. Quando as concentrações de ácido/base e de sal forem iguais, mais eficiente é o tampão; e quanto maiores forem, melhor. O tampão não funciona apenas para soluções com pH igual ao que ele tampona, e sim numa faixa de pH que varia ± 1 do valor do pKa (ou 14 -pKb). Isso acontece quando a concentração de sal é 10 vezes a concentração do ácido ou a de ácido é 10 vezes a de sal, dando essa margem de variação, da qual não é bom sair porque o tampão perde eficiência. Portanto, se o tampão de uma solução 1 mol/L de CH3COOH e CH3COONa tem pH= 4,76, ele consegue tamponar soluções com pH entre 3,76 e 5,76. É preferível tamponar com soluções ácidas do que com básicas, porque as soluções básicas são sensíveis à mudança de temperatura.
Se aumentarmos a [H+] (adicionando um ácido, por exemplo), esse íon irá se combinar com o íon comum (CH3COO-) e formará o ácido do tampão (CH3COOH), consumindo assim parcialmente o H+ disponível, não havendo mudança significativa no pH do meio. Desse modo, “trocamos” um ácido forte que se dissocia muito (o adicionado) por um ácido fraco que pouco dissocia (o do tampão), que não altera de forma brusca o pH. Quando uma molécula do íon comum é consumida, uma molécula de sal se dissocia para compensar. Assim, durante o processo de tamponamento, a concentração de sal vai diminuindo e a de ácido (do tampão) vai aumentando.
Se aumentarmos a concentração de base (OH-), a hidroxila irá se combinar com o H+ e formará H2O. Com a “retirada” de H+ do meio, o equilíbrio da reação de dissociação do ácido é deslocado no sentido da ionização do ácido, formando mais H+ e íon comum. O primeiro vai baixar o pH, e o segundo vai se combinar com Na+ e formar mais sal. Assim, no final da reação de adição de base, a concentração de ácido estará diminuída e a de sal aumentada, e o pH não terá variado muito. (CELINA CORBELLINI)

16) Por que o pH dos compartimentos celulares é mais ou menos constante? O que assegura que o valor do pH dos compartimentos celulares não varie de modo dramático, afetando as funções celulares?
Variações no pH afetariam as funções das células, como alterações na forma e consequentemente nas funções enzimáticas afetando as vias metabólicas, bem como o ambiente em que as reações acontecem podendo íons ficarem na sua forma mais ou menos protonada afetando as reações químicas. O que assegura que o pH não varie são os tampões que tem a função de regular o pH. Cada compartimento tem um tampão específico. (SANDRA PAULA FERRARI)

17)Quando a capacidade tamponante de um tampão é máxima? Explique
Quando sua constante de dissociação pKa = pH. Por que existem espécies doadoras e aceptoras de prótons na mesma concentração, sendo eficiente tanto para ácidos como bases (IURI).


18) Observe as reações de dissociação do ácido fosfórico, para as quais o valor do pKa de cada reação está indicado:

H3PO4 H2PO4- HPO4-2 PO4-3
2,1 6,7 12,3

Indique qual reação é mais importante no tamponamento do meio intracelular (pH próximo a 7,2) e explique a razão disso em função do seu conhecimento sobre sistemas-tampão.

A reação onde o valor do pka = 6,7 . Porque as soluções tamponadas resistem a mudanças de pH na faixa de uma unidade de pH acima ou abaixo do pK da espécie tamponante. (CELINA CORBELLINI)

19) Explique a importância que os tampões têm nos organismos vivos. Cite e explique um exemplo de um tampão biológico

Manter um pH relativamente constante é, portanto, de importância fundamental dos tampões para os sistemas vivos, já que uma mudança no pH seria prejudicial para a maioria dos sistemas biológicos, já que pequenas mudanças, podem afetar as estruturas e as funções de moléculas biológicas de modo drástico. (SANDRA PAULA FERRARI)
O nosso sangue é um de sistema tampão do tipo aberto, porque partes da equação tampão dependem do pulmão, portanto, do meio externo. O nosso corpo funciona em uma faixa ideal de pH, que varia entre 7,35 a 7,45. Esse pH é mantido, como tudo no universo, às custas do balanço de ácidos e bases.
A principal base orgânica é o bicarbonato (HCO3-), e o principal ácido é o H2co3. A reação orgânica principal é a seguinte: H2O + CO2 à H2CO3 à HCO3- + H+ O H2CO3 só consta na fórmula para melhor compreensão, já que, assim que ele é formado, logo libera o ácido (H+) e a base (HCO3-). Na prática, funciona da seguinte forma: Toda vez que o nosso corpo recebe ou produz muito ácido (consumo de medicamentos, infecções, problemas pulmonares, problemas renais, atividade física, etc), alguns sistemas do corpo influenciam nessa equação sanguínea de forma a aumentar a produção de bases.
Por exemplo o nosso pulmão. Ele vai agir aumentando a frequência inspiratória e expelindo mais gás carbônico. Nosso sangue, com menos gás carbônico, faz com que a equação citada acima se "desloque" para a esquerda, ou seja, no sentido de "consumir" os íons H+ (ácido) livres e formar cada vez mais gás carbônico e cada vez mais água. Ou seja, é o pulmão jogando "ácido" do sistema tampão sanguíneo para fora do corpo.
Além do nosso pulmão, nossos rins agem aumentando a produção de bases (no caso a amônia) e aumentando a excreção de ácidos (deslocando mais ainda a equação para a esquerda). O oposto também ocorre, no caso de haver excesso de bases no sistema tampão sanguíneo: o pulmão age retendo mais CO2, deslocando a equação para a direita, ou seja, aumentando a liberação de íons H+. Claro que existem outros sistemas atuando no sistema tampão sanguíneo, mas, em suma, essas são as principais etapas. (VILSON ANTONIO DA COSTA ARRUDA)