Como as moléculas de água interferem nas estruturas das biomoléculas?

As biomoléculas são sintetizadas pelos seres vivos, toda regra tem uma exceção e a água é a exceção desta regra. Ela não é sintetizada pelos organismos e está disponível para adquirirmos pela alimentação, mas é classificada como biomolécula pela sua importância para nós. Todos os indivíduos possuem a água em sua constituição, e na maioria dos casos ela é responsável por 70% do peso dos organismos. 

É a partir dela e de suas propriedades que as estruturas biológicas e as reações bioquímicas ocorrem. As ligações de hidrogênio entre as moléculas de água são as responsáveis por suas propriedades e embora sejam ligações consideradas “fracas” quando comparadas às ligações covalentes, em conjunto elas são fundamentais para a manutenção das estruturas tridimensionais das biomoléculas. 

As ligações de hidrogênio

Tecnicamente as ligações de hidrogênio podem ser descritas como as ligações formadas entre um grupo fracamente ácido (dito “doador) como, por exemplo, o N-H ou o O-H e um grupo carregando um par de elétrons não compartilhado (fracamente básico, ou “receptor”), como um N ou O.

Talvez já tenhamos lido sobre essas ligações sob o nome “ponte de hidrogênio”, porém o termo recomendado pela IUPAC (União Internacional de Química Pura e Aplicada, da sigla em inglês) é “ligação de hidrogênio”.

Uma das consequências das ligações de hidrogênio são os altos pontos de fusão e de ebulição da água em relação aos outros solventes comuns, já que devido à estrutura tetraédrica da água, cada molécula realiza em torno de três a quatro ligações de hidrogênio com outras moléculas, o que exige uma alta energia térmica para quebrar essas ligações.

Biologicamente essas ligações são muito importantes por possibilitar à água o seu uso como solvente, por exemplo, na diluição dos açúcares, devido aos efeitos estabilizantes das ligações de hidrogênio entre os grupos hidroxila ou o oxigênio da carbonila dos açúcares e as moléculas polares da água.

A água, devido a sua polaridade e às atrações eletrostáticas/ligações de hidrogênio, dissolve ainda sais, ácidos carboxílicos ionizados, aminas protonadas, ésteres de fosfato ou anidridos, funções orgânicas.

Qual a importância das interações fracas?

As interações fracas também são muito importantes para manter a estrutura, e consequentemente as funções das biomoléculas, já que em conjunto elas possuem um efeito cumulativo significante e mantém as moléculas em seus estados ideais para funcionamento mesmo com quebras e formações de novas ligações, já que estas ocorrem de maneira aleatória e rompimentos simultâneos de ligações fracas são improváveis.

Quanto maior a possibilidade de interações fracas, mais estável é a macromolécula (por exemplo: proteínas, DNA e RNA), sendo que a forma tridimensional destas é determinada justamente por essas ligações fracas, responsáveis também pela ligação entre antígenos-anticorpos, hormônios, neurotransmissores e receptores. Para muitas proteínas, as moléculas de água ligadas a elas são essenciais para suas funções.

Olha só a importância das ligações de hidrogênio e da água em nosso organismo. O que me faz lembrar outra propriedade muito importante da água: a sua fraca ionização, formando íons hidrogênio (H+) e hidróxido (OH-).

Prótons livres como indicado na equação acima não existem em solução, os íons hidrogênio formados na água são imediatamente hidratados a íons hidroxônios (H3O+), devido às ligações de hidrogênio presentes. Biologicamente essa ionização da água é importante por permitir uma mobilidade iônica entre as moléculas, mobilidade esta presente nas reações de transferência de prótons. 

Quantitativamente, por meio de medidas de condutividade elétrica, podemos definir a constante de equilíbrio da reação acima (Keq) como 1,8×10-16 M a 25oC e a concentração de H+ como 10-7 M, valores importantes (principalmente este último) quando vamos calcular o pH das soluções, já que a escala de pH é baseada no produto iônico da água.

Como funciona o pH nesse processo

O pH é dito neutro se possuir valor 7, sendo que valores maiores de pH caracterizam soluções alcalinas e pH com valores menores soluções ácidas, sendo que este valor não foi obtido por acaso ou por conveniência, e sim a partir de cálculos envolvendo o valor do produto iônico da água a 25ºC.

Mas você pode estar pensando: em nosso organismo diversas reações ocorrem, logo elas podem alterar o pH do meio, isso não seria perigoso para a vida? E a resposta que eu te trago: Sim, seria perigoso, mas essas alterações bruscas não ocorrem por causa dos tampões.

Os tampões são sistemas aquosos que tendem a resistir às alterações no pH quando pequenas quantidades de ácido ou base são adicionadas. Ele é composto por um ácido fraco (doador de prótons) e sua base conjugada (aceptor de prótons).Quando um ácido um uma base fraca entra em contato com o tampão reage com os ácidos e bases presentes, resultando em duas reações reversíveis que entram em equilíbrio, tendo como resultado apenas uma pequena alteração na razão das concentrações relativas do ácido fraco e sua base conjugada e, portanto, uma pequena alterações do pH, compatível com os processos fisiológicos.

Toda equação de dissolução apresenta um valor de Ka característico, e a relação entre ele, o pH e a concentração de determinado tampão é definida pela equação de Henderson-Hasselbalch:

Essa é uma equação que vale a pena ser memorizada, pois possibilita calcular o pH de uma mistura de ácido-base conjugada, muito importante no preparo de tampões (uma rotina para quem trabalha na área bioquímica). A seguir daremos um exemplo da aplicação da equação de Henderson-Hasselbalch. Tente repetir o exercício sem olhar a resposta para fixar a equação e a forma de preparo de tampões:

Exercício: Calcule o pH de uma mistura de 0,10 M de ácido acético e 0,20 M de acetato de sódio, sabendo que o pKa do ácido acético é 4,76.

Resposta:
pH = pKa + log [A-/HA]
pH = 4,76 + log [acetato/ácido acético]
pH = 4,76 + log (0,20/0,10)
ph = 5,1

Um mecanismo importante do sistema tamponante ocorre durante a respiração. O tampão bicarbonato é efetivo em pH próximo a 7,4 e envolve três equilíbrios reversíveis entre o CO2 gasoso nos pulmões e o bicarbonato (HCO3-) no plasma sanguíneo. Esse tampão aberto é o responsável por manter a homeostasia e a vida por intermédio da respiração.

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