Biology · Livro 3 · Bachelor Year 1

Biologia universitária — 1.º ano

Biologia universitária — 1.º ano · Bachelor Year 1

8A água e as pequenas biomoléculas

Uma bactéria de um micrômetro cúbico contém cerca de vinte bilhões de moléculas de água e algumas centenas de milhões de todo o resto. A água não é o pano de fundo da célula, e sim o meio dela: ela dissolve os íons e os açúcares, esconde as partes oleosas das proteínas e das membranas, fixa a acidez de que toda enzima depende, e é reagente ou produto em metade das reações do metabolismo. Este capítulo descreve a água e as ligações fracas que ela faz e desfaz, a aritmética dos ácidos, das bases e dos tampões, as pequenas moléculas orgânicas com que as macromoléculas dos quatro capítulos seguintes são construídas, e a moeda da energia — o ATP — com que a célula paga por construí-las.

8.1 A água

Definição 8.1 (A molécula de água)

A água, H2O\mathrm{H_2O}, é uma molécula angular (o ângulo H–O–H é de 104.5104.5^\circ) em que o oxigênio puxa os elétrons compartilhados para si: ela é polar, com uma carga parcial negativa no oxigênio e cargas parciais positivas nos hidrogênios. Cada molécula pode formar até quatro ligações de hidrogênio — uma atração eletrostática entre um hidrogênio ligado a um átomo eletronegativo (O, N) e um par de elétrons livre de outro átomo eletronegativo — duas pelos hidrogênios dela, duas pelo oxigênio. A água líquida é uma rede dessas ligações, cada uma durando alguns picossegundos.

Uma molécula de água (ângulo H–O–H de 104.5) e as quatro vizinhas ligadas a ela por pontes de hidrogênio. A molécula angular e polar doa duas ligações de hidrogênio pelos hidrogênios dela e aceita duas no oxigênio; a rede que elas formam dá à água a coesão, a capacidade térmica e o poder de solvente dela.
Uma molécula de água (ângulo H–O–H de 104.5104.5^\circ) e as quatro vizinhas ligadas a ela por pontes de hidrogênio. A molécula angular e polar doa duas ligações de hidrogênio pelos hidrogênios dela e aceita duas no oxigênio; a rede que elas formam dá à água a coesão, a capacidade térmica e o poder de solvente dela.

Proposição 8.2 (Propriedades da água que importam para a vida)

A rede de ligações de hidrogênio explica as propriedades excepcionais da água:

  • uma coesão e uma tensão superficial altas (72mN/m72\,\mathrm{mN}/\mathrm{m}): colunas de água podem ser puxadas até o alto de uma árvore sem se romper (Capítulo 24); insetos andam sobre os lagos;
  • uma capacidade térmica alta (4.18kJkg1K14.18\,\mathrm{kJ}\,\mathrm{kg}^{-1}\,\mathrm{K}^{-1}) e um calor de vaporização alto (2.4kJ/g2.4\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}): as temperaturas dos organismos e das massas de água mudam devagar, e evaporar um grama de suor retira 2.4kJ2.4\,\mathrm{kJ};
  • um sólido menos denso que o líquido: o gelo flutua, e os lagos congelam de cima para baixo, deixando água líquida embaixo;
  • um excelente solvente para íons e moléculas polares, que ela cerca de camadas orientadas (a hidratação), e um solvente ruim para as moléculas apolares, que ela força a se juntarem (o efeito hidrofóbico).

Demonstração parcial. A coesão e a tensão superficial medem o trabalho de separar moléculas que estão presas, cada uma, por quatro ligações de cerca de 20kJ/mol20\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}. Aquecer a água exige romper ligações além de agitar moléculas, daí a capacidade térmica; vaporizá-la exige rompê-las todas. O gelo mantém cada molécula numa rede tetraédrica aberta de quatro ligações, que ocupa mais volume que o líquido desordenado, em que as moléculas se empacotam mais próximas. Os íons e os grupos polares são estabilizados por ligações de hidrogênio com a água; uma molécula apolar não consegue formá-las, e a água em volta dela precisa se ordenar numa gaiola, a um custo em entropia que diminui quando as moléculas apolares se agrupam e compartilham uma única gaiola.

Um alfaiate (Gerridae) sobre um lago: as covinhas sob as patas dele são a superfície mantida tensa pela coesão da água ligada por pontes de hidrogênio.
Um alfaiate (Gerridae) sobre um lago: as covinhas sob as patas dele são a superfície mantida tensa pela coesão da água ligada por pontes de hidrogênio.

Exemplo 8.3 (O efeito hidrofóbico em ação)

Agite óleo na água e em poucos minutos as gotículas se fundiram: a água expulsa o que ela não consegue ligar. O mesmo efeito dobra uma proteína (os resíduos oleosos dela se escondem por dentro, Capítulo 12), monta uma membrana (as caudas dos lipídios se juntam longe da água, Capítulo 9) e junta duas superfícies moleculares complementares. Nada atrai o óleo ao óleo; é a água que empurra.

8.2 Ligações fracas

Definição 8.4 (Ligações covalentes e não covalentes)

Uma ligação covalente compartilha um par de elétrons entre dois átomos e custa 300 to 500kJ/mol300\text{ to }500\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol} para ser rompida: os esqueletos das moléculas são covalentes, e só as enzimas os fazem ou os rompem na célula. As ligações não covalentes são as atrações fracas e reversíveis que prendem as moléculas umas às outras e lhes dão forma: a ligação de hidrogênio (4 to 20kJ/mol4\text{ to }20\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol} em água); a ligação iônica entre cargas opostas (cerca de 12kJ/mol12\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol} em água, cuja constante dielétrica blinda as cargas oitenta vezes); as atrações de van der Waals entre dois átomos quaisquer em contato próximo (1 to 4kJ/mol1\text{ to }4\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol} cada, mas somadas sobre toda uma superfície); e o efeito hidrofóbico, que não é uma ligação, e sim a exclusão das superfícies apolares pela água.

Proposição 8.5 (Por que as ligações fracas são as ligações da biologia)

A energia térmica a 37C37\,{}^{\circ}\mathrm{C} é RT=2.6kJ/molRT = 2.6\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}. Uma única ligação fraca vale apenas algumas vezes isso e se rompe em microssegundos; dez juntas, em duas superfícies que se encaixam, seguram por horas. O reconhecimento molecular — de uma enzima pelo substrato dela, de um anticorpo pelo antígeno dele, de uma fita de DNA pela complementar — repousa sobre muitas ligações fracas formadas de uma vez entre superfícies complementares, e é por isso que ele é ao mesmo tempo específico (só uma superfície que se encaixa forma todas elas) e reversível (o calor, ou um competidor, o desfaz). As ligações covalentes, cem vezes mais fortes, seriam permanentes.

Exemplo 8.6 (Fundir uma dupla-hélice)

As duas fitas do DNA são presas por duas ou três ligações de hidrogênio por par de bases, mais o empilhamento (van der Waals) dos pares vizinhos; um único par se separaria de imediato, mas mil pares enfileirados seguram até a temperatura chegar a cerca de 90C90\,{}^{\circ}\mathrm{C}, e se reúnem, exatamente no mesmo registro, quando ela baixa (Capítulo 11). Específico, forte pelo número, reversível.

8.3 Ácidos, bases e tampões

Definição 8.7 (pH, ácido, base, pKaK_a)

A água se dissocia ligeiramente, H2OH++OH\mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{H^+} + \mathrm{OH^-}, com [H+][OH]=Kw=1014mol2/L2[\mathrm{H^+}][\mathrm{OH^-}] = K_w = 10^{-14}\,\mathrm{mol}^{2}/\mathrm{L}^{2} a 25C25\,{}^{\circ}\mathrm{C}. O pH é log10[H+]-\log_{10}[\mathrm{H^+}]: 7 para água pura, menor para os ácidos, maior para as bases. Um ácido HA\mathrm{HA} libera um próton, HAH++A\mathrm{HA} \rightleftharpoons \mathrm{H^+} + \mathrm{A^-}, com constante de dissociação Ka=[H+][A]/[HA]K_a = [\mathrm{H^+}][\mathrm{A^-}]/[\mathrm{HA}] e pKaK_a =log10Ka= -\log_{10}K_a; a base conjugada dele, A\mathrm{A^-}, aceita um. Um ácido forte (HCl) está totalmente dissociado; os ácidos da célula (ácidos carboxílicos, fosfatos, amônio) são fracos, com pKaK_a entre 2 e 10.

Teorema 8.8 (Henderson–Hasselbalch)

Para um ácido fraco em solução,

pH=pKa+log10[A][HA].\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a + \log_{10}\frac{[\mathrm{A^-}]}{[\mathrm{HA}]} .

Em pH=pKa\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a o ácido está meio dissociado; uma unidade de pH acima, ele está 91%91\,\% dissociado; uma abaixo, 9%9\,\%.

Demonstração. Tome o logaritmo de Ka=[H+][A]/[HA]K_a = [\mathrm{H^+}][\mathrm{A^-}]/[\mathrm{HA}]: logKa=log[H+]+log([A]/[HA])\log K_a = \log[\mathrm{H^+}] + \log([\mathrm{A^-}]/[\mathrm{HA}]), ou seja, pKa=pH+log([A]/[HA])-\mathrm{p}K_a = -\mathrm{pH} + \log([\mathrm{A^-}]/[\mathrm{HA}]). A razão vale 11, 1010 e 0.10.1 em pH =pKa= \mathrm{p}K_a, pKa+1\mathrm{p}K_a + 1 e pKa1\mathrm{p}K_a - 1.

Definição 8.9 (Tampão)

Um tampão é uma solução que contém um ácido fraco e a base conjugada dele em quantidades comparáveis; ele resiste a uma mudança de pH, porque o H+\mathrm{H^+} acrescentado é captado pelo A\mathrm{A^-} e o OH\mathrm{OH^-} acrescentado, pelo HA\mathrm{HA}. Ele funciona melhor dentro de uma unidade do pKaK_a, e a capacidade dele cresce com a concentração total do par. Os tampões da célula: o fosfato (H2PO4/HPO42\mathrm{H_2PO_4^-}/\mathrm{HPO_4^{2-}}, pKaK_a 6.8) e as cadeias laterais das proteínas dentro das células; o bicarbonato (CO2/HCO3\mathrm{CO_2}/\mathrm{HCO_3^-}, pKaK_a efetivo 6.1) no sangue, cujo parceiro ácido é um gás que os pulmões podem remover.

Titulação de um ácido fraco (fosfato, pK_a 6.8) por uma base. A curva é plana em torno do pK_a: ali, acrescentar base muda a razão entre base e ácido, mas quase não muda o pH. Fora da faixa o pH oscila livremente.
Titulação de um ácido fraco (fosfato, pKaK_a 6.8) por uma base. A curva é plana em torno do pKaK_a: ali, acrescentar base muda a razão entre base e ácido, mas quase não muda o pH. Fora da faixa o pH oscila livremente.
A escala de pH tornada visível com um indicador universal: do vermelho em pH 2 ao violeta em pH 12. O suco gástrico está em 1–2, a urina em 5–8, o sangue em 7.4, o intestino delgado em 8, o citosol em 7.2, o lisossomo em 5, o lúmen do tilacoide na luz em 5, o estroma em 8.
A escala de pH tornada visível com um indicador universal: do vermelho em pH 2 ao violeta em pH 12. O suco gástrico está em 1–2, a urina em 5–8, o sangue em 7.4, o intestino delgado em 8, o citosol em 7.2, o lisossomo em 5, o lúmen do tilacoide na luz em 5, o estroma em 8.

Método 8.10 (Aritmética dos tampões)

  1. Identifique o par ácido–base e o pKaK_a dele na temperatura de trabalho.
  2. Aplique Henderson–Hasselbalch para obter a razão base/ácido a partir do pH, ou o pH a partir das concentrações.
  3. Para acrescentar um ácido forte: subtraia a quantidade dele da base e some-a ao ácido, e recalcule o pH. Para acrescentar uma base forte: o inverso.
  4. Se um dos parceiros puder deixar o sistema (dióxido de carbono expirado, amônia excretada), o sistema é aberto: mantenha esse parceiro no valor imposto, em vez de deixá-lo acumular. Os tampões abertos seguram o pH muito melhor que os fechados.

Exemplo 8.11 (O sangue)

O sangue arterial contém 24mmol/L24\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} de bicarbonato e CO2\mathrm{CO_2} dissolvido a 1.2mmol/L1.2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} (fixado pelos pulmões): pH=6.1+log(24/1.2)=6.1+1.30=7.4\mathrm{pH} = 6.1 + \log(24/1.2) = 6.1 + 1.30 = 7.4. Acrescentar 5mmol/L5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} de ácido converte 5mmol/L5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} de bicarbonato em CO2\mathrm{CO_2}; se os pulmões expelirem esse CO2\mathrm{CO_2} e mantiverem o valor dissolvido, o pH passa a 6.1+log(19/1.2)=7.306.1 + \log(19/1.2) = 7.30; num frasco fechado o CO2\mathrm{CO_2} subiria a 6.2mmol/L6.2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} e o pH cairia a 6.1+log(19/6.2)=6.596.1 + \log(19/6.2) = 6.59. Os pulmões fazem a diferença.

8.4 Pequenas biomoléculas

Definição 8.12 (Grupos funcionais)

As moléculas orgânicas da célula são esqueletos de carbono que carregam um pequeno conjunto de grupos funcionais que determinam a química delas:

grupofórmulapropriedadeencontrado em
hidroxilaOH-\mathrm{OH}polar, faz pontes de Haçúcares, álcoois
carbonila> ⁣C=O>\!\mathrm{C{=}O}polar, reativaaldoses, cetoses
carboxilaCOOH-\mathrm{COOH}ácida (pKa4K_a \approx 4)ácidos graxos, aminoácidos
aminoNH2-\mathrm{NH_2}básica (pKa9K_a \approx 9)aminoácidos
fosfatoOPO32-\mathrm{OPO_3^{2-}}carregado, ligações ricas em energianucleotídeos, ATP
sulfidrilaSH-\mathrm{SH}forma pontes S–Scisteína
metilaCH3-\mathrm{CH_3}apolarlipídios, marcas no DNA

No pH da célula os grupos carboxila estão ionizados (COO-\mathrm{COO^-}) e os grupos amino, protonados (NH3+-\mathrm{NH_3^+}).

Proposição 8.13 (Quatro famílias de blocos de construção)

Quase toda a matéria orgânica de uma célula é construída a partir de quatro tipos de molécula pequena, cada um de algumas centenas de dáltons: os açúcares (Capítulo 10), os ácidos graxos (Capítulo 9), os aminoácidos (Capítulo 12) e os nucleotídeos (Capítulo 11). Três deles são unidos em polímeros — polissacarídeos, proteínas, ácidos nucleicos — por condensação (uma ligação formada com perda de uma molécula de água), e são desmontados por hidrólise (a ligação rompida pela adição de água). A condensação é morro acima e é paga com ATP; a hidrólise é morro abaixo e só precisa de uma enzima.

A condensação une dois blocos de construção com perda de uma molécula de água; a hidrólise os separa acrescentando uma. Açúcares, aminoácidos e nucleotídeos são polimerizados desse jeito.
A condensação une dois blocos de construção com perda de uma molécula de água; a hidrólise os separa acrescentando uma. Açúcares, aminoácidos e nucleotídeos são polimerizados desse jeito.

Exemplo 8.14 (O inventário da célula)

Da massa seca de uma bactéria, as proteínas são 55%55\,\%, o RNA 20%20\,\%, o DNA 3%3\,\%, os lipídios 9%9\,\%, os polissacarídeos 5%5\,\%, e as moléculas pequenas e os íons o restante. Pelo número de moléculas o quadro se inverte: mil tipos de pequeno metabólito e de íon, em concentrações do nanomolar a um décimo de mol por litro, formam a maior parte das moléculas que não são água. O potássio está a 150mmol/L150\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}, o glutamato a 100mmol/L100\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}, o ATP a 5mmol/L5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}, e um fator de transcrição a algumas moléculas por célula.

8.5 Energia: energia livre e ATP

Proposição 8.15 (Energia livre de uma reação)

Uma reação a temperatura e pressão constantes ocorre espontaneamente no sentido que diminui a energia livre de Gibbs GG. Para A+BC+D\mathrm{A} + \mathrm{B} \rightleftharpoons \mathrm{C} + \mathrm{D},

ΔG=ΔG+RTln[C][D][A][B],\Delta G = \Delta G^{\circ\prime} + RT\ln\frac{[\mathrm{C}][\mathrm{D}]}{[\mathrm{A}][\mathrm{B}]},

em que ΔG\Delta G^{\circ\prime} é a variação padrão de energia livre (todas as concentrações a 1mol/L1\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}, pH 7) e o termo logarítmico corrige para as concentrações reais. No equilíbrio ΔG=0\Delta G = 0, de modo que ΔG=RTlnKeq\Delta G^{\circ\prime} = -RT\ln K'_{\text{eq}}: cada 5.7kJ/mol5.7\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol} de ΔG\Delta G^{\circ\prime} desloca a constante de equilíbrio dez vezes. O ΔG\Delta G diz para que lado uma reação pode ir, não com que rapidez: isso é assunto da enzima (Capítulo 13).

Demonstração. O potencial químico de cada espécie é μ=μ+RTlnc\mu = \mu^\circ + RT\ln c (o resultado para soluções ideais, do curso de física); ΔG\Delta G é a soma dos potenciais dos produtos menos a dos reagentes, o que dá a fórmula; igualá-lo a zero no equilíbrio dá a relação com KeqK'_{\text{eq}}.

Definição 8.16 (ATP, acoplamento)

O ATP (trifosfato de adenosina) é um nucleotídeo (Capítulo 11) que carrega três fosfatos enfileirados; as duas ligações externas são ligações fosfoanidrido, cuja hidrólise, ATP+H2OADP+Pi\mathrm{ATP} + \mathrm{H_2O} \to \mathrm{ADP} + \mathrm{P_i}, tem ΔG=30.5kJ/mol\Delta G^{\circ\prime} = -30.5\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol} e, nas concentrações de uma célula, ΔG50kJ/mol\Delta G \approx -50\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}. O ATP é a moeda energética da célula: o catabolismo o produz (Capítulo 15), e a biossíntese, o transporte e o movimento o gastam. Uma reação morro acima é levada a ocorrer pelo acoplamento dela à hidrólise do ATP por meio de um intermediário comum, de modo que a soma dos dois ΔG\Delta G seja negativa.

Exemplo 8.17 (Por que a hidrólise do ATP libera tanto)

São três razões: as quatro cargas negativas dos fosfatos do ATP se repelem e são aliviadas pela clivagem; os produtos ADP\mathrm{ADP} e Pi\mathrm{P_i} são mais bem estabilizados por ressonância e por hidratação do que o anidrido; e a célula mantém o ATP mil vezes acima do equilíbrio dele com ADP e fosfato. O último é o maior termo: com ATP a 5mmol/L5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}, ADP a 1mmol/L1\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} e Pi\mathrm{P_i} a 10mmol/L10\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}, ΔG=30.5+2.58ln103×1025×103=30.516=46.5kJ/mol\Delta G = -30.5 + 2.58\ln\frac{10^{-3}\times 10^{-2}}{5\times 10^{-3}} = -30.5 - 16 = -46.5\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}.

Exemplo 8.18 (Acoplamento)

Glicose + Pi+\ \mathrm{P_i} \to glicose-6-fosfato + H2O+\ \mathrm{H_2O} tem ΔG=+13.8kJ/mol\Delta G^{\circ\prime} = +13.8\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}: no equilíbrio quase nenhuma glicose estaria fosforilada. A hexoquinase, em vez disso, transfere o fosfato diretamente do ATP: glicose ++ ATP \to glicose-6-fosfato ++ ADP, ΔG=13.830.5=16.7kJ/mol\Delta G^{\circ\prime} = 13.8 - 30.5 = -16.7\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}, constante de equilíbrio 800800, reação essencialmente completa. O fosfato nunca aparece livre: as duas reações são uma só.

8.6 Exercícios

Exercício 8.1

Explique, a partir da estrutura da molécula de água, por que a água é um bom solvente para sais e um mau solvente para óleos.

Solução

Solução de Exercício 8.1.

A molécula angular e polar tem um oxigênio parcialmente negativo e hidrogênios parcialmente positivos: ela cerca um cátion com os oxigênios e um ânion com os hidrogênios, estabilizando-os (hidratação), e forma ligações de hidrogênio com grupos polares. O óleo não tem cargas nem grupos polares aos quais se ligar; as moléculas de água em volta dele precisam se ordenar numa gaiola, o que é desfavorável, e por isso o óleo é excluído.

Exercício 8.2

Ordene os quatro tipos de interação não covalente por intensidade e dê um papel biológico de cada um.

Solução

Solução de Exercício 8.2.

Ligação de hidrogênio (4 to 20kJ/mol4\text{ to }20\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}): pareamento de bases no DNA, estrutura secundária das proteínas. Ligação iônica (cerca de 12kJ/mol12\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol} em água): pontes salinas nas proteínas, ligação do substrato. Efeito hidrofóbico (não é uma ligação, mas é comparável no total): montagem das membranas, dobramento das proteínas. Van der Waals (1 to 4kJ/mol1\text{ to }4\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol} cada): o empacotamento próximo de duas superfícies complementares quaisquer, o encaixe enzima–substrato.

Exercício 8.3

Calcule o pH de uma solução em que [H+]=4×108mol/L[\mathrm{H^+}] = 4 \times 10^{-8}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}, e o [H+][\mathrm{H^+}] do suco gástrico em pH 1.5.

Solução

Solução de Exercício 8.3.

pH=log(4×108)=7.4\mathrm{pH} = -\log(4\times 10^{-8}) = 7.4. Em pH 1.5, [H+]=101.5=0.032mol/L[\mathrm{H^+}] = 10^{-1.5} = 0.032\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}.

Exercício 8.4

A partir da figura da titulação, em que faixa de pH o tampão fosfato funciona, e qual é a razão entre base e ácido em pH 7.4?

Solução

Solução de Exercício 8.4.

De cerca de 5.8 a 7.8 (pKa±1K_a \pm 1). Em 7.4: log(base/aˊcido)=0.6\log(\text{base}/\text{ácido}) = 0.6, razão 44.

Exercício 8.5 ★★

O ácido acético tem pKaK_a 4.76. Que fração está ionizada em pH 4.76, em pH 7.2 (o citosol) e em pH 2 (o estômago)? Qual forma atravessa uma membrana com mais facilidade, e onde o ácido acético seria absorvido?

Solução

Solução de Exercício 8.5.

Em pH 4.76: 50%50\,\%. Em 7.2: log(A/HA)=2.44\log(\mathrm{A^-}/\mathrm{HA}) = 2.44, razão 275275: 99.6%99.6\,\% ionizado. Em pH 2: razão 102.76=1/57510^{-2.76} = 1/575: 0.2%0.2\,\% ionizado. A forma ácida neutra atravessa a bicamada lipídica; o ácido acético é absorvido no estômago, onde está não ionizado, e fica retido como acetato no citosol.

Exercício 8.6 ★★

Um tampão contém 50mmol/L50\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} de HPO42\mathrm{HPO_4^{2-}} e 50mmol/L50\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} de H2PO4\mathrm{H_2PO_4^-} (pKaK_a 6.8). Calcule o pH dele. Calcule o pH depois de acrescentar 10mmol/L10\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} de HCl, e depois de acrescentar o mesmo HCl a água pura.

Solução

Solução de Exercício 8.6.

pH =6.8+log1=6.8= 6.8 + \log 1 = 6.8. Depois do HCl: base 4040, ácido 6060: pH =6.8+log(40/60)=6.62= 6.8 + \log(40/60) = 6.62. Em água pura, [H+]=0.01mol/L[\mathrm{H^+}] = 0.01\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}: pH 22.

Exercício 8.7 ★★

Evaporar o suor resfria um corredor. Quanto suor precisa evaporar para retirar 500kJ500\,\mathrm{kJ}? Explique, com as ligações de hidrogênio, por que o calor de vaporização da água é tão grande.

Solução

Solução de Exercício 8.7.

500/2.4=208g500/2.4 = 208\,\mathrm{g}. Para vaporizar uma molécula é preciso romper as quatro ligações de hidrogênio dela; 2.4kJ/g2.4\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g} são 43kJ/mol43\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}, aproximadamente a energia de duas ligações por molécula (cada ligação sendo compartilhada por duas).

Exercício 8.8 ★★

A reação glicose-1-fosfato \to glicose-6-fosfato tem Keq=19K'_{\text{eq}} = 19 a 25C25\,{}^{\circ}\mathrm{C}. Calcule ΔG\Delta G^{\circ\prime}. Numa célula em que a glicose-6-fosfato está a 2mmol/L2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} e a glicose-1-fosfato a 0.02mmol/L0.02\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}, calcule ΔG\Delta G e diga para que lado a reação corre.

Solução

Solução de Exercício 8.8.

ΔG=RTln19=2.48×2.94=7.3kJ/mol\Delta G^{\circ\prime} = -RT\ln 19 = -2.48\times 2.94 = -7.3\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}. Na célula: ΔG=7.3+2.48ln(2/0.02)=7.3+11.4=+4.1kJ/mol\Delta G = -7.3 + 2.48\ln(2/0.02) = -7.3 + 11.4 = +4.1\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}: a reação corre no sentido inverso, rumo à glicose-1-fosfato (como acontece na síntese de glicogênio).

Exercício 8.9 ★★

Por que um lago congela de cima para baixo, e por que isso importa para os peixes dele? O que aconteceria num mundo em que o gelo afundasse?

Solução

Solução de Exercício 8.9.

A água é mais densa a 4C4\,{}^{\circ}\mathrm{C}; a água mais fria e o gelo são mais leves e ficam na superfície, de modo que o gelo se forma em cima e isola o líquido de baixo, que fica perto de 4C4\,{}^{\circ}\mathrm{C} o inverno inteiro. Se o gelo afundasse, os lagos congelariam por inteiro de baixo para cima e degelariam só na superfície no verão; a vida de água doce ao longo de um inverno seria impossível.

Exercício 8.10 ★★★

Calcule o ΔG\Delta G da hidrólise do ATP numa célula muscular em que o ATP está a 8mmol/L8\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}, o ADP a 0.9mmol/L0.9\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} e o Pi\mathrm{P_i} a 8mmol/L8\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}, a 37C37\,{}^{\circ}\mathrm{C}; e depois num músculo fatigado em que o ATP está a 5mmol/L5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}, o ADP a 3mmol/L3\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} e o Pi\mathrm{P_i} a 30mmol/L30\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}. O que a fadiga fez com a energia disponível por ATP?

Solução

Solução de Exercício 8.10.

RT=2.58kJ/molRT = 2.58\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}. Em repouso: Q=0.9×103×8×103/8×103=9×104Q = 0.9\times 10^{-3}\times 8\times 10^{-3}/8\times 10^{-3} = 9\times 10^{-4}, lnQ=7.0\ln Q = -7.0: ΔG=30.518.1=48.6kJ/mol\Delta G = -30.5 - 18.1 = -48.6\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}. Fatigado: Q=3×103×30×103/5×103=0.018Q = 3\times 10^{-3}\times 30\times 10^{-3}/5\times 10^{-3} = 0.018, lnQ=4.0\ln Q = -4.0: ΔG=30.510.4=40.9kJ/mol\Delta G = -30.5 - 10.4 = -40.9\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}. A fadiga cortou a energia por ATP em 16%16\,\%, o bastante para retardar as bombas e os motores que consomem a maior parte dela.

Exercício 8.11 ★★★

Uma célula em pH 7.2 e a 37C37\,{}^{\circ}\mathrm{C} tem um volume interno de 1000µm31000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}. Quantos íons H+\mathrm{H^+} livres ela contém? Compare com os 3×1093 \times 10^{9} grupos tamponantes dela. O que a comparação diz sobre o sentido da expressão “o pH de uma célula”?

Solução

Solução de Exercício 8.11.

[H+]=107.2=6.3×108mol/L[\mathrm{H^+}] = 10^{-7.2} = 6.3 \times 10^{-8}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}; volume de 1×1012L1 \times 10^{-12}\,\mathrm{L}: 6.3×1020mol×6×1023=386.3 \times 10^{-20}\,\mathrm{mol}\times6 \times 10^{23} = 38 prótons. Contra 3×1093 \times 10^{9} grupos tamponantes: o “pH” não é uma contagem de prótons, e sim o estado de protonação dos tampões, que trocam prótons com a água um bilhão de vezes mais depressa do que os poucos livres poderiam importar.

Exercício 8.12 ★★★

“A vida é uma maneira de manter as reações longe do equilíbrio.” Discuta em um parágrafo, usando a razão de concentrações do ATP, o acoplamento, e o que acontece com uma célula cujo ATP chega ao equilíbrio com o ADP.

Solução

Solução de Exercício 8.12.

No equilíbrio o ATP, o ADP e o fosfato ficariam numa razão de cerca de 10510^{-5}; a célula mantém o ATP mil vezes acima do ADP, de modo que a hidrólise dele libera 50kJ/mol50\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol} em vez de nada. Todo processo morro acima — síntese, transporte, movimento — é acoplado a esse afastamento; o único papel do catabolismo é mantê-lo. Uma célula cujo ATP chega ao equilíbrio não tem gradiente a gastar: as bombas param, os íons vazam, a célula incha e morre em poucos minutos. Estar vivo é a manutenção desse desequilíbrio, e não uma substância.

8.7 Problema: O sangue como tampão

Problema 8.1

Problema de fim de semana — cinco litros de sangue em pH 7.40 ao longo de uma corrida de velocidade: bicarbonato, dióxido de carbono, pulmões e rins, terminando no desvio de pH para uma dada carga de lactato

Sangue arterial: pH 7.40, bicarbonato [HCO3]=24mmol/L[\mathrm{HCO_3^-}] = 24\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}, dióxido de carbono dissolvido [CO2]=1.2mmol/L[\mathrm{CO_2}] = 1.2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} (proporcional à pressão parcial dele: uma pressão parcial de 40mmHg40\,\mathrm{mmHg}1.2mmol/L1.2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}). O sistema do bicarbonato tem pKaK_a efetivo de 6.1: CO2+H2OH++HCO3\mathrm{CO_2} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{H^+} + \mathrm{HCO_3^-}. Volume de sangue: 5L5\,\mathrm{L}. As proteínas plasmáticas e a hemoglobina acrescentam um segundo tampão, de capacidade 25mmol25\,\mathrm{mmol} de H+\mathrm{H^+} por litro e por unidade de pH. Uma corrida de velocidade libera 60mmol60\,\mathrm{mmol} de ácido lático (um ácido forte no pH do sangue) no sangue em um minuto.

Parte I — O estado de repouso.

  1. Verifique o pH do sangue arterial a partir dos valores de bicarbonato e de dióxido de carbono.
  2. Calcule o [H+][\mathrm{H^+}] em pH 7.40, em nanomols por litro.
  3. Quantos prótons livres há em todo o volume de sangue? Compare com os 120mmol120\,\mathrm{mmol} de bicarbonato.
  4. Calcule a razão entre bicarbonato e dióxido de carbono dissolvido e a fração do par tamponante presente como base.
  5. O sangue venoso tem uma pressão parcial de CO2\mathrm{CO_2} de 46mmHg46\,\mathrm{mmHg} e 25mmol/L25\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} de bicarbonato. Calcule o pH dele.
  6. Por que um pKaK_a de 6.1, mais de uma unidade abaixo do pH do sangue, não é uma desvantagem para esse tampão no corpo, embora fosse num frasco?

Parte II — A corrida, sistema fechado. Suponha primeiro que nenhum dióxido de carbono possa sair: todo próton captado pelo bicarbonato vira CO2\mathrm{CO_2} dissolvido.

  1. Calcule a concentração de ácido lático acrescentada ao sangue.
  2. Calcule o novo bicarbonato e o novo CO2\mathrm{CO_2} dissolvido se todo o ácido for tamponado pelo bicarbonato.
  3. Calcule o pH resultante.
  4. Calcule o pH que o mesmo ácido daria em 5L5\,\mathrm{L} de água pura.
  5. O sistema bicarbonato fechado é um bom tampão para essa carga? Quantifique pelo desvio de pH.
  6. Calcule a variação de [H+][\mathrm{H^+}] entre o pH 7.40 e o pH da questão 9, e a fração dos prótons acrescentados que permanece livre em solução.

Parte III — A corrida, sistema aberto. Agora os pulmões mantêm o CO2\mathrm{CO_2} dissolvido em 1.2mmol/L1.2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}, expelindo o excesso.

  1. Calcule o pH com o bicarbonato no novo valor dele e o CO2\mathrm{CO_2} mantido em 1.2mmol/L1.2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}.
  2. Quantos milimols de CO2\mathrm{CO_2} os pulmões precisam remover, além da eliminação de repouso, para manter o valor?
  3. A eliminação de repouso é de 10mmol10\,\mathrm{mmol} de CO2\mathrm{CO_2} por minuto. Por qual fator a ventilação precisa subir durante um minuto para depurar o excesso?
  4. O corredor hiperventila mais ainda, levando a pressão parcial de CO2\mathrm{CO_2} a 30mmHg30\,\mathrm{mmHg}. Calcule o novo CO2\mathrm{CO_2} dissolvido e o pH.
  5. Inclua agora o tampão proteico: dos 60mmol60\,\mathrm{mmol} de prótons, uma parcela é captada pelas proteínas, na proporção das capacidades dos dois tampões. Estime a capacidade do sistema bicarbonato aberto perto do pH 7.4 (os milimols de ácido por litro que deslocam o pH em uma unidade, a partir de Henderson–Hasselbalch com o CO2\mathrm{CO_2} fixo) e a parcela de prótons que cada tampão capta.
  6. Recalcule o pH depois da corrida com os dois tampões.

Parte IV — A recuperação e o rim.

  1. Ao longo da hora seguinte o fígado oxida o lactato (removendo o ácido). O que acontece com o bicarbonato e com o pH, com os pulmões mantendo o CO2\mathrm{CO_2} constante?
  2. Um paciente com insuficiência renal retém 60mmol60\,\mathrm{mmol} de ácido por dia e não consegue excretá-lo. Calcule a queda diária do bicarbonato (sistema aberto) e o pH depois de três dias, se o bicarbonato não for reposto.
  3. Um paciente com doença pulmonar retém CO2\mathrm{CO_2} a uma pressão parcial de 60mmHg60\,\mathrm{mmHg}, com bicarbonato a 24mmol/L24\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}. Calcule o pH. Os rins respondem ao longo de dias elevando o bicarbonato a 33mmol/L33\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}; calcule o pH então.
  4. Explique em duas frases por que os pulmões corrigem o pH em minutos e os rins em dias, e o que cada um controla na razão de Henderson–Hasselbalch.
  5. Os rins excretam os 60mmol60\,\mathrm{mmol} de ácido de um dia em 1.5L1.5\,\mathrm{L} de urina em pH 5. Calcule os prótons livres nessa urina e conclua como o ácido é transportado.
  6. Um vômito perde 100mmol100\,\mathrm{mmol} de HCl. Preveja o sentido da mudança de pH e calcule-a para o sistema aberto.
  7. Enuncie o resultado: o desvio de pH do sangue para uma carga de 60mmol60\,\mathrm{mmol} de lactato no sistema fechado, no sistema aberto só com bicarbonato, e com os tampões proteicos incluídos.
Solução

Solução de Problema 8.1.

1. 6.1+log(24/1.2)=6.1+1.301=7.406.1 + \log(24/1.2) = 6.1 + 1.301 = 7.40. 2. 107.4=4.0×108mol/L=40nmol/L10^{-7.4} = 4.0 \times 10^{-8}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L} = 40\,\mathrm{nmol}/\mathrm{L}. 3. 40×5=200nmol40\times 5 = 200\,\mathrm{nmol}, seiscentas mil vezes menos que o bicarbonato. 4. CO2=1.2×46/40=1.38mmol/L\mathrm{CO_2} = 1.2\times 46/40 = 1.38\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}; pH =6.1+log(25/1.38)=6.1+1.258=7.36= 6.1 + \log(25/1.38) = 6.1 + 1.258 = 7.36. 5. Num frasco a razão 20:120:1 deixa pouco parceiro ácido para absorver base, e a capacidade é baixa a uma unidade do pKaK_a; no corpo o parceiro ácido é um gás cuja concentração os pulmões fixam e podem repor sem limite, de modo que a razão pode ser reajustada pela ventilação, seja qual for o pKaK_a. 6. 24/1.2=2024/1.2 = 20; a base é 20/21=95%20/21 = 95\,\% do par. 7. 60/5=12mmol/L60/5 = 12\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}. 8. Bicarbonato 2412=12mmol/L24 - 12 = 12\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}; CO2\mathrm{CO_2} 1.2+12=13.2mmol/L1.2 + 12 = 13.2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}. 9. pH =6.1+log(12/13.2)=6.10.04=6.06= 6.1 + \log(12/13.2) = 6.1 - 0.04 = 6.06. 10. [H+]=0.012mol/L[\mathrm{H^+}] = 0.012\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}: pH 1.921.92. 11. Um desvio de 1.341.34 unidade: ele salva o sangue do pH 1.9, mas 6.06 fica muito abaixo do que qualquer enzima tolera. Ruim, como sistema fechado. 12. O [H+][\mathrm{H^+}] passa de 40nmol/L40\,\mathrm{nmol}/\mathrm{L} a 106.06=870nmol/L10^{-6.06} = 870\,\mathrm{nmol}/\mathrm{L}: uma elevação de 0.83µmol/L0.83\,\text{µ}\mathrm{mol}/\mathrm{L} para 12mmol/L12\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} acrescentados, ou seja, um próton em 1400014\,000 fica livre; os demais estão no bicarbonato. 13. pH =6.1+log(12/1.2)=6.1+1.0=7.10= 6.1 + \log(12/1.2) = 6.1 + 1.0 = 7.10. 14. O CO2\mathrm{CO_2} gerado: 12mmol/L×5L=60mmol12\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}\times 5\,\mathrm{L} = 60\,\mathrm{mmol}. 15. 60mmol60\,\mathrm{mmol} em um minuto, além dos 10mmol10\,\mathrm{mmol}: sete vezes mais. 16. CO2=0.9mmol/L\mathrm{CO_2} = 0.9\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}; pH =6.1+log(12/0.9)=6.1+1.125=7.22= 6.1 + \log(12/0.9) = 6.1 + 1.125 = 7.22. 17. Bicarbonato aberto perto de 7.4: o pH muda uma unidade quando o bicarbonato cai dez vezes, de 2424\, a 2.4mmol/L2.4\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}, ou seja, 21.6mmol/L21.6\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} de ácido por unidade; mas nas primeiras unidades a inclinação local é 2.3×[HCO3]=55mmol/L2.3\times[\mathrm{HCO_3^-}] = 55\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} por unidade. Contra os 25mmol/L25\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} por unidade das proteínas, o bicarbonato capta cerca de 55/80=69%55/80 = 69\,\% dos prótons, e as proteínas 31%31\,\%. 18. O bicarbonato capta 0.69×12=8.3mmol/L0.69\times 12 = 8.3\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}: 248.3=15.7mmol/L24 - 8.3 = 15.7\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}; pH =6.1+log(15.7/1.2)=6.1+1.117=7.22= 6.1 + \log(15.7/1.2) = 6.1 + 1.117 = 7.22 (a parcela das proteínas é compatível com os 25mmol/L25\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} por unidade ×0.18\times 0.18 unidade =4.5mmol/L= 4.5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}, perto dos 3.7mmol/L3.7\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} delas). 19. Remover o ácido regenera o bicarbonato consumido (de 12mmol/L12\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} de volta a 2424\,) e, com o CO2\mathrm{CO_2} mantido, o pH volta a 7.40. 20. 60/5=12mmol/L60/5 = 12\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} de bicarbonato perdidos por dia; depois de três dias, 2436<024 - 36 < 0: o bicarbonato se esgota e o pH despenca bem abaixo de 7 — na prática o paciente precisa receber bicarbonato ou ser dialisado; depois de um dia apenas, 6.1+log(12/1.2)=7.106.1 + \log(12/1.2) = 7.10. 21. CO2=1.2×60/40=1.8mmol/L\mathrm{CO_2} = 1.2\times 60/40 = 1.8\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}; pH =6.1+log(24/1.8)=6.1+1.125=7.22= 6.1 + \log(24/1.8) = 6.1 + 1.125 = 7.22. Com o bicarbonato a 3333\,: 6.1+log(33/1.8)=6.1+1.263=7.366.1 + \log(33/1.8) = 6.1 + 1.263 = 7.36. 22. Os pulmões mudam o denominador (CO2\mathrm{CO_2} dissolvido) em poucas respirações, porque ele é um gás que eles exalam; os rins mudam o numerador (o bicarbonato) excretando ácido e regenerando bicarbonato, um processo de horas a dias. 23. Em pH 5, [H+]=10µmol/L[\mathrm{H^+}] = 10\,\text{µ}\mathrm{mol}/\mathrm{L}: 15µmol15\,\text{µ}\mathrm{mol} livres em 1.5L1.5\,\mathrm{L}, um quatro-milésimo dos 60mmol60\,\mathrm{mmol}; o ácido sai ligado a tampões — como amônio e como di-hidrogenofosfato. 24. Perder ácido eleva o pH: o bicarbonato sobe 100/5=20mmol/L100/5 = 20\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}, chegando a 4444\,; pH =6.1+log(44/1.2)=6.1+1.564=7.66= 6.1 + \log(44/1.2) = 6.1 + 1.564 = 7.66 (alcalose), antes que os pulmões e os rins compensem. 25. Fechado: de 7.40 a 6.06, um desvio de 1.34-1.34. Aberto, só com bicarbonato: até 7.10, um desvio de 0.30-0.30. Aberto com as proteínas: até 7.22, um desvio de 0.18-0.18.

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