QUÍMICA BIOINORGÂNICA E A ÁGUA

QUÍMICA BIOINORGÂNICA

A  Química Bioinorgânica  pode ser tentativamente definida como a parte da Química que estuda os elementos químicos (com exceção do Carbono) dentro do contexto especial dos organismos vivos, sejam eles essenciais à vida, ou necessários em pequena escala.

Os “elementos são ditos essenciais” quando a sua falta no organismo vai causar algum tipo de disfunção, ou vai debilitar seriamente alguma função orgânica, e a adição desse elemento vai restaurar a saúde daquele organismo.

Entre os elementos que o nosso organismo necessita, em maiores quantidades, sete são metais (Na-sódio, K-potássio, Mg-magnésio, Ca-cálcio, Fe-ferro, Cu-cobre e Zn-zinco), e outros sete são os  não metais (H-hidrogênio, C-carbono, N-nitrogênio, O-oxigênio, P-fósforo, S-enxofre e Cl-cloro).

Para esses elementos, é relativamente fácil aos cientistas demonstrarem de que forma o nosso organismo se ressente da falta, ou do excesso de cada um. Muito difícil é mostrar as necessidades do nosso organismo àqueles elementos que são necessários, aparentemente, em pequenas quantidades, os chamados elementos "traço".

Por exemplo, nossa necessidade básica, (dose diária necessária), de selênio, um desses “traço-elementos”, foi determinada ser de 50 a 200 microgramas/dia. Sua falta pode causar sérios problemas de saúde, enquanto o excesso pode levar à morte. Uma dieta alimentar normal nos providencia a quantidade necessária desse elemento, de formas a que não necessitamos nos preocupar com sua falta, ou excesso.

Os “traço-elementos” mais importantes são os metais “V-vanádio; Cr-cromo; Mn-manganês; Co-cobalto; Ni-níquel; Mo-molobdênio e Sn-estanho”, e nos “não metais  B-boro; F-fluor; Si-silício; Se-selênio e I-iodo

Obs.: A Química Bioinorgância também estudo elementos químicos considerados tóxicos para a manutenção da vida. Detalhes deste assunto serão tratados no decorrer do curso.

ÁGUA

A água é componente essencial para os seres vivos, nos quais existe na percentagem média de 75%. Os valores variam de 50% (esporos de bactérias) até 98% (animais marinhos, como a medusa). A elevada percentagem de água da medusa e de outros celenterados indica que ela está unida aos colóides do tecido vivo, formando a estrutura de gel, indispensável à vida.

O organismo humano contém em média 70% de água, variando conforme os tecidos. O esqueleto, o dente e as cartilagens são mais pobres em água; nos tecidos moles as taxas são, em geral, superiores a 70% (Tabela 1).

Tabela 1

Distribuição da água no organismo de um homem de 33 anos, com 69,7 quilos

Estrutura e propriedades fisico-químicas da água

Por estudos de difração com raios X ficou estabelecido que a molécula da água tem a forma de um triângulo isósceles em que os átomos de hidrogênio (levemente positivos) ficam na base, e o de oxigênio (levemente negativo ), no ápice, formando um ângulo de 105°.

Isso traz, em conseqüência, a distribuição assimétrica das cargas eletrônicas. A molécula é, portanto, altamente polar, podendo induzir polaridade nas moléculas vizinhas. As moléculas de água têm propriedades associativas entre si, como conseqüência da sua dipolaridade.

Assim, cada molécula de água tende a atrair 4 moléculas próximas, formando um agregado de massa 5 vezes maior (Fig. 1). As moléculas de água ficam unidas entre si por fracas forças eletrostáticas, as ligações de hidrogênio (ou pontes de hidrogênio), cujo valor energético é de apenas 4,5 kcal, comparado com 110 kcal para as ligações covalentes.

Fig. 1: Associação de moléculas de água como conseqüência da sua dipolaridade. Quatro moléculas agregam-se em volta de uma molécula central, formando aproximadamente um tetraedro. As moléculas 1 e 2 e a molécula central (X) estariam no plano do papel, a molécula 3, acima desse plano, e a molécula 4, abaixo.

A velocidade de desagregação dos polímeros de água aumenta com a temperatura, mas só o vapor de água superaquecido a 600°C possui exclusivamente o monômero (H2O).

A presença de tais polímeros no gelo e na água líquida explica seu comportamento físico paradoxal, quando comparado a compostos similares. São, por isso, relativamente elevados para a água, os valores de pontos de congelação e ebulição, tensão superficial, viscosidade, calor específico, calores latentes de fusão e vaporização.

OBS:- As propriedades estranhas da água serão discutidas nos próximos textos.

O valor elevado das constantes térmicas deve-se ao fato de boa parte do calor se desviar para o trabalho de despolimerização. (separação das moléculas de água)

Quando uma substância que contém grupos hidrófobos, como ocorre com os hidrocarbonetos, está em meio aquoso força as moléculas de água que se encontram na sua proximidade a formarem um tipo de "gaiola", assumindo estrutura de "clatrato" (Fig.2). Esse tipo de estrutura restringe o movimento e o número de possíveis arranjos das moléculas de água, além de diminuir a entropia (caos molecular)

OBS:- Clatrato: composto molecular em que moléculas de um tipo estão incluídas nos "buracos" de uma rede formada por moléculas de outro tipo.

fig. 2 Estruturas de clatrato que moléculas de água formam em torno de cadeias apolares de hidrocarbonetos.

As cadeias laterais não-polares das proteínas possuem, também, a propriedade de provocar a formação de clatratos na sua vizinhança. Tal fenômeno determina segregação das cadeias laterais hidrofóbicas e é importante fator de estabilização da molécula protéica em soluções aquosas.

Por outro lado, esse processo de química não-aquosa apresenta implicações energéticas importantes, já que, para cada cadeia lateral hidrofóbica, que é removida do meio aquoso para um ambiente não-polar, a proteína tem um ganho extra de 4 kcal de energia livre de estabilização.

Devido ao seu elevado calor específico, a água perde ou absorve calor com pequenas mudanças de temperatura, funcionando como tampão (estabilizador) térmico.

A água dissolve substâncias com grupos polares hidrófilos, cuja solubilidade é maior quanto maior for o número desses grupos. Os grupos sem afinidade para a água, ou grupos hidrófobos (-CH3 ou –CH2- dos hidrocarbonetos), determinam insolubilidade na água.

A estabilização dos colóides de proteínas (liofílicos) depende do seu estado de hidratação. O fenômeno da coacervação dá-se pela perda de água, ou por desidratação com agentes como a acetona e o álcool, ou pela descarga parcial do colóide, em presença de sais. A embebição dos colóides pela água é de grande importância na regulação do teor de água dos tecidos . A condição chamada de edema deve-se a uma retenção maior de água por parte das proteínas tissulares.

Água livre e combinada.

Nem toda a água presente nos seres vivos está em estado livre. Pequena parte encontra-se frouxamente unida às proteínas e a outros colóides, por atração dipolar (formação de pontes de hidrogênio), e denomina-se água combinada. Essa fração, considerada não-disponível para os processos metabólicos ativos, resiste à desidratação e à congelação a — 20°C, não é solvente de cristalóides e não obedece às forças osmóticas.

Distribuição da água e dos eletrólitos.

Nos vertebrados, os organismos jovens são mais ricos em água do que os adultos (Tabela 2).

Tabela 2

Variação do teor hídrico, com a idade, no organismo humano

O organismo humano pode ser dividido em compartimentos, mais ou menos estanques, no que respeita à distribuição da água, dos eletrólitos e dos colóides: (a) compartimento que contem o fluido intracelular, com 40-50% do peso do corpo; (b) compartimento que contem o fluido extracelular, com 20% do peso do corpo.

O compartimento extracelular, por sua vez, divide-se entre o plasma sangüíneo, que compõe 5% do peso total do corpo, e é constituído de água circulante; e o líquido intersticial (15% do peso total do corpo), constituído da linfa, do líquido cefalorraquidiano e de outros fluidos biológicos. No seu conjunto, os fluidos do compartimento extracelular constituem o "meio interno" proposto por Claude Bernard.

A água é o veículo principal na distribuição dos eletrólitos. Ela se difunde rapidamente entre os diversos territórios do organismo, permitindo, assim, a regulação do equilíbrio osmótico.