Aula - Água para ensino de cursos de graduação

PROPRIEDADES GERAIS DA ÁGUA
 Substância mais abundante nos sistemas vivos, constituindo mais de 70% do peso da maioria dos organismos;
 Essencial a todas as formas de vida;
Transporte de nutrientes e reações metabólicas
 Todos os aspectos de estrutura celular e suas funções são adaptadas às propriedades físico-químicas da água;
 Taxas de água: variam de acordo com a espécie, idade e ação metabólica
Água viva – 98% de água
Sementes – 10% de água Corpo humano – 70% de água

A água tem ponto de fusão, ebulição e calor de vaporização mais alto que
os outros solventes comuns
Consequência da atração entre as
moléculas de água adjacentes que
oferecem à água líquida grande
coesão interna.

 Cada átomo de hidrogênio de uma molécula de água compartilha um par de elétrons com o átomo central do oxigênio;
 A geometria da molécula é ditada pela forma dos orbitais eletrônicos mais externos do átomo de oxigênio, que são
similares aos orbitais ligantes sp3
do carbono;
 Esses orbitais descrevem um formato aproximado de tetraedro, com um átomo de hidrogênio em cada um de dois
vértices e pares de elétrons não compartilhados nos outros dois

O ângulo de ligação H-O-H é de 104,5°, levemente
menor que o ângulo 109,5° de um tetraedro
perfeito, devido ao agrupamento dos orbitais não
ligantes do átomo de oxigênio. O núcleo do átomo de oxigênio atrai elétrons mais
fortemente que o núcleo de hidrogênio (um próton); ou
seja, o oxigênio é mais eletronegativo. Isso significa que os
elétrons compartilhados estão mais frequentemente nas
vizinhanças do átomo de oxigênio que os de hidrogênio.

O resultado desse compartilhamento desigual de
elétrons é a formação de dois dipolos elétricos na
molécula de água, um ao longo de cada ligação O-H;
cada hidrogênio carrega carga parcial positiva (δ+
) e o
oxigênio carrega carga parcial negativa igual em
magnitude à soma das duas cargas parciais positivas
(2δ-
).
Polar:
Existe uma atração eletrostática entre o átomo de
oxigênio de uma molécula de água e o hidrogênio de
outra, chamada de LIGAÇÃO DE HIDROGÊNIO.
As ligações de hidrogênio são mais longas e mais fracas
que as ligações covalentes O-H.
μ # 0

 Ligações de hidrogênio são relativamente fracas;
 Aquelas em água líquida têm energia de dissociação de ligação (a energia requerida para quebrar uma ligação) de cerca
de 23 kJ/mol, comparada com 470 kJ/mol para uma ligação covalente O-H em água;
 A ligação de hidrogênio é cerca de 10% covalente, devido às sobreposições nos orbitais de ligação, e cerca de 90%
eletrostática;
 Quando a água é aquecida, o aumento da temperatura se reflete no aumento da velocidade individual das moléculas de
água;
 Em qualquer dado momento, a maioria das moléculas na água líquida é ligada por hidrogênio, mas o tempo de vida de
cada ligação de hidrogênio é somente de 1 a 20 picossegundos (1 ps = 10–12 s
); quando uma ligação de hidrogênio quebra,
outra ligação de hidrogênio se forma, em 0,1 ps, com a mesma molécula ou com outra;
 A soma de todas as ligações de hidrogênio entre as moléculas de água confere à água líquida uma grande coesão
interna.
Alta temperatura de ebulição

 A água é capaz de formar até 4 ligações de
Hidrogênio;
 2 como doador de prótons e 2 como aceptor de
prótons.

 As moléculas que tem parte polar e parte não polar são
denominadas anfipáticas, sendo os lipídios de membranas exemplos
típicos desse tipo de biomoléculas;
 As regiões apolares das moléculas se aglomeram para apresentar a
menor área hidrofóbica possível ao solvente aquoso;
 As regiões polares são arranjadas de forma a maximizar suas
interações com o solvente;
 Essas estruturas estáveis de compostos anfipáticos em água,
chamados de micelas, podem conter centenas ou milhares de
moléculas;
 As forças que mantêm as regiões apolares das moléculas unidas são
chamadas de interações hidrofóbicas (importantes na determinação
da estrutura de membranas biológicas);
 Muitas biomoléculas são anfipáticas; proteínas, pigmentos, certas
vitaminas e os esteroides e fosfolipídeos de membranas

 No gelo, cada molécula de água forma quatro ligações de hidrogênio, o máximo possível para uma molécula de água,
criando uma estrutura de rede regular
 Provoca uma expansão ou aumento de volume, quando a água líquida se
congela ou passa para o estado sólido;
 Esse aumento de volume, de uma mesma quantidade de massa, causa uma
diminuição da densidade (d = m/V).
 O gelo, portanto, é menos denso que a água líquida e flutua sobre a mesma;
 As ligações de hidrogênio são responsáveis pelo ponto de fusão
relativamente alto da água, pois muita energia térmica é necessária para
quebrar uma proporção suficiente de ligações de hidrogênio de forma a
desestabilizar a rede cristalina do gelo:
Ligações de hidrogênio no gelo

 A menor densidade do gelo que da água faz
com que lagos e oceanos se congelem do
topo para baixo, o que é de extrema
relevância para os ciclos de vida dos
organismos aquáticos que vivem em regiões
frias do planeta;
 A camada de gelo no topo separa o ar gelado
da água de lagos e oceanos, impedindo que
essas soluções aquosas e os seres vivos nelas
presente se congelem.

Ligação de Hidrogênio: H – (F, O, N)

Algumas ligações de hidrogênio de importância biológica.

ORIENTAÇÃO DAS LIGAÇÕES DE HIDROGÊNIO
 As ligações de hidrogênio são mais fortes quando as moléculas ligadas estão orientadas de forma a maximizar as
interações eletrostáticas, o que ocorre quando o átomo de hidrogênio e os dois átomos que o compartilham estão em
linha reta – isto é, quando o átomo aceptor está alinhado com a ligação covalente entre o átomo doador e o hidrogênio;
 Esse arranjo dispõe as cargas positivas do íon hidrogênio diretamente entre as duas cargas parciais negativas;
 As ligações de hidrogênio são, portanto, altamente direcionais e capazes de manter duas moléculas ou grupos unidos por
ligações de hidrogênio em um arranjo de geometria específica;
 Essa propriedade das ligações de hidrogênio confere estruturas tridimensionais muito precisas a moléculas proteicas e
ácidos nucleicos, que têm muitas ligações de hidrogênio intramoleculares.

 A água é um solvente polar;
 Dissolve prontamente a maioria das biomoléculas, que em geral são compostos carregados ou polares (μ # 0);
 Compostos que se dissolvem facilmente em água são hidrofílicos;
 Em contrapartida, solventes apolares, como clorofórmio e benzeno, são solventes ruins para biomoléculas polares, mas
dissolvem prontamente moléculas hidrofóbicas – moléculas apolares como lipídeos e ceras;

 A água dissolve sais como o NaCl pela hidratação e estabilização dos íons Na+
e Cl–
, enfraquecendo as interações
eletrostáticas entre eles e, portanto, neutralizando a sua tendência de se associar em uma rede cristalina;
Dissolução do sal

 A água também dissolve prontamente biomoléculas carregadas, incluindo compostos com grupos funcionais como grupos
carboxílicos ionizados (-COO-
), aminas protonadas (-NH3+
) e ésteres de fosfato ou anidridos;
 A água substitui as ligações de hidrogênio soluto-soluto conectando essas biomoléculas umas com as outras por ligações de
hidrogênio soluto-água, blindando as interações eletrostáticas entre as moléculas de soluto.

 A liberação de água ordenada favorece a formação de um complexo enzima-substrato;
 A enzima e o substrato, quando separados, forçam as moléculas de água vizinhas a formar uma camada ordenada;
 A ligação do substrato com a enzima libera algumas dessas águas ordenadas, favorecendo termodinamicamente a
formação do complexo enzima-substrato

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