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title: "A água e as pequenas biomoléculas"
book: "Biologia universitária — 1.º ano"
subject: biology
language: pt
chapter: 8
exercises: 12
source: https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/8-a-agua-e-as-pequenas-biomoleculas
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# Capítulo 8 — A 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](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell), 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](#def-b1-water-small-molecules-ph) e dos [tampões](#def-b1-water-small-molecules-buffer), as pequenas moléculas orgânicas com que as macromoléculas dos quatro capítulos seguintes são construídas, e a moeda da energia — o [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) — com que a [célula](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) paga por construí-las.

## 8.1 A água

**Definição 8.1 (A molécula de água).**

A água, $\mathrm{H_2O}$, é uma molécula angular (o ângulo H–O–H é de $104.5^\circ$) 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.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-water-small-molecules/fig-eb30c7659eb8.svg)

*Uma molécula de água (ângulo H–O–H de $104.5^\circ$) e as quatro vizinhas ligadas a ela por pontes de hidrogênio. A molécula angular e [polar](#def-b1-water-small-molecules-water) doa duas [ligações de hidrogênio](#def-b1-water-small-molecules-water) 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](#def-b1-water-small-molecules-water) explica as propriedades excepcionais da água:

- uma *coesão* e uma tensão superficial altas ( $72\,\mathrm{mN}/\mathrm{m}$ ): colunas de água podem ser puxadas até o alto de uma árvore sem se romper ( [Capítulo 24](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/24-trocas-gasosas-e-transporte-de-seiva-nas-plantas#ch-b1-plant-transport) ); insetos andam sobre os lagos;
- uma *capacidade térmica* alta ( $4.18\,\mathrm{kJ}\,\mathrm{kg}^{-1}\,\mathrm{K}^{-1}$ ) e um calor de vaporização alto ( $2.4\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ ): as temperaturas dos [organismos](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/1-o-organismo-um-sistema-em-interacao-com-o-ambiente#def-b1-organism-environment-organism) e das massas de água mudam devagar, e evaporar um grama de suor retira $2.4\,\mathrm{kJ}$ ;
- 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](#def-b1-water-small-molecules-water) , 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 $20\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$. 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](#def-b1-water-small-molecules-water) são estabilizados por [ligações de hidrogênio](#def-b1-water-small-molecules-water) 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.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-water-small-molecules/img-5bf2f442a2ee.jpg)

*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](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/12-aminoacidos-e-proteinas#ch-b1-proteins)), monta uma membrana (as caudas dos lipídios se juntam longe da água, [Capítulo 9](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/9-lipidios#ch-b1-lipids)) 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 $300\text{ to }500\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ para ser rompida: os esqueletos das moléculas são covalentes, e só as enzimas os fazem ou os rompem na [célula](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell). 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](#def-b1-water-small-molecules-water)* ($4\text{ to }20\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ em água); a *ligação iônica* entre cargas opostas (cerca de $12\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ em água, cuja constante dielétrica blinda as cargas oitenta vezes); as atrações *de van der Waals* entre dois átomos quaisquer em contato próximo ($1\text{ to }4\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ cada, mas somadas sobre toda uma superfície); e o *[efeito hidrofóbico](#prop-b1-water-small-molecules-properties)*, 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 $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ é $RT = 2.6\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$. 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](#def-b1-water-small-molecules-bonds), 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](#def-b1-water-small-molecules-water) por par de [bases](#def-b1-water-small-molecules-ph), 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 $90\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, e se reúnem, exatamente no mesmo registro, quando ela baixa ([Capítulo 11](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/11-nucleotideos-e-acidos-nucleicos#ch-b1-nucleic-acids)). Específico, forte pelo número, reversível.

## 8.3 Ácidos, bases e tampões

**Definição 8.7 (pH, ácido, base, pKaK_aKa​).**

A água se dissocia ligeiramente, $\mathrm{H_2O} \rightleftharpoons
\mathrm{H^+} + \mathrm{OH^-}$, com $[\mathrm{H^+}][\mathrm{OH^-}] =
K_w = 10^{-14}\,\mathrm{mol}^{2}/\mathrm{L}^{2}$ a $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. O *pH* é $-\log_{10}[\mathrm{H^+}]$: 7 para água pura, menor para os ácidos, maior para as bases. Um *ácido* $\mathrm{HA}$ libera um próton, $\mathrm{HA} \rightleftharpoons \mathrm{H^+} +
\mathrm{A^-}$, com constante de dissociação $K_a =
[\mathrm{H^+}][\mathrm{A^-}]/[\mathrm{HA}]$ e *p$K_a$* $= -\log_{10}K_a$; a *base* conjugada dele, $\mathrm{A^-}$, aceita um. Um ácido forte (HCl) está totalmente dissociado; os ácidos da [célula](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) (ácidos carboxílicos, fosfatos, amônio) são fracos, com p$K_a$ entre 2 e 10.

**Teorema 8.8 (Henderson–Hasselbalch).**

Para um ácido fraco em solução,

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

Em $\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a$ o ácido está meio dissociado; uma unidade de [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) acima, ele está $91\,\%$ dissociado; uma abaixo, $9\,\%$.

**Demonstração.** Tome o logaritmo de $K_a = [\mathrm{H^+}][\mathrm{A^-}]/[\mathrm{HA}]$: $\log K_a = \log[\mathrm{H^+}] + \log([\mathrm{A^-}]/[\mathrm{HA}])$, ou seja, $-\mathrm{p}K_a = -\mathrm{pH} + \log([\mathrm{A^-}]/[\mathrm{HA}])$. A razão vale $1$, $10$ e $0.1$ em [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $= \mathrm{p}K_a$, $\mathrm{p}K_a + 1$ e $\mathrm{p}K_a - 1$. ∎

**Definição 8.9 (Tampão).**

Um *tampão* é uma solução que contém um ácido fraco e a [base](#def-b1-water-small-molecules-ph) conjugada dele em quantidades comparáveis; ele resiste a uma mudança de [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph), porque o $\mathrm{H^+}$ acrescentado é captado pelo $\mathrm{A^-}$ e o $\mathrm{OH^-}$ acrescentado, pelo $\mathrm{HA}$. Ele funciona melhor dentro de uma unidade do p$K_a$, e a *capacidade* dele cresce com a concentração total do par. Os tampões da [célula](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell): o fosfato ($\mathrm{H_2PO_4^-}/\mathrm{HPO_4^{2-}}$, p$K_a$ 6.8) e as cadeias laterais das proteínas dentro das [células](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell); o bicarbonato ($\mathrm{CO_2}/\mathrm{HCO_3^-}$, p$K_a$ 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.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-water-small-molecules/fig-84f350560482.svg)

*Titulação de um ácido fraco (fosfato, p$K_a$ 6.8) por uma [base](#def-b1-water-small-molecules-ph). A curva é plana em torno do p$K_a$: ali, acrescentar [base](#def-b1-water-small-molecules-ph) muda a razão entre [base](#def-b1-water-small-molecules-ph) e ácido, mas quase não muda o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph). Fora da faixa o [pH](#def-b1-water-small-molecules-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.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-water-small-molecules/img-84d743c72e32.jpg)

*A escala de [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) tornada visível com um indicador universal: do vermelho em [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 2 ao violeta em [pH](#def-b1-water-small-molecules-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](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/6-organizacao-funcional-da-celula-eucariotica#def-b1-eukaryotic-cell-organelle) em 7.2, o [lisossomo](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/6-organizacao-funcional-da-celula-eucariotica#def-b1-eukaryotic-cell-endomembrane) 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 p $K_a$ dele na temperatura de trabalho.
2. Aplique Henderson–Hasselbalch para obter a razão [base](#def-b1-water-small-molecules-ph) /ácido a partir do [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) , ou o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) a partir das concentrações.
3. Para acrescentar um ácido forte: subtraia a quantidade dele da [base](#def-b1-water-small-molecules-ph) e some-a ao ácido, e recalcule o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) . Para acrescentar uma [base](#def-b1-water-small-molecules-ph) 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](#def-b1-water-small-molecules-buffer) abertos seguram o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) muito melhor que os fechados.

**Exemplo 8.11 (O sangue).**

O sangue arterial contém $24\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de bicarbonato e $\mathrm{CO_2}$ dissolvido a $1.2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ (fixado pelos pulmões): $\mathrm{pH} =
6.1 + \log(24/1.2) = 6.1 + 1.30 = 7.4$. Acrescentar $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de ácido converte $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de bicarbonato em $\mathrm{CO_2}$; se os pulmões expelirem esse $\mathrm{CO_2}$ e mantiverem o valor dissolvido, o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) passa a $6.1 + \log(19/1.2) = 7.30$; num frasco fechado o $\mathrm{CO_2}$ subiria a $6.2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ e o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) cairia a $6.1 + \log(19/6.2) =
6.59$. Os pulmões fazem a diferença.

## 8.4 Pequenas biomoléculas

**Definição 8.12 (Grupos funcionais).**

As moléculas orgânicas da [célula](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) são esqueletos de carbono que carregam um pequeno conjunto de *grupos funcionais* que determinam a química delas:

| grupo | fórmula | propriedade | encontrado em |
| --- | --- | --- | --- |
| hidroxila | $-\mathrm{OH}$ | [polar](#def-b1-water-small-molecules-water), faz pontes de H | açúcares, álcoois |
| carbonila | $>\!\mathrm{C{=}O}$ | [polar](#def-b1-water-small-molecules-water), reativa | aldoses, cetoses |
| carboxila | $-\mathrm{COOH}$ | ácida (p$K_a \approx 4$) | ácidos graxos, aminoácidos |
| amino | $-\mathrm{NH_2}$ | básica (p$K_a \approx 9$) | aminoácidos |
| fosfato | $-\mathrm{OPO_3^{2-}}$ | carregado, ligações ricas em energia | nucleotídeos, [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) |
| sulfidrila | $-\mathrm{SH}$ | forma pontes S–S | cisteína |
| metila | $-\mathrm{CH_3}$ | apolar | lipídios, marcas no DNA |

No [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) da [célula](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) os grupos carboxila estão ionizados ($-\mathrm{COO^-}$) e os grupos amino, protonados ($-\mathrm{NH_3^+}$).

**Proposição 8.13 (Quatro famílias de blocos de construção).**

Quase toda a matéria orgânica de uma [célula](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) é construída a partir de quatro tipos de molécula pequena, cada um de algumas centenas de dáltons: os *açúcares* ([Capítulo 10](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/10-carboidratos#ch-b1-carbohydrates)), os *ácidos graxos* ([Capítulo 9](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/9-lipidios#ch-b1-lipids)), os *aminoácidos* ([Capítulo 12](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/12-aminoacidos-e-proteinas#ch-b1-proteins)) e os *nucleotídeos* ([Capítulo 11](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/11-nucleotideos-e-acidos-nucleicos#ch-b1-nucleic-acids)). 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](#def-b1-water-small-molecules-atp); a [hidrólise](#prop-b1-water-small-molecules-families) 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.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-water-small-molecules/fig-511ff77c25c8.svg)

*A condensação une dois blocos de construção com perda de uma molécula de água; a [hidrólise](#prop-b1-water-small-molecules-families) 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 $55\,\%$, o RNA $20\,\%$, o DNA $3\,\%$, os lipídios $9\,\%$, os polissacarídeos $5\,\%$, 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 $150\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$, o glutamato a $100\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$, o [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) a $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$, e um fator de transcrição a algumas moléculas por [célula](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell).

## 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](#prop-b1-water-small-molecules-gibbs) de Gibbs $G$. Para $\mathrm{A} + \mathrm{B} \rightleftharpoons \mathrm{C} + \mathrm{D}$,

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

em que $\Delta G^{\circ\prime}$ é a variação padrão de [energia livre](#prop-b1-water-small-molecules-gibbs) (todas as concentrações a $1\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$, [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 7) e o termo logarítmico corrige para as concentrações reais. No equilíbrio $\Delta G = 0$, de modo que $\Delta G^{\circ\prime} = -RT\ln K'_{\text{eq}}$: cada $5.7\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ de $\Delta G^{\circ\prime}$ desloca a constante de equilíbrio dez vezes. O $\Delta G$ diz para que lado uma reação pode ir, não com que rapidez: isso é assunto da enzima ([Capítulo 13](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/13-enzimas-e-catalise-bioquimica#ch-b1-enzymes)).

**Demonstração.** O potencial químico de cada espécie é $\mu = \mu^\circ + RT\ln c$ (o resultado para soluções ideais, do curso de física); $\Delta G$ 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 $K'_{\text{eq}}$. ∎

**Definição 8.16 (ATP, acoplamento).**

O *ATP* (trifosfato de adenosina) é um nucleotídeo ([Capítulo 11](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/11-nucleotideos-e-acidos-nucleicos#ch-b1-nucleic-acids)) que carrega três fosfatos enfileirados; as duas ligações externas são *ligações fosfoanidrido*, cuja [hidrólise](#prop-b1-water-small-molecules-families), $\mathrm{ATP} + \mathrm{H_2O} \to \mathrm{ADP} +
\mathrm{P_i}$, tem $\Delta G^{\circ\prime} = -30.5\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ e, nas concentrações de uma [célula](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell), $\Delta G \approx -50\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$. O ATP é a *moeda energética* da [célula](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell): o catabolismo o produz ([Capítulo 15](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/15-respiracao-celular-e-fermentacao#ch-b1-respiration-fermentation)), e a biossíntese, o transporte e o movimento o gastam. Uma reação morro acima é levada a ocorrer pelo *acoplamento* dela à [hidrólise](#prop-b1-water-small-molecules-families) do ATP por meio de um intermediário comum, de modo que a soma dos dois $\Delta G$ seja negativa.

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

São três razões: as quatro cargas negativas dos fosfatos do [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) se repelem e são aliviadas pela clivagem; os produtos $\mathrm{ADP}$ e $\mathrm{P_i}$ são mais bem estabilizados por ressonância e por hidratação do que o anidrido; e a [célula](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) mantém o [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) mil vezes acima do equilíbrio dele com ADP e fosfato. O último é o maior termo: com [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) a $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$, ADP a $1\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ e $\mathrm{P_i}$ a $10\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$, $\Delta G = -30.5 + 2.58\ln\frac{10^{-3}\times 10^{-2}}{5\times 10^{-3}}
= -30.5 - 16 = -46.5\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$.

**Exemplo 8.18 (Acoplamento).**

Glicose $+\ \mathrm{P_i} \to$ glicose-6-fosfato $+\ \mathrm{H_2O}$ tem $\Delta G^{\circ\prime} = +13.8\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$: no equilíbrio quase nenhuma glicose estaria fosforilada. A hexoquinase, em vez disso, transfere o fosfato diretamente do [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp): glicose $+$ [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) $\to$ glicose-6-fosfato $+$ ADP, $\Delta G^{\circ\prime} = 13.8 - 30.5 =
-16.7\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$, constante de equilíbrio $800$, 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 de Exercício 8.1.**

A molécula angular e [polar](#def-b1-water-small-molecules-water) 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](#def-b1-water-small-molecules-water) com grupos [polares](#def-b1-water-small-molecules-water). O óleo não tem cargas nem grupos [polares](#def-b1-water-small-molecules-water) 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 de Exercício 8.2.**

[Ligação de hidrogênio](#def-b1-water-small-molecules-water) ($4\text{ to }20\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$): pareamento de [bases](#def-b1-water-small-molecules-ph) no DNA, estrutura secundária das proteínas. [Ligação iônica](#def-b1-water-small-molecules-bonds) (cerca de $12\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ em água): pontes salinas nas proteínas, ligação do substrato. [Efeito hidrofóbico](#prop-b1-water-small-molecules-properties) (não é uma ligação, mas é comparável no total): montagem das membranas, dobramento das proteínas. Van der Waals ($1\text{ to }4\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ cada): o empacotamento próximo de duas superfícies complementares quaisquer, o encaixe enzima–substrato.

**Exercício 8.3 ★.**

Calcule o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) de uma solução em que $[\mathrm{H^+}] = 4 \times 10^{-8}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$, e o $[\mathrm{H^+}]$ do suco gástrico em [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 1.5.

**Solução de Exercício 8.3.**

$\mathrm{pH} = -\log(4\times 10^{-8}) = 7.4$. Em [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 1.5, $[\mathrm{H^+}] = 10^{-1.5} = 0.032\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$.

**Exercício 8.4 ★.**

A partir da figura da titulação, em que faixa de [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) o [tampão](#def-b1-water-small-molecules-buffer) fosfato funciona, e qual é a razão entre [base](#def-b1-water-small-molecules-ph) e ácido em [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 7.4?

**Solução de Exercício 8.4.**

De cerca de 5.8 a 7.8 (p$K_a \pm 1$). Em 7.4: $\log(\text{base}/\text{ácido})
= 0.6$, razão $4$.

**Exercício 8.5 ★★.**

O ácido acético tem p$K_a$ 4.76. Que fração está ionizada em [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 4.76, em [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 7.2 (o [citosol](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/6-organizacao-funcional-da-celula-eucariotica#def-b1-eukaryotic-cell-organelle)) e em [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 2 (o estômago)? Qual forma atravessa uma membrana com mais facilidade, e onde o ácido acético seria absorvido?

**Solução de Exercício 8.5.**

Em [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 4.76: $50\,\%$. Em 7.2: $\log(\mathrm{A^-}/\mathrm{HA}) =
2.44$, razão $275$: $99.6\,\%$ ionizado. Em [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 2: razão $10^{-2.76} =
1/575$: $0.2\,\%$ ionizado. A forma ácida neutra atravessa a [bicamada lipídica](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/7-membranas-e-transporte-de-membrana#def-b1-membranes-transport-membrane); o ácido acético é absorvido no estômago, onde está não ionizado, e fica retido como acetato no [citosol](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/6-organizacao-funcional-da-celula-eucariotica#def-b1-eukaryotic-cell-organelle).

**Exercício 8.6 ★★.**

Um [tampão](#def-b1-water-small-molecules-buffer) contém $50\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de $\mathrm{HPO_4^{2-}}$ e $50\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de $\mathrm{H_2PO_4^-}$ (p$K_a$ 6.8). Calcule o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) dele. Calcule o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) depois de acrescentar $10\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de HCl, e depois de acrescentar o mesmo HCl a água pura.

**Solução de Exercício 8.6.**

[pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $= 6.8 + \log 1 = 6.8$. Depois do HCl: [base](#def-b1-water-small-molecules-ph) $40$, ácido $60$: [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $= 6.8 +
\log(40/60) = 6.62$. Em água pura, $[\mathrm{H^+}] = 0.01\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$: [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $2$.

**Exercício 8.7 ★★.**

Evaporar o suor resfria um corredor. Quanto suor precisa evaporar para retirar $500\,\mathrm{kJ}$? Explique, com as [ligações de hidrogênio](#def-b1-water-small-molecules-water), por que o calor de vaporização da água é tão grande.

**Solução de Exercício 8.7.**

$500/2.4 = 208\,\mathrm{g}$. Para vaporizar uma molécula é preciso romper as quatro [ligações de hidrogênio](#def-b1-water-small-molecules-water) dela; $2.4\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ são $43\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$, 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 $K'_{\text{eq}} = 19$ a $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. Calcule $\Delta G^{\circ\prime}$. Numa [célula](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) em que a glicose-6-fosfato está a $2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ e a glicose-1-fosfato a $0.02\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$, calcule $\Delta G$ e diga para que lado a reação corre.

**Solução de Exercício 8.8.**

$\Delta G^{\circ\prime} = -RT\ln 19 = -2.48\times 2.94 =
-7.3\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$. Na [célula](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell): $\Delta G = -7.3 + 2.48\ln(2/0.02) =
-7.3 + 11.4 = +4.1\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$: 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 de Exercício 8.9.**

A água é mais densa a $4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$; 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 $4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ 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 $\Delta G$ da [hidrólise](#prop-b1-water-small-molecules-families) do [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) numa [célula](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) muscular em que o [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) está a $8\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$, o ADP a $0.9\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ e o $\mathrm{P_i}$ a $8\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$, a $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$; e depois num músculo fatigado em que o [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) está a $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$, o ADP a $3\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ e o $\mathrm{P_i}$ a $30\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$. O que a fadiga fez com a energia disponível por [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp)?

**Solução de Exercício 8.10.**

$RT = 2.58\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$. Em repouso: $Q = 0.9\times 10^{-3}\times 8\times
10^{-3}/8\times 10^{-3} = 9\times 10^{-4}$, $\ln Q = -7.0$: $\Delta G =
-30.5 - 18.1 = -48.6\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$. Fatigado: $Q = 3\times 10^{-3}\times
30\times 10^{-3}/5\times 10^{-3} = 0.018$, $\ln Q = -4.0$: $\Delta G =
-30.5 - 10.4 = -40.9\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$. A fadiga cortou a energia por [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) em $16\,\%$, o bastante para retardar as bombas e os motores que consomem a maior parte dela.

**Exercício 8.11 ★★★.**

Uma [célula](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) em [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 7.2 e a $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ tem um volume interno de $1000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$. Quantos íons $\mathrm{H^+}$ livres ela contém? Compare com os $3 \times 10^{9}$ grupos tamponantes dela. O que a comparação diz sobre o sentido da expressão “o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) de uma [célula](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell)”?

**Solução de Exercício 8.11.**

$[\mathrm{H^+}] = 10^{-7.2} = 6.3 \times 10^{-8}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$; volume de $1 \times 10^{-12}\,\mathrm{L}$: $6.3 \times 10^{-20}\,\mathrm{mol}\times6 \times 10^{23} = 38$ prótons. Contra $3 \times 10^{9}$ grupos tamponantes: o “[pH](#def-b1-water-small-molecules-ph)” não é uma contagem de prótons, e sim o estado de protonação dos [tampões](#def-b1-water-small-molecules-buffer), 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](#def-b1-water-small-molecules-atp), o acoplamento, e o que acontece com uma [célula](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) cujo [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) chega ao equilíbrio com o ADP.

**Solução de Exercício 8.12.**

No equilíbrio o [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp), o ADP e o fosfato ficariam numa razão de cerca de $10^{-5}$; a [célula](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) mantém o [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) mil vezes acima do ADP, de modo que a [hidrólise](#prop-b1-water-small-molecules-families) dele libera $50\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ 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](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) cujo [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) chega ao equilíbrio não tem gradiente a gastar: as bombas param, os íons vazam, a [célula](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/5-a-celula-unidade-da-vida#def-b1-cell-unit-of-life-cell) 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](#def-b1-water-small-molecules-ph) 7.40, bicarbonato $[\mathrm{HCO_3^-}] =
24\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$, dióxido de carbono dissolvido $[\mathrm{CO_2}] =
1.2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ (proporcional à pressão parcial dele: uma pressão parcial de $40\,\mathrm{mmHg}$ dá $1.2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$). O sistema do bicarbonato tem p$K_a$ efetivo de 6.1: $\mathrm{CO_2} + \mathrm{H_2O}
\rightleftharpoons \mathrm{H^+} + \mathrm{HCO_3^-}$. Volume de sangue: $5\,\mathrm{L}$. As proteínas plasmáticas e a hemoglobina acrescentam um segundo [tampão](#def-b1-water-small-molecules-buffer), de capacidade $25\,\mathrm{mmol}$ de $\mathrm{H^+}$ por litro e por unidade de [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph). Uma corrida de velocidade libera $60\,\mathrm{mmol}$ de ácido lático (um ácido forte no [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) do sangue) no sangue em um minuto.

**Parte I — O estado de repouso.**

1. Verifique o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) do sangue arterial a partir dos valores de bicarbonato e de dióxido de carbono.
2. Calcule o $[\mathrm{H^+}]$ em [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 7.40, em nanomols por litro.
3. Quantos prótons livres há em todo o volume de sangue? Compare com os $120\,\mathrm{mmol}$ de bicarbonato.
4. Calcule a razão entre bicarbonato e dióxido de carbono dissolvido e a fração do par tamponante presente como [base](#def-b1-water-small-molecules-ph) .
5. O sangue venoso tem uma pressão parcial de $\mathrm{CO_2}$ de $46\,\mathrm{mmHg}$ e $25\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de bicarbonato. Calcule o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) dele.
6. Por que um p $K_a$ de 6.1, mais de uma unidade abaixo do [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) do sangue, não é uma desvantagem para esse [tampão](#def-b1-water-small-molecules-buffer) 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 $\mathrm{CO_2}$ dissolvido.

7. Calcule a concentração de ácido lático acrescentada ao sangue.
8. Calcule o novo bicarbonato e o novo $\mathrm{CO_2}$ dissolvido se todo o ácido for tamponado pelo bicarbonato.
9. Calcule o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) resultante.
10. Calcule o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) que o mesmo ácido daria em $5\,\mathrm{L}$ de água pura.
11. O sistema bicarbonato fechado é um bom [tampão](#def-b1-water-small-molecules-buffer) para essa carga? Quantifique pelo desvio de [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) .
12. Calcule a variação de $[\mathrm{H^+}]$ entre o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 7.40 e o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) da questão 9, e a fração dos prótons acrescentados que permanece livre em solução.

**Parte III — A corrida, [sistema aberto](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/1-o-organismo-um-sistema-em-interacao-com-o-ambiente#def-b1-organism-environment-organism).** Agora os pulmões mantêm o $\mathrm{CO_2}$ dissolvido em $1.2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$, expelindo o excesso.

13. Calcule o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) com o bicarbonato no novo valor dele e o $\mathrm{CO_2}$ mantido em $1.2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ .
14. Quantos milimols de $\mathrm{CO_2}$ os pulmões precisam remover, além da eliminação de repouso, para manter o valor?
15. A eliminação de repouso é de $10\,\mathrm{mmol}$ de $\mathrm{CO_2}$ por minuto. Por qual fator a ventilação precisa subir durante um minuto para depurar o excesso?
16. O corredor hiperventila mais ainda, levando a pressão parcial de $\mathrm{CO_2}$ a $30\,\mathrm{mmHg}$ . Calcule o novo $\mathrm{CO_2}$ dissolvido e o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) .
17. Inclua agora o [tampão](#def-b1-water-small-molecules-buffer) proteico: dos $60\,\mathrm{mmol}$ de prótons, uma parcela é captada pelas proteínas, na proporção das capacidades dos dois [tampões](#def-b1-water-small-molecules-buffer) . Estime a capacidade do sistema bicarbonato aberto perto do [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 7.4 (os milimols de ácido por litro que deslocam o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) em uma unidade, a partir de Henderson–Hasselbalch com o $\mathrm{CO_2}$ fixo) e a parcela de prótons que cada [tampão](#def-b1-water-small-molecules-buffer) capta.
18. Recalcule o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) depois da corrida com os dois [tampões](#def-b1-water-small-molecules-buffer) .

**Parte IV — A recuperação e o rim.**

19. Ao longo da hora seguinte o fígado oxida o lactato (removendo o ácido). O que acontece com o bicarbonato e com o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) , com os pulmões mantendo o $\mathrm{CO_2}$ constante?
20. Um paciente com insuficiência renal retém $60\,\mathrm{mmol}$ de ácido por dia e não consegue excretá-lo. Calcule a queda diária do bicarbonato ( [sistema aberto](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/1-o-organismo-um-sistema-em-interacao-com-o-ambiente#def-b1-organism-environment-organism) ) e o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) depois de três dias, se o bicarbonato não for reposto.
21. Um paciente com doença pulmonar retém $\mathrm{CO_2}$ a uma pressão parcial de $60\,\mathrm{mmHg}$ , com bicarbonato a $24\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ . Calcule o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) . Os rins respondem ao longo de dias elevando o bicarbonato a $33\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ ; calcule o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) então.
22. Explique em duas frases por que os pulmões corrigem o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) em minutos e os rins em dias, e o que cada um controla na razão de Henderson–Hasselbalch.
23. Os rins excretam os $60\,\mathrm{mmol}$ de ácido de um dia em $1.5\,\mathrm{L}$ de urina em [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 5. Calcule os prótons livres nessa urina e conclua como o ácido é transportado.
24. Um vômito perde $100\,\mathrm{mmol}$ de HCl. Preveja o sentido da mudança de [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) e calcule-a para o [sistema aberto](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/1-o-organismo-um-sistema-em-interacao-com-o-ambiente#def-b1-organism-environment-organism) .
25. Enuncie o resultado: o desvio de [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) do sangue para uma carga de $60\,\mathrm{mmol}$ de lactato no sistema fechado, no [sistema aberto](https://one-course.com/books/biology/3/pt/chapter/1-o-organismo-um-sistema-em-interacao-com-o-ambiente#def-b1-organism-environment-organism) só com bicarbonato, e com os [tampões](#def-b1-water-small-molecules-buffer) proteicos incluídos.

**Solução de Problema 8.1.**

**1.** $6.1 + \log(24/1.2) = 6.1 + 1.301 = 7.40$. **2.** $10^{-7.4} = 4.0 \times 10^{-8}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L} = 40\,\mathrm{nmol}/\mathrm{L}$. **3.** $40\times 5 = 200\,\mathrm{nmol}$, seiscentas mil vezes menos que o bicarbonato. **4.** $\mathrm{CO_2} = 1.2\times 46/40 = 1.38\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$; [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $= 6.1 + \log(25/1.38) = 6.1 + 1.258 = 7.36$. **5.** Num frasco a razão $20:1$ deixa pouco parceiro ácido para absorver [base](#def-b1-water-small-molecules-ph), e a capacidade é baixa a uma unidade do p$K_a$; 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 p$K_a$. **6.** $24/1.2 = 20$; a [base](#def-b1-water-small-molecules-ph) é $20/21 = 95\,\%$ do par. **7.** $60/5 = 12\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$. **8.** Bicarbonato $24 - 12 = 12\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$; $\mathrm{CO_2}$ $1.2 + 12 = 13.2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$. **9.** [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $= 6.1 + \log(12/13.2) = 6.1 - 0.04 = 6.06$. **10.** $[\mathrm{H^+}] = 0.012\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$: [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $1.92$. **11.** Um desvio de $1.34$ unidade: ele salva o sangue do [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 1.9, mas 6.06 fica muito abaixo do que qualquer enzima tolera. Ruim, como sistema fechado. **12.** O $[\mathrm{H^+}]$ passa de $40\,\mathrm{nmol}/\mathrm{L}$ a $10^{-6.06} = 870\,\mathrm{nmol}/\mathrm{L}$: uma elevação de $0.83\,\text{µ}\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ para $12\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ acrescentados, ou seja, um próton em $14\,000$ fica livre; os demais estão no bicarbonato. **13.** [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $= 6.1 + \log(12/1.2) = 6.1 + 1.0 = 7.10$. **14.** O $\mathrm{CO_2}$ gerado: $12\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}\times
5\,\mathrm{L} = 60\,\mathrm{mmol}$. **15.** $60\,\mathrm{mmol}$ em um minuto, além dos $10\,\mathrm{mmol}$: sete vezes mais. **16.** $\mathrm{CO_2} = 0.9\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$; [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $= 6.1 +
\log(12/0.9) = 6.1 + 1.125 = 7.22$. **17.** Bicarbonato aberto perto de 7.4: o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) muda uma unidade quando o bicarbonato cai dez vezes, de $24\,$ a $2.4\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$, ou seja, $21.6\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de ácido por unidade; mas nas primeiras unidades a inclinação local é $2.3\times[\mathrm{HCO_3^-}] =
55\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ por unidade. Contra os $25\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ por unidade das proteínas, o bicarbonato capta cerca de $55/80 = 69\,\%$ dos prótons, e as proteínas $31\,\%$. **18.** O bicarbonato capta $0.69\times 12 = 8.3\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$: $24 - 8.3 = 15.7\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$; [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $= 6.1 + \log(15.7/1.2) = 6.1 +
1.117 = 7.22$ (a parcela das proteínas é compatível com os $25\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ por unidade $\times 0.18$ unidade $= 4.5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$, perto dos $3.7\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ delas). **19.** Remover o ácido regenera o bicarbonato consumido (de $12\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de volta a $24\,$) e, com o $\mathrm{CO_2}$ mantido, o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) volta a 7.40. **20.** $60/5 = 12\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de bicarbonato perdidos por dia; depois de três dias, $24 - 36 < 0$: o bicarbonato se esgota e o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) despenca bem abaixo de 7 — na prática o paciente precisa receber bicarbonato ou ser dialisado; depois de um dia apenas, $6.1 + \log(12/1.2) =
7.10$. **21.** $\mathrm{CO_2} = 1.2\times 60/40 = 1.8\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$; [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $= 6.1 + \log(24/1.8) = 6.1 + 1.125 = 7.22$. Com o bicarbonato a $33\,$: $6.1 + \log(33/1.8) = 6.1 + 1.263 = 7.36$. **22.** Os pulmões mudam o denominador ($\mathrm{CO_2}$ 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](#def-b1-water-small-molecules-ph) 5, $[\mathrm{H^+}] = 10\,\text{µ}\mathrm{mol}/\mathrm{L}$: $15\,\text{µ}\mathrm{mol}$ livres em $1.5\,\mathrm{L}$, um quatro-milésimo dos $60\,\mathrm{mmol}$; o ácido sai ligado a [tampões](#def-b1-water-small-molecules-buffer) — como amônio e como di-hidrogenofosfato. **24.** Perder ácido eleva o [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph): o bicarbonato sobe $100/5 = 20\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$, chegando a $44\,$; [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $= 6.1 + \log(44/1.2) =
6.1 + 1.564 = 7.66$ (alcalose), antes que os pulmões e os rins compensem. **25.** Fechado: de 7.40 a 6.06, um desvio de $-1.34$. Aberto, só com bicarbonato: até 7.10, um desvio de $-0.30$. Aberto com as proteínas: até 7.22, um desvio de $-0.18$.