O documento discute soluções tampão e sua importância para sistemas biológicos. Sistemas tampão, como o par ácido-base conjugado, ajudam a manter o pH dentro de valores adequados para garantir o bom funcionamento de células e órgãos. O documento também descreve como preparar soluções tampão usando o exemplo do ácido acético e discute outros sistemas tampão importantes como o fosfato e o bicarbonato.

1. Soluções tampão Os sistemas biológicos, ao nível intra e extracelular, necessitam manter o pH (bem como outros parâmetros) dentro de valores adequados para garantir o seu bom desempenho. O meio deve, por isso, ser tamponado, ou seja, não sofrer grandes alterações de pH. SOLUÇÃO TAMPÃO - É uma solução aquosa que não sofre alteração significativa de pH com a adição de pequenas quantidades de ácido ou base.

2. Soluções tampão (cont.) O sistemas biológicos (células individuais, fluidos orgânicos e sistemas de órgãos) regulam o seu funcionamento, relativamente ao pH, num processo denominado homeostase ácido-base . O pH do sangue (±7,4) é o pH fisiológico . Exemplo da importância da manutenção do pH: Enzimas e outras proteínas podem ser inactivadas ou mesmo destruídas se colocadas num meio com pH≠pH óptimo.

3. Soluções tampão (cont.) Os sistemas biológicos têm diversas estratégias para contrariar alterações de pH. Entre estas estratégias incluem-se os diversos sistemas tampão .

4. Soluções tampão (cont.) Os sistemas tampão, constituídos geralmente pelo par ácido-base conjugado, têm eficiência máxima para um pH=pKa, ou seja, quando a concentração do ácido é igual à concentração da sua base conjugada. A escolha da solução tampão em ensaios bioquímicos no laboratório deve ter em conta o pH a que se pretende manter o meio. ? – Poderia usar o ácido acetilsalicílico (pKa=3,5) para tamponar uma solução a pH fisiológico? ?

5. Soluções tampão (cont.) Os critérios que devem presidir à escolha de um sistema tampão: Impermeável relativamente às membranas celulares; Não interferência nos processos biológicos; Não deve absorver radiação visível ou UV; Não formação de compostos insolúveis (precipitação); Contribuição mínima para a composição iónica (força iónica do meio influencia processos biológicos); Limitada influência da temperatura na alteração do pH; O pKa não deve distar do pH mais do que 1 unidade.

6. Preparar uma solução tampão Para a preparação de uma solução tampão utiliza-se o ácido e um sal da sua base conjugada (de sódio ou potássio-mto. solúveis): HA – ácido NaA – sal sódico As espécies presentes em solução serão HA e A - (e o Na + ou o K + mas estes não interferem no processo).

7. Preparar uma solução tampão (cont.) Exemplo – solução tampão de ácido acético (CH 3 COOH) 0,2M. pKa = 4,76 Como um tampão exerce o seu efeito de forma mais eficiente qundo pH=pKa apenas podemos pretender tamponar um meio a um pH próximo do pKa. Neste exemplo digamos que pretendemos tamponar a pH = 5.

8. Preparar uma solução tampão (cont.) Podemos então, para pH = 5, utilizando a eq. de Henderson-Hasselbalch, calcular a relação entre as concentrações da forma ácida (CH 3 COOH)=HA e da sua base conjugada (CH 3 COO - )=A - : pH = pKa + log([A - ]/[HA]) 5 = 4,76 + log([A - ]/[HA]) log([A - ]/[HA]) = 0,24 [A - ]/[HA] = 1,74/1 [A-] [HA]

9. Preparar uma solução tampão (cont.) O total das conc. relativas do ácido e base conjugada, a pH=5, é 1,74+1=2,74. Uma vez que a concentração total da nossa solução tampão é 0,2M, então, nessa situação específica, teremos: [CH 3 COO - ] = 0,2x1,74/2,74=0,127M [CH 3 COOH] = 0,2x1/2,74=0,073M Resumindo: Um tampão de ácido acético poderia ser usado para tamponar uma solução a pH=5 pq. pH≈pKa (4,76). A esse pH, para uma solução de ác. acético 0,2M, a concentração da forma protonada=0,073M e da sua base conjugada seria 0,127M. Para preparar 1 litro desta solução seria, assim, necessária uma massa de 0,127x82=10,41g de CH 3 COONa e 0,073x60=4,38g de CH 3 COOH. mM(CH 3 COONa)=82g/mol mM(CH 3 COOH)=60g/mol

10. Tampão fosfato (HPO 4 2- /H 2 PO 4 - ) Útil na tamponização do fluido intracelular a pH fisiológico (pK2 é próximo do pH fisiológico). Graças a este efeito o pH intracelular é mantido entre 6,9 e 7,4. O fosfato é um anião abundante nas células, seja na sua forma inorgânica ou como constituinte de um grupo funcional, integrado numa molécula orgânica.

11. Outros sistemas tampão Histidina Alguns péptidos ou proteínas contendo o aminoácido histidina são adequados para a tamponização a pH fisiológico. Exº.: A anserina , um dipeptídeo contendo β -alanina e histidina tem um pKa de 7,04, próximo do pH fisiológico. Grupo Imidazola

12. Tampão bicarbonato Bicarbonato Tampão do plasma sanguíneo . H 2 CO 3 HCO 3 - +H + Neste sistema inclui-se ainda o CO 2 produzido nos tecidos e armazenado nos pulmões. Este CO 2 é vital pois pKa(H 2 CO 3 ) = 3,77 !!!!!

13. Tampão bicarbonato (cont.) O CO 2 (g), proveniente dos pulmões e tecidos, dissolve-se no plasma sanguíneo - CO 2 (d) - e é rapidamente hidratado para formar H 2 CO 3 : CO 2 (g) CO 2 (d) (1) CO 2 (d)+H 2 O H 2 CO 3 (2) H 2 CO 3 HCO 3 - +H + (3) Resumo

14. Tampão bicarbonato (cont.) A [H 2 CO 3 ] é mantida estável graças à disponibilidade do CO 2 , apesar da forte tendência para se transformar em HCO 3 - . A reacção de hidratação do CO 2 é catalizada pela enzima anidrase carbónica o que facilita e acelera a formação de H 2 CO 3 . Nas condições em que decorre, a reacção (2) tem o seu equilíbrio fortemente deslocado para a esquerda (há muito mais CO 2 (d) que H 2 CO 3 – 500:1) – este facto favorece a tendência para deslocar o equilíbrio da reacção (3) tb. para a esquerda.

15. Tampão bicarbonato (cont.) O equilíbrio global é dado pelas reacções: CO 2 (d)+H 2 O H 2 CO 3 H 2 CO 3 HCO 3 - +H + A ionização de H 2 CO 3 pode ser calculada em função de Kh e Ka Kh Ka

16. Tampão bicarbonato (cont.) Substituindo no cálculo de Ka Ka.Kh = K global = 2,69x10 -4 x3x10 -3 (37ºC) = 8,07x10 -7 pK global = 6,1

17. Tampão bicarbonato (cont.) Resulta a seguinte formulação da equação de Henderon-Hasselbalch: Apesar do valor de pK global (6,1) distar mais que 1 un. do valor de pH do sangue (≈7,4), o sistema tampão bicarbonato funciona perfeitamente. “ base” “ ácido”

18. Tampão bicarbonato (cont.) Resumindo: Apesar de [H 2 CO 3 ] = 0,1.[HCO 3 - ], a pH=7,4, o que poderá supor um efeito tampão pouco eficiente, convém lembrar a contribuição do CO 2 (d) para a concentração da componente ácida (ver reacção de hidratação de CO 2 (d) ). O tampão de bicarbonato é um sistema aberto, contando para o seu funcionamento com o CO 2 proveniente dos pulmões. Acidose respiratória (hipoventilação) e alcalose respiratória (hiperventilação).

19. Curvas de titulação e efeito tampão Curva de titulação de um ácido monoprótico (apenas pode libertar um ião H + ). Na zona mais plana da curva encontra-se o ponto em que [CH 3 COOH]=[CH3COO - ], correspondente ao pKa do ácido e à região de pH onde o efeito tampão é máximo. ? – Em que gama de pH poderia usar o ácido acético como tampão? Ponto em que [C H3COOH]=[CH3COO-] Zona de pH a que corresponde um maior efeito tampão

20. Curvas de titulação e efeito tampão (cont.) Curva de titulação de um ácido poliprótico (exº. do ácido fosfórico). Notar que existem 3 pontos de equivalência que correspondem à libertação dos 3 iões H + . Pontos de equivalência

21. ? – Qual o objectivo da realização de uma titulação? O que se entende por titulante e titulado? Permitem, através da alteração da sua cor, identificar o ponto de equivalência de uma titulação e calcular a concentração desconhecida. O ponto de equivalência de uma titulação é o ponto em que o nº de moles do ácido é igual ao nº de moles da base, de acordo com a estequiometria da reacção. Indicadores ácido base

22. Indicadores ácido base (cont.) Os indicadores são ácidos ou bases fracas, parcialmente ionizados, cuja cor varia com o grau de ionização e segundo a equação:

23. Força iónica A força iónica é uma medida da quantidade de electrólitos (espécies químicas com carga positiva ou negativa) presentes em solução. O seu valor é dado por: I = ½ . ∑ [i] . z 2 mol/l [i]= concentração do electrólito z= carga iónica A carga iónica influi, frequentemente em conjunto com o factor pH e outros, no funcionamento de sistemas biológicos, nomeadamente ao nível dos processos de troca em que as membranas celulares estão envolvidas. Valor de força iónica fisiológica ≈ 0,20M.