A ÁGUA E SEUS EFEITOS SOBRE AS BIOMOLÉCULAS EM SOLUÇÃO

Bioquímica

        A ÁGUA E SEUS EFEITOS SOBRE AS BIOMOLÉCULAS EM SOLUÇÃO

A água é a substancia mais abundante nos sistemas vivos, perfazendo 70% ou mais da massa da maioria dos organismos. A água permeia todas as porções de todas as células e é o meio no qual ocorrem o transporte de nutrientes, as reações metabólicas catalisadas enzimaticamente e a transferência de energia química.

As pontes de hidrogênio entre as moléculas de água fornecem as forças coesivas que fazem da água um líquido á temperatura ambiente e que favorecem o ordenamento extremo das moléculas da água cristalizada. As biomoléculas polares dissolvem-se facilmente na água porque elas podem substituir as interações moleculares água-água energeticamente favoráveis por interações ainda ais favoráveis água-soluto (ligações de hidrogênio e interações eletrostáticas). Diferentemente, as biomoléculas não-polares interferem com as interações água-água e são muito pouco solúveis na mesma água. Estas moléculas não-polares tendem, quando em solução aquosa, a agregarem-se de forma a minimizar os efeitos energeticamente desfavoráveis provocados por sua presença.

Quando comparada com a maioria dos outros líquidos comuns, a água tem ponto de fusão, ponto de ebulição e calor de vaporização maiores que todos. Estas propriedades incomuns da água são uma consequência da existência de forças de atração fortes entre moléculas de água adjacentes, e estas forças dão á água liquida uma grande coesão interna.

As ligações de hidrogênio são mais fracas que as ligações covalentes.

O número muito grande de ligações de hidrogênio entre as suas moléculas confere grande coesão interna á água liquida.

O arranjo quase tetraédrico dos orbitais ao redor do átomo de oxigênio permite a cada molécula de água formar ligações de hidrogênio com até quatro moléculas de água vizinhas.

As pontes de hidrogênio são constante e rapidamente formadas e quebradas.

As biomoléculas polares, porém não carregadas, como os açucares, dissolvem-se facilmente na água devido ao efeito estabilizador das numerosas ligações de hidrogênio que elas formam entres os grupos hidroxila e o oxigênio do grupo carbonila do açúcar de um lado, e as moléculas polares de água de outro.

As pontes de hidrogênio são mais fortes quando as moléculas por elas unidas estão orientadas de forma tal que as interações eletrostáticas se tornem máximas, o que ocorre quando o átomo de hidrogênio e os dois átomos que o compartilham estão localizados em uma mesma linha reta. As ligações de hidrogênio são, assim, altamente direcionais e capazes de reter duas moléculas ou grupos, unidos em um arranjo geométrico específico.

Compostos não polares como o benzeno, o hexano e o etano são hidrofóbicos. Eles são incapazes de interagir de forma energeticamente favorável com as moléculas da água e interferem com as pontes de hidrogênio entre as moléculas de água.

Compostos anfipáticos tem regiões que são polares (ou carregadas) e regiões que são não polares. Quando compostos anfipáticos são misturados com a água, as duas regiões da molécula do soluto experimentam tendências conflitantes, a região hidrofílica, polar ou carregada, interage favoravelmente com o solvente que tende a dissolver a molécula, entretanto a região hidrofóbica não polar tem a tendência oposta, ou seja, a de evitar o contato com a água. As regiões não polares das moléculas agregam-se para apresentar a menor área hidrofóbica possível ao solvente, e as regiões polares são arranjadas para maximizar a sua interação com o solvente aquoso. Estas estruturas estáveis de compostos anfipáticos na água, chamadas micelas, podem conter centenas ou milhares de moléculas. As forças que mantêm juntas as regiões não polares das moléculas são chamadas interações hidrofóbicas. A força destas interações não é devido a nenhuma atração intrínseca entre as moléculas não polares. Antes, elas resulta do fato de o sistema atingir uma estabilidade termodinâmica muito grande pela minimização da diminuição entrópica que resulta do ordenamento das moléculas de água ao redor das porções hidrofóbicas das moléculas do soluto.

Quando dois átomos não carregados são aproximados, as nuvens eletrônicas que os rodeiam passam a influenciar umas ás outras. Variações casuais nas posições dos elétrons ao redor  de um dos núcleos podem criar um dipolo elétrico transiente, o qual induz no átomo próximo um outro dipolo elétrico oposto, este também transiente. Os dois dipolos atraem-se de forma fraca, mas o suficiente para trazer os dois núcleos mais próximos um do outro. A força desta atração fraca é chamada de interação de van der Waals.

As interações não covalentes ( ligações de hidrogênio, interações iônicas, hidrofóbicas e de van der Waals) são muito mais fracas que as ligações covalentes.

Embora estes quatro tipos de interações sejam individualmente fracos quando comparados ás ligações covalentes, em razão do grande número de tais interações existentes em uma proteína ou ácido nucleico, o efeito cumulativo pode ser muito significativo.

A estrutura mais estável (nativa) da maioria das macromoléculas é aquela na qual as possibilidades de formação de ligações fracas é máxima.

A constância do pH é conseguida primariamente através da existência de tampões biológicos: estes são misturas de ácidos fracos e suas bases conjugadas.

Tampões são substancias que em solução aquosa dão a estas soluções a propriedade de resistir ás variações do seu pH quando as mesmas são adicionadas quantidades relativamente pequenas de ácido ou base. Um sistema tampão consiste em um ácido fraco e sua base conjugada.

        O tamponamento resulta do equilíbrio das duas reações reversíveis que ocorrem numa solução de um doador  e um receptor conjugado de prótons, ambos em concentrações próximas da igualdade entre si.

Quatro tipos de interações fracas ocorrem dentro e entre biomoléculas em solvente aquoso: ligações de hidrogênio e interações iônicas, hidrofóbicas e de Van der Waals. Embora individualmente fracas, essas interações criam, coletivamente, forças estabilizadoras muito fortes para as proteínas, os ácidos nucleicos e as membranas.

A água não é apenas o solvente no qual ocorrem as reações metabólicas, ela participa diretamente de muitas das reações, incluindo as reações de hidrólise e de condensação.

NUCLEOTIDEOS E ÁCIDOS NUCLEICOS