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, , é uma molécula angular (o ângulo H–O–H é de ) 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.
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 (): 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 () e um calor de vaporização alto (): as temperaturas dos organismos e das massas de água mudam devagar, e evaporar um grama de suor retira ;
- 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 . 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. ∎
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 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 ( em água); a ligação iônica entre cargas opostas (cerca de em água, cuja constante dielétrica blinda as cargas oitenta vezes); as atrações de van der Waals entre dois átomos quaisquer em contato próximo ( 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 é . 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 , 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, p)
A água se dissocia ligeiramente, , com a . O pH é : 7 para água pura, menor para os ácidos, maior para as bases. Um ácido libera um próton, , com constante de dissociação e p ; a base conjugada dele, , aceita um. Um ácido forte (HCl) está totalmente dissociado; os ácidos da célula (ácidos carboxílicos, fosfatos, amônio) são fracos, com p entre 2 e 10.
Teorema 8.8 (Henderson–Hasselbalch)
Para um ácido fraco em solução,
Em o ácido está meio dissociado; uma unidade de pH acima, ele está dissociado; uma abaixo, .
Demonstração. Tome o logaritmo de : , ou seja, . A razão vale , e em pH , e . ∎
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 acrescentado é captado pelo e o acrescentado, pelo . Ele funciona melhor dentro de uma unidade do p, e a capacidade dele cresce com a concentração total do par. Os tampões da célula: o fosfato (, p 6.8) e as cadeias laterais das proteínas dentro das células; o bicarbonato (, p efetivo 6.1) no sangue, cujo parceiro ácido é um gás que os pulmões podem remover.
Método 8.10 (Aritmética dos tampões)
- Identifique o par ácido–base e o p dele na temperatura de trabalho.
- Aplique Henderson–Hasselbalch para obter a razão base/ácido a partir do pH, ou o pH a partir das concentrações.
- 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.
- 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 de bicarbonato e dissolvido a (fixado pelos pulmões): . Acrescentar de ácido converte de bicarbonato em ; se os pulmões expelirem esse e mantiverem o valor dissolvido, o pH passa a ; num frasco fechado o subiria a e o pH cairia a . 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:
| grupo | fórmula | propriedade | encontrado em |
|---|---|---|---|
| hidroxila | polar, faz pontes de H | açúcares, álcoois | |
| carbonila | polar, reativa | aldoses, cetoses | |
| carboxila | ácida (p) | ácidos graxos, aminoácidos | |
| amino | básica (p) | aminoácidos | |
| fosfato | carregado, ligações ricas em energia | nucleotídeos, ATP | |
| sulfidrila | forma pontes S–S | cisteína | |
| metila | apolar | lipídios, marcas no DNA |
No pH da célula os grupos carboxila estão ionizados () e os grupos amino, protonados ().
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.
Exemplo 8.14 (O inventário da célula)
Da massa seca de uma bactéria, as proteínas são , o RNA , o DNA , os lipídios , os polissacarídeos , 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 , o glutamato a , o ATP a , 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 . Para ,
em que é a variação padrão de energia livre (todas as concentrações a , pH 7) e o termo logarítmico corrige para as concentrações reais. No equilíbrio , de modo que : cada de desloca a constante de equilíbrio dez vezes. O 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 (o resultado para soluções ideais, do curso de física); 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 . ∎
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, , tem e, nas concentrações de uma célula, . 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 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 e 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 , ADP a e a , .
Exemplo 8.18 (Acoplamento)
Glicose glicose-6-fosfato tem : no equilíbrio quase nenhuma glicose estaria fosforilada. A hexoquinase, em vez disso, transfere o fosfato diretamente do ATP: glicose ATP glicose-6-fosfato ADP, , constante de equilíbrio , 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 (): pareamento de bases no DNA, estrutura secundária das proteínas. Ligação iônica (cerca de 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 ( cada): o empacotamento próximo de duas superfícies complementares quaisquer, o encaixe enzima–substrato.
Exercício 8.3 ★
Calcule o pH de uma solução em que , e o do suco gástrico em pH 1.5.
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 (p). Em 7.4: , razão .
Exercício 8.5 ★★
O ácido acético tem p 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: . Em 7.2: , razão : ionizado. Em pH 2: razão : 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 de e de (p 6.8). Calcule o pH dele. Calcule o pH depois de acrescentar de HCl, e depois de acrescentar o mesmo HCl a água pura.
Exercício 8.7 ★★
Evaporar o suor resfria um corredor. Quanto suor precisa evaporar para retirar ? Explique, com as ligações de hidrogênio, por que o calor de vaporização da água é tão grande.
Solução
Solução de Exercício 8.7.
. Para vaporizar uma molécula é preciso romper as quatro ligações de hidrogênio dela; são , aproximadamente a energia de duas ligações por molécula (cada ligação sendo compartilhada por duas).
Exercício 8.8 ★★
A reação glicose-1-fosfato glicose-6-fosfato tem a . Calcule . Numa célula em que a glicose-6-fosfato está a e a glicose-1-fosfato a , calcule e diga para que lado a reação corre.
Solução
Solução de Exercício 8.8.
. Na célula: : 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 ; 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 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 da hidrólise do ATP numa célula muscular em que o ATP está a , o ADP a e o a , a ; e depois num músculo fatigado em que o ATP está a , o ADP a e o a . O que a fadiga fez com a energia disponível por ATP?
Solução
Solução de Exercício 8.10.
. Em repouso: , : . Fatigado: , : . A fadiga cortou a energia por ATP em , 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 tem um volume interno de . Quantos íons livres ela contém? Compare com os grupos tamponantes dela. O que a comparação diz sobre o sentido da expressão “o pH de uma célula”?
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 ; a célula mantém o ATP mil vezes acima do ADP, de modo que a hidrólise dele libera 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 , dióxido de carbono dissolvido (proporcional à pressão parcial dele: uma pressão parcial de dá ). O sistema do bicarbonato tem p efetivo de 6.1: . Volume de sangue: . As proteínas plasmáticas e a hemoglobina acrescentam um segundo tampão, de capacidade de por litro e por unidade de pH. Uma corrida de velocidade libera de ácido lático (um ácido forte no pH do sangue) no sangue em um minuto.
Parte I — O estado de repouso.
- Verifique o pH do sangue arterial a partir dos valores de bicarbonato e de dióxido de carbono.
- Calcule o em pH 7.40, em nanomols por litro.
- Quantos prótons livres há em todo o volume de sangue? Compare com os de bicarbonato.
- Calcule a razão entre bicarbonato e dióxido de carbono dissolvido e a fração do par tamponante presente como base.
- O sangue venoso tem uma pressão parcial de de e de bicarbonato. Calcule o pH dele.
- Por que um p 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 dissolvido.
- Calcule a concentração de ácido lático acrescentada ao sangue.
- Calcule o novo bicarbonato e o novo dissolvido se todo o ácido for tamponado pelo bicarbonato.
- Calcule o pH resultante.
- Calcule o pH que o mesmo ácido daria em de água pura.
- O sistema bicarbonato fechado é um bom tampão para essa carga? Quantifique pelo desvio de pH.
- Calcule a variação de 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 dissolvido em , expelindo o excesso.
- Calcule o pH com o bicarbonato no novo valor dele e o mantido em .
- Quantos milimols de os pulmões precisam remover, além da eliminação de repouso, para manter o valor?
- A eliminação de repouso é de de por minuto. Por qual fator a ventilação precisa subir durante um minuto para depurar o excesso?
- O corredor hiperventila mais ainda, levando a pressão parcial de a . Calcule o novo dissolvido e o pH.
- Inclua agora o tampão proteico: dos 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 fixo) e a parcela de prótons que cada tampão capta.
- Recalcule o pH depois da corrida com os dois tampões.
Parte IV — A recuperação e o rim.
- 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 constante?
- Um paciente com insuficiência renal retém 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.
- Um paciente com doença pulmonar retém a uma pressão parcial de , com bicarbonato a . Calcule o pH. Os rins respondem ao longo de dias elevando o bicarbonato a ; calcule o pH então.
- 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.
- Os rins excretam os de ácido de um dia em de urina em pH 5. Calcule os prótons livres nessa urina e conclua como o ácido é transportado.
- Um vômito perde de HCl. Preveja o sentido da mudança de pH e calcule-a para o sistema aberto.
- Enuncie o resultado: o desvio de pH do sangue para uma carga de de lactato no sistema fechado, no sistema aberto só com bicarbonato, e com os tampões proteicos incluídos.
Solução
Solução de Problema 8.1.
1. . 2. . 3. , seiscentas mil vezes menos que o bicarbonato. 4. ; pH . 5. Num frasco a razão deixa pouco parceiro ácido para absorver base, e a capacidade é baixa a uma unidade do p; 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 p. 6. ; a base é do par. 7. . 8. Bicarbonato ; . 9. pH . 10. : pH . 11. Um desvio de 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 passa de a : uma elevação de para acrescentados, ou seja, um próton em fica livre; os demais estão no bicarbonato. 13. pH . 14. O gerado: . 15. em um minuto, além dos : sete vezes mais. 16. ; pH . 17. Bicarbonato aberto perto de 7.4: o pH muda uma unidade quando o bicarbonato cai dez vezes, de a , ou seja, de ácido por unidade; mas nas primeiras unidades a inclinação local é por unidade. Contra os por unidade das proteínas, o bicarbonato capta cerca de dos prótons, e as proteínas . 18. O bicarbonato capta : ; pH (a parcela das proteínas é compatível com os por unidade unidade , perto dos delas). 19. Remover o ácido regenera o bicarbonato consumido (de de volta a ) e, com o mantido, o pH volta a 7.40. 20. de bicarbonato perdidos por dia; depois de três dias, : 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, . 21. ; pH . Com o bicarbonato a : . 22. Os pulmões mudam o denominador ( 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, : livres em , um quatro-milésimo dos ; o ácido sai ligado a tampões — como amônio e como di-hidrogenofosfato. 24. Perder ácido eleva o pH: o bicarbonato sobe , chegando a ; pH (alcalose), antes que os pulmões e os rins compensem. 25. Fechado: de 7.40 a 6.06, um desvio de . Aberto, só com bicarbonato: até 7.10, um desvio de . Aberto com as proteínas: até 7.22, um desvio de .