A água é a molécula mais abundante nos sistemas vivos e teve um papel fundamental na origem da vida e evolução. Suas propriedades físico-químicas, como as pontes de hidrogênio, conferem características únicas à água e permitem que ela desempenhe funções vitais como solvente e meio de transporte.

1. Água
Molécula mais abundante nos sistemas vivos (70%)
Origem da vida e grande parte de sua evolução
Propriedades físico-químicas estão relacionadas com a
estrutura e a função das estruturas celulares:
Forças de atração (pontes de hidrogênio)
Leve tendência à auto ionização

2. Interações fracas em sistema aquoso
• Interações iônicas (eletrostáticas)
• Interações de Van der Waals
• Interações hidrofóbicas
– Tendência das moléculas hidrofóbicas a se agruparem
quando num ambiente aquoso
• Pontes de hidrogênio:
– Força coesiva que mantém a água no estado líquido
nas CNTPs
– Organização da água (gelo)
– Soluto para moléculas polares
– azeótropos

3. As pontes de hidrogênio conferem à
água propriedades incomuns
• Altos ponto de fusão, ebulição e calor de evaporação
Ponto de Ponto de Calor de
fusão (o C) ebulição (o C) evaporação(J/g)*
* A energia requerida para converter 1.0 g da substância do estado líquido para o
estado gasosos à pressão atmosférica sem aumentar a temperatura. É uma
medida direta da energia necessária para superar as forças de atração entre as
moléculas na fase líquida.

4. Estrutura da molécula de água
Cargas parciais
positivas nos Hs
Carga parcial
negativa no O
Modelo Modelo de
bastão-e-bola preenchimento espacial
O oxigênio é mais eletronegativo que o hidrogênio atraindo a nuvem eletrônica
mais para si, essa distribuição desigual faz com que a água se comporte como um
dipolo
Oxigênio: parcialmente negativo (δ-)
Hidrogênio: parcialmente positivo (δ+)

5. Estrutura da molécula de água:
ponte de hidrogênio
Símbolo para Ponte de hidrogênio
ponte 0.177 nm carbono sp3
de hidrogênio (tetraedro)
Ligação covalente
0.0965 nm
A forma da molécula de água é determinada pela geometria dos orbitais externos do átomo
de oxigênio que (ocupa uma posição central) similar a um carbono sp3
Os orbitais não ligados comprimem as ligações O—H fechando ligeiramente o ângulo formado
entre elas 109,5o  104,5o

6. Pontes de hidrogênio na estrutura do gelo
No gelo, cada molécula faz quatro pontes
de hidrogênio
No estado liquido cada molécula está
ligada, em média, a 3,4 outras moléculas de
água , ou seja, a água líquida tem um alto
grau de organização cuja estrutura se
assemelha muito a do gelo.
Na fusão do gelo são quebradas somente
o mínimo de pontes de hidrogênio para que
a água se torne líquida
H2O(solida)  H2O(liquida) ∆H 5.9 kJ/mol
H2O(liquida)  H2O(gasosa) ∆H 44.0 kJ/mol
Já na passagem para o estado gasoso a
(quase) totalidade das pontes de hidrogênio
são quebradas .
azeótropos

7. A água forma pontes de hidrogênio com
solutos polares
Aceptor de hidrogênio
Doador de hidrogênio
O aceptor de hidrogênio é, geralmente, um
oxigênio ou nitrogênio
O hidrogênio doador está sempre ligado a um Molécula Ponto de
átomo eletronegativo (O, N, S) ebulição (oC)
A ligação C—H não é suficientemente polar para Butanol 117
formar pontes de hidrogênio
Butano -0,5
Alcoóis, aldeídos, cetonas e compostos que
contenham o grupamento N—H e tendem a ser
solúveis

8. Pontes de hidrogênio comuns em
sistemas biológicos
timina
adenina
Entre hidroxila de Entre a carbonila de
um álcool e a água uma cetona e a água Entre grupamentos
peptídicos em
polipeptídeos Entre bases
complementares
do DNA

9. A ponte de hidrogênio tem um caráter
direcional
Orbitais alinhados: Orbitais não alinhados:
Ligação forte Não tão forte
A força de atração entre as cargas elétricas parciais é maior quando os orbitais
que a formam estão alinhados
Quanto menos alinhados os orbitais estiverem mais fraca será a interação
As pontes de hidrogênio são ligações direcionais

10. Alguns exemplos de moléculas
polares, apolares e anfipáticas (pH:
7,0)
Glicose
(açúcar de Uma cêra
6 carbonos) típica
Glicina
(aminoácido) Fenilalanina
(aminoácido)
Aspartato
(aminoácido)
Fosfatidil
colina
Lactato (fosfolipídio
de
membrana)
Glicerol
Grupamentos Grupamentos
polares apolares

11. A água interage eletrostáticamente com
solutos carregados
ex.: a dissolução do NaCl
Na+ hidratado
Cristal de NaCl anidro (solvatado)
Cl- hidratado
(solvatado)
Formação de uma camada de solvatação
Lei de Coulomb εH20: 78,5
Q - carga elétrica εbenzeno: 4,6
r – distância Constante dielétrica: capacidade de separar cargas
ε – constante dielétrica O oxigênio da água (δ-) interage com Na+
O hidrogênio da água (δ-) interage com o Cl-

12. Gases apolares são pouco solúveis em água
Solubilidade de alguns gases na água Reações dos gases
Gas Estrutura Polaridade Solubilidade polares com a água
em água (g/L)
Nitrogênio Apolar 0.018 (40 °C) CO2 + H2O  H2CO3(aq) 
Oxigênio Apolar 0.035 (50 °C)  HCO3-(aq) + H+ 
Dióxido de Polar 0.97 (45 °C)  CO32-(aq) + H+
carbono
NH3 + H2O  NH4+(aq) + OH-
Amônia Polar 900 (10 °C)
H2S + H2O  HS-(aq) + H+

Sulfeto de Polar 1,860 (40 °C)
hidrogênio
Capacidade de reagir com a água aumenta em muito a solubilidade
Sistemas biológicos utilizam proteínas transportadoras para aumentar a solubilidade dos
gases. Ex.: hemoglobina-O2

13. Um ácido graxo no meio aquoso
“Cabeça”
Agregados de hidrofílica
moléculas de
água na “bulk
phase”
Cauda
Hidrofóbica
(alquila)
Moléculas de água à volta
da cauda hidrofóbica
As moléculas de água em contato com a cauda apolar de (hidrocarboneto) ficam com sua
capacidade de formar pontes de H sub-otimizada.
Isso leva a um aumento da quantidade de pontes de H água—água na região circundante
a cauda apolar
Ou seja, nessa região a água se torna mais organizada, mais parecida com o gelo.

14. Comportamento de lipídios em meio
aquoso
Agregados de Micela
moléculas lipídicas
(monocamada)
Lipídeos dispersos
em água
Regiões apolares se agregam enquanto regiões polares interagem com a água do meio
Agrupando-se em monocamadas e/ou em micelas as moléculas de ácido graxo minimizam a
exposição de sua cauda apolar à água. A otimização nas pontes de hidrogênio água-água
estabiliza os agregados lipídicos formados.
Na estrutura da micela apenas as cabeças polares ficam expostas á águam, todas as caudas
apolares se escondem no cerne de sua estrutura (interações hidrofóbicas)

15. Quatro tipos de interações não covalentes
(“fracas”) entre biomoléculas em meio aquoso
Ponte de Hidrogênio
Interações iônicas Atrativa
Repulsiva
Interações hidrofóbicas
Interações de van der Waals Quaisquer átomos
em estreita
proximidade

16. Ligações fortes e fracas
Tipo de ligação Energia
Covalente (C—C ) 350 kJ/mol
Covalente (C—H ) 410 kJ/mol
van der Waals ~4 kJ/mol
Interações hidrofóbicas Variam com a polaridade do
solvente (kJ/mol)
Interações eletrostáticas Variam com a polaridade do
solvente (kJ/mol)
Pontes de hidrogênio Variam com a polaridade do
solvente e com o ângulo entre
os orbitais (kJ/mol)

17. Algumas pontes de hidrogênio
biologicamente importantes
Entre uma Entre uma Entre Pareamento múltiplo
hidroxila e carbonila grupamentos entre bases nitrogenadas
a água e a água peptídicos
Esses tipos de ligações estão
presentes na superfície das bio- Tem papel
macromoléculas, tem papel muito importante
importante na solubilização na estrutura 3D
das proteínas
Determinam a estrutura em
hélice do DNA. São a base do
armazenamento e da duplicação
da informação genética

18. Os solutos alteram as propriedades
coligativas da água Formação
de gelo
evaporação evaporação
• Pressão de vapor
• Ponto de ebulição
• Ponto de fusão
• Pressão osmótica
• Tensão superficial
• 1molal 1mol de
soluto/ Kg de água
(Abaixa o ponto de
fusão em 1,9oC e Na água pura todas as Nessa solução a concentração
aumenta o ponto de moléculas na superfície efetiva de água é reduzida. O
ebulição em 0,5oC) contribuem para a soluto (de alto ponto d e
pressão d vapor, e todas ebulição ex.: Na+) segura as
as moléculas da fase moléculas de água de sua
líquida contribuem para camada de solvatação,
a formação de gelo dificultando tanto a
evaporação quanto a
formação de gelo

19. Osmose e Pressão osmótica
Soluto não permeante
dissolvido em água Embolo
Água Pressão
pura osmótica osmolaridade
Estado Estado
inicial final Concentração
molar do soluto
Membrana
Fator de van`t Hoff (medida
semipermeável
da dissociação do soluto)
Osmose é o movimento de água através Para o NaCl, que se dissocia totalmente, c=2
de uma membrana semipermeável Para solutos que não se dissociam, c=1
causado por diferença na pressão A osmolaridade depende mais do número de
osmótica entre os lados da membrana partículas do que de seus tamanhos
(um polissacarídeo de 500 moléculas de glicose
tem o mesmo praticamente efeito osmótico que
uma única molécula de glicose)

20. Efeito da osmolaridade do meio no movimento
da água através da membrana de uma célula
Solutos extracelulares Solutos intracelulares
Meio isotônico - a
quantidade de água que
entra é igual a que sai A membrana celular é
mais permeável a água do
que aos seus solutos
Plantas usam pressão
osmótica para conseguir
rigidez mecânica
Meio hipertônico – Meio hipotônico –
a água sai, a célula a água entra, a
crena célula incha até
arrebentar

21. A resposta ao toque em plantas é um
evento osmótico
Dionaea muscipula Mimosa pudica
Fluxos d K+ através da membrana plasmática de células especializadas

22. Resumo-
interações fracas em meio aquoso
 A grande diferença de eletronegatividade entre H e O torna a água altamente
apolar e capaz de formar pontes de hidrogênio consigo mesma e com solutos
 A água é um bom solvente para moléculas polares (hidrofílicas) com as quais
forma pontes de H e carregadas com as quais interage eletrostáticamente
 Compostos apolares (hidrofóbicos) não formam pontes de H, dissolvem pouco na
água.
 Para minimizar sua exposição a água os lipídeos se agregam na forma de
membranas e micelas onde as porções hidrofóbicas se escondem da água
 Numerosas interações fracas não covalentes influenciam no enovelamento de
macromoléculas como proteínas e ácidos nucléicos
 Nas macromoléculas, a conformação mais estável é a que maximiza as pontes de
H intamoleculares e com a água, e com as porções hidrofóbicas escondidas no
interior de macromolécula
 As propriedades físicas das soluções aquosas são muito influenciadas pelas
concentrações dos solutos
 A tendência da água de se mover através de uma membrana semipermeável no
sentido de menor osmolaridade para o de maior é chamado osmose.