Átomos, moléculas, ligações químicas e água - Moodle

Átomos, moléculas,
ligações químicas e água
Elementos mais abundantes da crosta terrestre:
O – 47%
Si – 28%
Al – 7,9%
Fe – 4,5%
Ca – 3,5%
Os elementos químicos da Vida
Elementos essenciais
Elementos vestigiais
Lantanídeos
Actinídeos
Evolução das espécies
Evolução química (?)
Adaptação às mudanças
ambientais
Selecção da melhor
substância para uma
função
EVOLUÇÃO QUÍMICA
Conjunto de acontecimentos de natureza química
que ocorreram na Terra, desde a sua origem até ao
aparecimento da primeira célula viva e que
precederam e acompanharam a evolução biológica
Os elementos químicos da vida
Que elementos usa a vida para fabricar os seus
materiais?
Porquê esses elementos e não outros?
Pode haver vida baseada noutro grupo de elementos?
Quais os compostos formados por esses elementos?
Podem ser utilizados outros compostos?
Jacques Monod “O que é verdade para a E.coli,
é verdade para o elefante”
11 elementos químicos são predominantes nos
materiais biológicos (99,9% dos átomos no corpo
humano)
Percentagem de átomos no corpo humano
Elemento
%
Hidrogénio
63
Oxigénio
25,5
Carbono
9,5
Azoto
1,4
Apenas 4 elementos representam 99% do total
7 elementos correspondem a 0,7% do total dos
átomos do corpo humano:
Na, Mg, K, Ca, P, S e Cl
Outros elementos essenciais:
V, Mn, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo Si, Se, F, I
E provavelmente:
As, Br e Sn ( o B é também essencial para
algumas plantas)
A Química da Vida é essencialmente
a Química dos elementos leves
(metais e não metais) de nº atómico
inferior a 30.
O H e o O surgem sobretudo combinados na forma
de água.
O C é relativamente pouco abundante na Terra.o Si
é mais abundante e tem propriedades
semelhantes.
O C é mais versátil (lig. simples duplas e triplas).
Cadeias longas e compostos cíclicos estáveis.
CO2 - óxido solúvel, acessível.
SiO2 – polimérico, insolúvel.
- Si – O - Si – O – Si – O-
Energias de ligação C – C. Si – Si e Si - O
Ligação
Energia de ligação kcal/mole
C-C
83,1
C=C
145,8
C C (tripla)
199,6
C-O
85,5
Si - Si
42,2
Si - O
88,2
O N é preponderante na atmosfera. Só algumas bactérias
e plantas o fixam directamente.
P e S – Entram na constituição das moléculas biológicas.
Os metais na forma de iões: Ca2+ , K+ , Na+ , Mg2+
Aniões principais: Cloreto, fosfato e sulfato.
O cloro aparece nos organismos apenas na forma de Cl- .
Os elementos essenciais são necessários em muito
baixas concentrações.
Funcionamento de enzimas e outras proteínas
Percentagem de átomos
95%
98%
elemento
humanos
plantas
verdes
bactérias
O
62,81
77,80
73,68
C
19,37
11,34
12,41
H
9,31
8,72
9,94
N
5,14
0,83
3,04
P
0,63
0,71
0,60
0,64
0,10
0,32
S
C, N, O, H, P e S – ligações covalentes
cerca de 98% peso seco.
Predominância de C na matéria viva resulta da
sua grande versatilidade química:
Capacidade de formar nº infinito de compostos
4 ligações covalentes estáveis (simples, duplas e triplas)
Forma cadeias C-C de tamanho ilimitado.
13 milhões de compostos – 90% contêm carbono
A versatilidade do Carbono
Metilo
Fenilo
Etilo
Éter
Carbonilo
(aldeído)
Carbonilo
Éster
(cetona)
Carboxilo
Anidrido
(2 carboxilos)
Hidroxilo
Imidazolo
Sulfidrilo
Persulfureto
Tioéster
Fosforilo
Fosfoanidrido
Anidrido misto
amino
imidazolo
metilo
tioéster
amido
fosfoanidrido
amido
metilo
hidroxilo
Acetil-coenzima A
fosforilo
B
C
N
Si
P - formam 3 ou mais ligações
Boro – menos e- de valência (3) do que orbitais (4). Limita
os tipos e estabilidade de compostos que pode formar.
Azoto – 5 e- de valência. Repulsões limitam a energia da
ligação N-N (171kJ.mole-1 vs 348 da C-C). Ligações triplas
muito estáveis (946 kJ.mole-1). Cadeias curtas N – C.
Silício – Grande raio atómico impede sobreposição de
orbitais. Lig. Si-Si fracas. Lig. Si-O muito estáveis (369
kJ.mole-1 ).
Si – O – Si silicatos naturais inertes
Fósforo – Ligações covalentes ainda menos estáveis.
Ligações heteronucleares:
Proteínas
Glúcidos
Ácidos nucleicos
–C–N–
-C–O–
-C–O–P–
Locais de clivagem química
Ligações homonucleares que não – C – C – são muito raras
nos sistemas biológicos (excepção ligações - S – S - )
Componentes moleculares de E. Coli
% do peso total
Diferentes tipos
de moléculas
Água
Proteínas
Ácidos nucleicos
Poliósidos
Lípidos
Subunidades monoméricas
e metabolitos
Iões inorgânicos
Organização polimérica de proteínas, ácidos nucleicos
e polissacáridos
Uma proteína … - Alanina – Tirosina – Leucina – Valina – Serina
Um ac. nucleico … - Adenina – Guanina – Timina – Adenina –
Um polisacárido … - Glucose – Galactose – Manose
l
Frutose
Proteínas sintetizadas a partir de 20 aminoácidos
Ác. nucleicos constituídos por 8 nucleótidos (4 DNA, 4 RNA)
Polissacáridos com cerca de 8 tipos de glúcidos
Ligações químicas em biomoléculas
Ligações covalentes
As interacções moleculares reversíveis estão
no âmago da Vida!
Ligações não covalentes
As interacções reversíveis entre biomoléculas são
mediadas por três tipos de ligações não covalentes.
1. Interacções electrostáticas
A interacção entre dois átomos com cargas opostas
unitárias separados por 3 A, em água, tem uma energia
de 5,9 kJ/mol
2. Ligações de hidrogénio
Energias de ligação entre 4,2 e 12,5 kJ/mol
Ligações de H em sistemas biológicos
Aceitador
de H
Dador de H
Entre
hidroxilo do
alcool e água
Entre o
carbonilo de
uma cetona e
água
Entre os grupos
carbonilo e amina
de uma ligação
peptídica
Entre as bases
complementares no
DNA
Timina
Adenina
Ligação
de H
forte
Ligação
de H
mais
fraca
Exemplos de biomoléculas polares, não polares e anfipáticas (pH7)
Polar
Glucose
Não polar
Cera típica
Anfipática
Glicina
Fenilalanina
Aspartato
Lactato
Fosfatidilcolina
Glicerol
Grupo
polar
Grupo não
polar
3. Interacções de van der Waals
Energia de ligação entre 2 e 4,2 kJ/mol
4. Efeito hidrofóbico
A associação de grupos não polares em água leva a
um aumento de entropia
As propriedades da água afectam as ligações
entre as biomoléculas
A água é uma molécula
polar
A água é altamente coesiva
A água líquida é uma estrutura parcialmente ordenada
O gelo tem uma
estrutura
cristalina regular
Efeitos da da água nas interacções electrostáticas
A água diminui a força das ligações electrostáticas por um
factor de 80 (D).
Formação de conchas de solvente.
Efeitos da da água nas ligações de hidrogénio
Os átomos de H da água competem para as atracções
enfraquecendo as ligações de H.
Outras propriedades da água importantes para a vida:
1. Elevadas forças de coesão e adesão
Viscosidade relativamente baixa
Deslocamento de água em canos – longas colunas de água!
Moléculas pequenas e compactas – baixa viscosidade.
2. Elevado calor de vaporização
São necessárias cerca de 539 calorias para, a 100º C,
converter 1 g de água a vapor.
Reduz as perdas de água por evaporação e conduz a
um arrefecimento elevado por grama de água
evaporada.
3. Elevado calor de fusão.
80 cal para fundir 1 g de gelo a 0o C. Congelamento difícil.
4. Aumento de volume durante a congelação
O gelo flutua!
Pontos de fusão, ebulição e calor de vaporização de
solventes comuns
5. Calor específico elevado
Energia necessária para elevar de 1ºC, 1 g de água.
Manutenção da temperatura e taxas metabólicas
estáveis nos seres vivos.
A água é um
tampão de
calor!
5. Elevada tensão superficial
Ideal para a formação de pequenas
entidades vivas com membranas
limitantes estáveis.
6. Absorção de radiações
A água absorve a luz visível na zona do vermelho.
A água absorve radiações na zona do IV e a maiores
c.d.o. na zona das ondas de calor.
Os solutos afectam as propriedades coligativas das
soluções aquosas.
Os solutos dissolvidos alteram algumas propriedades físicas do solvente
(água): pressão de vapor, ponto de fusão, ponto de ebulição e pressão
osmótica – propriedades coligativas.
A razão é que numa solução a concentração de água é menor do que na
água pura.
O efeito é independente das propriedades químicas do soluto. Depende
apenas do número de partículas de soluto (moléculas, iões) numa dada
quantidade de água.
Quando duas soluções aquosas
diferentes são separadas por uma
membrana semi-permeável (que
permite a passagem de água mas não
das moléculas de soluto), as
moléculas de água difundem da região
com uma concentração mais elevada
de água, para uma região de
concentração inferior, produzindo uma
pressão osmótica
água
pura
soluto impermeável
dissolvido em água
pistão
Membrana semipermeável
Lehninger, 4e
Pressão osmótica
Pressão osmótica: pressão hidrostática que é necessário aplicar para impedir o
movimento global da água
=icRT
, pressão osmótica
R, constante dos gases perfeitos
T, temperatura absoluta
i c, osmolaridade da solução
c, concentração molar do soluto
i, factor de van’t Hoff: medida da extensão da dissociação do soluto em uma ou mais espécies
iónicas (nº de partículas produzidas por dissociação, exº NaCl i = 2 )
Efeito da osmolaridade extracelular no movimento de
água através de uma membrana plasmática
Lehninger, 4e
Solutos
Solutos
extracelulares
extracelulares
Solutos
intracelulares
(a) Células num meio
isotónico: não há
movimento global de
água
Meio isotónico:
•
é um meio que exerce a
mesma pressão osmótica
do que o conteúdo
intracelular
•
no caso do plasma, é um meio
que contém aproximadamente
0.3 mol dm-3 de espécies
dissolvidas
por exº:
- 0.3 mol dm-3 de sacarose
dissolvida
(b) Células num meio
hipertónico: a água
sai para o exterior e
a célula mirra
(c) Células num meio hipotónico: a
água entra na célula criando uma
pressão; a célula incha e,
eventualmente, pode rebentar
- 0.15 mol dm-3 de NaCl (soro
fisiológico)
A água como reagente
A água participa em reacções biológicas:
• Reacção de condensação - eliminação de água requer energia
• Reacção de hidrólise – inverso da condensação liberta energia
Participação da água em reacções
hidrólise
condensação
fosfoanidrido
hidrólise
condensação
ester de fosfato
Proteínas
aminoácidos
Poliósidos
oses
Ácidos nucleicos
nucleótidos
Proteínas
aminoácidos
Poliósidos
oses
Ácidos nucleicos
nucleótidos
hidrolases
A água pode ser reagente em reacções de hidrólise,
condensação e oxidação-redução
Glicólise + TCA
C6H12O6 + 6 O2
6 CO2 + 6 H2O
(alimentos, gorduras de reserva)
“Água metabólica”
A água pode ser reagente em reacções de hidrólise,
condensação e oxidação-redução
Glicólise+TCA
C6H12O6 + 6 O2
6 CO2 + 6 H2O
(alimentos, gorduras de reserva)
“Água metabólica”
O CO2 produzido pela oxidação da glucose, é
convertido nos glóbulos vermelhos no ião
bicarbonato numa reacção catalisada pela
anidrase carbónica.
CO2 + H2O
anidrase carbónica
HCO3- + H+
A água é o solvente em que ocorrem as
reacções metabólicas e também é um
reagente em muitos processos bioquímicos,
incluindo reacções de hidrólise,
condensação e oxi-redução.