Capitulo 12
ESPAÇO E TEMPO
Todos os fenómenos biológicos se desenvolvem no espaço e no tempo.
A sua escala de grandeza obriga a utilizar unidades de medida apropriadas.
Espaço
As unidades de medida mais utilizadas são o Angstrom (Aº) correspondendo a 10-10 metros ou 0,1 nanometros (nm) e os micrómetros (m) correspondendo a 104 Aº.
Em princípio, usa-se o Aº para valores inferiores a 100 Aº e o um para dimensões maiores.
Algumas dimensões
Exemplo
|
Dimensão em Aº
|
Ligação C-C
Hemoglobina
Ribosomas
Vírus
Eritrocitos
|
1,5
65
300
100-1000
7 x 104
|
O limite de resolução do microscópio óptico é de 2000 Aº, o que corresponde às dimensões da maioria dos organelos intracelulares.
Tempo de alguns fenómenos biológicos
A associação das moléculas de água faz-se por ligações ponte de hidrogénio. O núcleo positivo do átomo de hidrogénio atrai os electrões não compartilhados de uma molécula de oxigénio vizinha. A molécula de água tem dois grupos electropositivos e dois electronegativos, o que lhes permite fazer ligações ponte de hidrogénio com quatro moléculas de água vizinhas.
Calor específico
Condutividade térmica
As estruturas moleculares estão abaixo deste limite de resolução, sendo utilizados para o seu estudo a microscopia electrónica e a cristalografia de raios X.
Tempo
O tempo em que se passam os fenómeno biológicos é extremamente curto.
As unidades de tempo utilizadas são o milisegundo(ms) correspondendo a l0 –3 segundos e o microsegundo(us) correspondendo a 10 –6. Numa escala menor temos ainda o nanosegundo (ns) correspondendo a 10 –6 e o picosegundo (ps) correspondendo a 1o –9.
Tempo de alguns fenómenos biológicos
Fenómeno
|
Tempo
|
Reacções enzimáticas
Despregueamento da dupla cadeia do DNA
Interacções covalentes
Rotação de um domínio proteico sobre outro
Absorção de um fotão na visão
|
ms a us
1 us
« 1 us
ns
ps
|
CAPITULO 13
ESTRUTURA DA AGUA
Ligações covalentes
A molécula de água está constituída pela ligação de dois átomos de hidrogénio a um de oxigénio por uma ligação covalente.
O hidrogénio pode formar ligações covalentes com outros átomos como seja com o carbono (CH4), azoto (NH3) e flúor (FH). Também se pode unir com um átomo do mesmo grupo da tabela periódica, o enxofre, para formar ácido sulfídrico (SH3). Uma característica peculiar da água é de à temperatura ambiente se encontrar no estado líquido, ao contrário das moléculas atrás citadas formadas pela ligação covalente com outros átomos.
A explicação destas características diferentes deve-se à natureza das ligações entre o carbono e o oxigénio, que iremos estudar a seguir.
Água, molécula polar
A agua é um dipolo porque a água não se dispõe linearmente mas sim de um modo angular
Cortesia de Martin Chaplin
London South Bank University
Disposição angular da agua
A água é portanto uma molécula assimétrica ao contrário das outras hidrogenadas citadas, que são simétricas.
Devido a esta disposição espacial, os centros de gravidade das cargas eléctricas positiva e negativa não coincidem e a água torna-se um dipolo.
Ligações ponte de hidrogénio
A água tem capacidade de formar ligações ponte de hidrogénio com outras moléculas de água e com outras moléculas
Cortesia de Martin Chaplin
London South Bank University
Ligações ponte de hidrogenio na agua
A ligação ponte de hidrogénio é o resultado de um equilíbrio de forças. A ligação será fraca se a ligação covalente não estiver suficientemente polarizada para formar um dipolo ou se a carga negativa não for forte. A geometria da molécula de água está magnificamente apropriada para este tipo de ligação.
Associação das moléculas de agua
Só no estado de vapor existem moléculas de água isoladas. Nos estados líquido e sólidos existem polímeros da água correspondendo à fórmula geral (H2O)n
Cortesia de Martin Chaplin
London South Bank University
Associação de moleculas de agua
No caso da água a formação destas ligações é de natureza cooperativa pois que a formação de uma ligação facilita a formação das seguintes. Por outro lado, quando uma ligação se desfaz, as outras desfazem-se mais facilmente.
Agua liquida e gelo
A água é o único líquido em que a sua forma sólida é menos densa que a líquida. Esta diferença explica-se pela diferente geometria molecular da água e do gelo.
Estrutura do gelo
O gelo tem uma estrutura cristalina regular em que foram feitas todas as ligações ponte de hidrogénio possíveis.
No gelo cada molécula de água está rodeada por quatro moléculas de água ligadas por ligações ponte de hidrogénio formando uma estrutura hexagonal
Esta estrutura aberta permite a sua expansão em vez da condensação.
Embora na fusão do gelo algumas ligações ponte de hidrogénio sejam destruídas muitas ligações permanecem na água líquida. O calor de sublimação do gelo a 0º é de 46,9kJ/mol dos quais apenas 6 são atribuídos à energia cinética das moléculas gasosas. As outras 41 representam a energia requerida para desfazer as pontes de hidrogénio.
O calor de fusão do gelo (6kJ/mol) é 15% da energia necessária para romper a estrutura do gelo, o que significa que a água líquida tem menos 15% de ligações ponte de hidrogénio que o gelo.
Estrutura da água
Na água líquida, as ligações ponte de hidrogénio estão distorcidas de modo que as moléculas formam uma rede variada e irregular. Cada molécula de água faz ligações ponte de hidrogénio com quatro vizinhas ao contrário da água que faz apenas 3,1. Os anéis de moléculas de água ligada são constituídos de 4 a 7 moléculas ao contrário das 6 do gelo o que lhe dá uma configuração hexagonal. Na água esta rede está-se continuamente destruindo e reformulando pois que cada molécula de água reorienta a sua estrutura cada 10–12 seg. Podemos concluir que as moléculas de água consistem numa rede ligada por pontes de hidrogénio em constante reorientação com uma estrutura que de quando em quando é semelhante à do gelo.
Quer dizer, enquanto o gelo tem uma estrutura altamente ordenada, a da água é irregular estando os agregados de moléculas ligados por pontes de hidrogénio a se cindirem e a se reformularem constantemente
Consequências da densidade baixa do gelo
O facto de o gelo ser menos denso que a água cria condições para tornar a vida possível. Se o gelo fosse mais denso, este mergulharia até ao fundo dos oceanos e lagos e impediria a vida nos mares pois que com o gelo a flutuar, é possível a vida nas camadas de água que existem debaixo do gelo. Por outro lado, o gelo não derreteria com o calor o que, associado aos efeitos da reflexão da luz do sol sobre estas superfícies geladas, implicaria que a terra tivesse temperaturas muito mais frias, vivendo-se numa idade do gelo permanente.
Capitulo 14
PROPRIEDADES FISICOQUIMICAS DA AGUA
Densidade
À pressão atmosférica a densidade da água aumenta à medida que a temperatura desce, a densidade sobe até atingir os 4º, temperatura a que a densidade tem o seu valor mais alto (1,000) e a partir daí começa a descer
Tensão superficial
A água tem uma tensão superficial mais elevada que a dos outros líquidos, o que se explica pela forte união das moléculas devido às pontes de hidrogénio.
Propriedades termicas
Estas propriedades conferem-lhe um papel fundamental na regulação da temperatura na terra e nos organismos vivos.
Calor específico
É a quantidade de calor necessária para subir de 1º uma substância sem que esta mude de estado. O calor específico da água é de 1.
O calor especifico da água é o mais elevado dos sólidos e líquidos conhecidos, exceptuando o amoníaco. Por consequência, comparando com outro líquido, é necessário mais calor para aumentar a sua temperatura e esta quando arrefece liberta menos calor. Esta propriedade explica-se por grande parte da energia administrada ser gasta a destruir as ligações ponte de hidrogénio.
Consequências do calor especifico elevado
Durante as horas de muito calor a água do mar e o vapor de água ambiente absorvem grande quantidade de calor que devolverão quando a temperatura ambiente descer. É esta razão da maior constância e benignidade do clima marítimo em relação ao continental.
O calor especifico da água também protegem o organismo do calor formado no organismo no decorrer das suas actividades metabólicas. O homem produz cerca de 3000 calorias por dia. Se não fosse este papel protector da água, a temperatura do corpo atingiria os 100-150º.
Condutividade térmica
Os melhores condutores de calor são ao
metais. A água tem uma condutividade calórica muito inferior ao dos metais mas
muito superior à dos outros líquidos.
Devido a esta propriedade, a água impede
aumentos localizados de temperatura em zonas de intensa actividade metabólica e
permite que todas uma temperatura constante.
Calor de
vaporização
Já foi estudado
Constante
dielectrica
A constante dielectrica indica a capacidade
de uma substância em diminuir a intensidade de um campo eléctrico. A água é dos compostos com uma constante
dielectrica mais elevada (81). Este valor 81 significa que cargas eléctricas de
sinal contrário exercem na água uma atracção 81 vezes menor que no ar ou no
vácuo. Quando se introduz um cristal como por exemplo o cloreto de sódio, as
forças electrostáticas, causa da ligação
iónica, diminuem 81 vezes e assim os iões deixarão de se existir passando a
existir dissociados como Cl- e Na+.
Transparencia
A transparência da água permite que os
cloroplastos das células vegetais possam absorver a energia solar necessária
para a fotosíntese e que a vida vegetal se possa desenvolver debaixo da
superfície da água
Agua
como meio de dispersão
A água pode destruir a coesão molecular
de muitos compostos, favorecendo a dispersão ou dissolução de muitas
substâncias.
Hidratação
molecular
Os dipolos da água podem-se associar com
grupos polares existentes noutras moléculas.
Quanto maior o número de grupos polares
maior é a atracção recíproca entre uma molécula e a água. Denomina-se hidrofilia
à tendência de um composto em se
rodear de moléculas de água.
A água adere fortemente às superfícies
polares. No caso das proteínas a camada de água de hidratação pode representar
30% do seu peso seco.
A hidratação molecular contribui para a
orientação espacial de macromoléculas, em especial das proteínas.
Hidratação
iónica
As moléculas de água não se deslocam pela
acção de um campo eléctrico mas a parte positiva do dipolo orienta-se para o
cátodo e a negativa para o ânodo.
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