Gabriella Eldereti Machado

Biofísica

Unidade 4

Livro didático digital

Diretor Executivo DAVID LIRA STEPHEN BARROS

Diretora Editorial ANDRÉA CÉSAR PEDROSA

Projeto Gráfico MANUELA CÉSAR ARRUDA

Autor GABRIELLA ELDERETI MACHADO

Desenvolvedor CAIO BENTO GOMES DOS SANTOS

Olá. Meu nome é Gabriella Eldereti Machado. Sou formada em Química Licenciatura, com uma experiência técnico-profissional na área de educação e ensino de mais de 03 anos. Possuo experiência acadêmica, passando pela Pós-Graduação em Educação Ambiental, em nível de Especialização. Mestrado em Educação e Doutorado em Educação, em andamento. Sou apaixonada pelo que faço e adoro transmitir minha experiência de vida àqueles que estão iniciando em suas profissões. Por isso fui convidada pela Editora Telesapiens a integrar seu elenco de autores independentes. Estou muito feliz em poder ajudar você nesta fase de muito estudo e trabalho. Conte comigo!

Autor GABRIELLA ELDERETI MACHADO

INTRODUÇÃO: para o início do desenvolvimen-to de uma nova competência;

DEFINIÇÃO: houver necessidade de se apresentar um novo conceito;

NOTA: quando forem necessários obser-vações ou comple-mentações para o seu conhecimento;

IMPORTANTE: as observações escritas tiveram que ser prioriza-das para você;

EXPLICANDO MELHOR: algo precisa ser melhor explicado ou detalhado;

VOCÊ SABIA? curiosidades e indagações lúdicas sobre o tema em estudo, se forem necessárias;

SAIBA MAIS: textos, referências bibliográficas e links para aprofun-damento do seu conhecimento;

REFLITA: se houver a neces-sidade de chamar a atenção sobre algo a ser refletido ou discutido sobre;

ACESSE: se for preciso aces-sar um ou mais sites para fazer download, assistir vídeos, ler textos, ouvir podcast;

RESUMINDO: quando for preciso se fazer um resumo acumulativo das últimas abordagens;

ATIVIDADES: quando alguma ativi-dade de autoapren-dizagem for aplicada;

TESTANDO: quando o desen-volvimento de uma competência for concluído e questões forem explicadas;

IconográficosOlá. Meu nome é Manuela César de Arruda. Sou a responsável pelo pro-jeto gráfico de seu material. Esses ícones irão aparecer em sua trilha de aprendizagem toda vez que:

SUMÁRIOPh metria..........................................................................................10

PH.................................................................................................................................10

POH............................................................................................................................20

PH Metria.................................................................................................................22

Ácido e base...................................................................................26

Solução tampão............................................................................32

Método Calorimétrico...................................................................................33

Método Potenciométrico............................................................................35

Eletroforese...................................................................................39

Fundamentos Teóricos..................................................................................40

Eletroforese em gel de poliacrilamida com dodecil sulfato de sódio (EGPA-DSD).....................................................................................42

Bibliografia.....................................................................................44

Biofísica 9

UNIDADE

04

Biofísica10

PH METRIAAo término deste capítulo você será capaz de

compreender a relação do Ph com a biofísica, permeando conceitos referentes aos sistemas biológicos que envolvem esses processos. Motivado para desenvolver esta competência? Então vamos lá. Avante!

PHO contexto em que se insere a importância do íon

hidrogênio ou pH aos sistemas biológicos se dá por volta de 1900, no qual muitas equações matemáticas foram utilizadas para demonstrar o equilíbrio químico.

Para os químicos da época, a determinação da concentração do pH era uma questão de interesse teórica, mas para biólogos e bioquímicos a situação era devido à situação prática, visto que trabalhavam com organismos vivos e lidavam constantemente com os sistemas de tampões naturais e com o desafio de determinar a concentração do íon H+.

IMPORTANTE:

Através das pesquisas de Auguste Fernbach (1860-1939) percebeu que o extrato de malte apresentava a propriedade de não variar sua atividade enzimática quando se adicionavam pequenas quantidades de um ácido ou de uma base.

Biofísica 11

IMPORTANTE:

O fisiologista húngaro Pál Szily (1878-1945) em suas pesquisas constatou que o soro sanguíneo possuía propriedades de tampão, pois através de seus estudos definiu os limites em que ocorriam as reações no soro, na faixa de concentração do pH [H+] entre 1x10-4 e 2x10-10 mol L-1 (GAMA & AFONSO, 2007).

Concluiu que o malte, assim como muitos fluídos naturais, compartilhava a propriedade de resistir a mudanças de acidez ou de alcalinidade. Denominou-se de tampão esse fenômeno. Vamos conhecer um pouco sobre o biólogo Auguste Fernbach.

Auguste Fernbach foi um biólogo francês nascido em 03 de março de 1860, realizou seus estudos científicos em Paris, onde participou do laboratório Wurtz. Em 1879 formou – se Bacharel em Ciências Físicas, começou a atuar na Faculdade de Ciências e no Instituto Pasteur (GAMA & AFONSO, 2007).

Em sua tese de doutorado em ciência sobre sacarose, uma enzima invertida de açúcar de cana. Em 1910 desenvolve um novo processo de fermentação baseado em produtos como cereais e batatas, levando à produção de grandes quantidades de acetona e butanol, e a fermentação com acetobutil.

Era orientado por Hans Friedenthal (1870- 1943), onde trabalhou na determinação da concentração do íon hidrogênio utilizando métodos colorimétricos. Método utilizado na química analítica e física é uma técnica que determina a concentração de compostos coloridos em solução (GAMA & AFONSO, 2007).

Biofísica12

Szily era de uma família judia, formou-se em medicina pela Universidade de Budapeste em 1902, após estudou bioquímica um ano em Berlim. Foi cirurgião de 1905 e 1908 no Hospital Rókus e na Primeira Guerra Mundial foi médico militar (GAMA & AFONSO, 2007). Foi preso por nazistas onde ficou doente, depois de meses morreu.

Fonte: Csanády/Wikimedia Commons / Public Domain.

Figura 1 – Pál Szily.

Com Louis Pasteur (1822-1895), por meio de seus estudos de fermentação, temos o primeiro reconhecimento de que a acidez real é bem diferente da acidez total, por causa dos ácidos com mesmo número de hidrogênios ionizáveis que não têm necessariamente a mesma força. Surgindo a necessidade de medir a acidez da solução,

Biofísica 13

Fonte: Trycatch/Wikimedia Commons / Public Domain.

Figura 2 - Louis Pasteur.

demonstrando a importância e a necessidade de quantificar a acidez (GAMA & AFONSO, 2007).

Nasceu em Dole, 27 de dezembro de 1822 na França, foi um cientista em que suas descobertas tiveram enorme importância na história da química e da medicina, com descobertas das causas e prevenções de doenças. Contribuindo com a redução da mortalidade e a criação da primeira vacina contra a raiva. Mas ficou mais conhecido por inventar um método para impedir que leite e vinho causem doenças, a pasteurização.

Biofísica14

Chegamos à invenção da escala de pH, em 1904 por Hans Friedenthal, com a utilização da concentração do íon hidrogênio para caracterizar soluções, sugerindo que as soluções alcalinas poderiam ser caracterizadas em concentração do íon hidrogênio.

Hans Friedenthal era um médico alemão, viveu na Palestina entre 1920 e 1928. Viveu na Alemanha até 1935 até sua emigração para a Palestina em 1938, no qual foi presidente da Associação Reich de Clubes Esportivos Judaicos.

VOCÊ SABIA?:Durante seus estudos na Universidade de Berlim em 1913 atuou junto com o médico húngaro Pál Szily em pesquisas iniciais sobre a escala de pH (GAMA & AFONSO, 2007).

Temos em 1909, o bioquímico Søren Peter Lauritz Sørensen (1868-1939), dinamarquês que em seus estudos estabeleceu uma maneira conveniente de expressar a acidez utilizando o logaritmo negativo da concentração do íon hidrogênio: pH = - log [H+].

Denominou de expoente do íon hidrogênio representado pelo símbolo pH “potencial de hidrogênio”. Devido ao uso do artifício matemático “– log [H+]”, temos que os valores dessa escala serão positivos na faixa de concentração abaixo de 1 mol L-1.

IMPORTANTE:Esses estudos na prática são aplicados a instrumentos empregados para fazer a medição que podem ser calibrados com soluções de concentração de íon hidrogênio conhecida (GAMA & AFONSO, 2007).

Biofísica 15

Sørensen, químico, realizou doutorado com estudo da síntese inorgânica na Universidade Técnica da Dinamarca, em Copenhague. Atuando no laboratório de cerveja Carlsberg, onde começa a realizar diversas experiências bioquímicas relacionadas com aminoácidos, proteínas e enzimas, buscando facilitar seus trabalhos no controle de qualidade de cervejas e desse modo descobriu a medição do pH (GAMA & AFONSO, 2007).

Fonte: Soerfm/Wikimedia Commons / Public Domain.

Figura 3 - Søren Peter Lauritz Sørensen.

Desse modo, o conceito de pH é aplicado a soluções aquosas e diluídas, quando temos a variação da temperatura temos a variação da escala de pH.

Biofísica16

VOCÊ SABIA?:Você sabia que a temperatura do corpo humano é 37 ºC, e com isso seu pH + pOH = 13,6 e o pH referente à neutralidade é de 6,811?Pois é, atualmente a escala de pH é utilizada de forma usual no meio científico, sendo conhecida em todos os campos a partir de 1920, por meio do cientista William M. Clark (1884-1964) e sua publicação do livro The Determination of Hydrogen Ions. Neste livro foi introduzido a temática da dosagem eletrométrica, com o propósito de obtenção de medidas mais precisas (GAMA & AFONSO, 2007).

O uso do conceito de pH possui a vantagem de evitar cálculos com número muito pequenos, que são compostos de zeros à esquerda, ou a manipulação de números negativos, fatos que facilitam na construção de gráficos e reduzindo as possibilidades de erro de cálculo (GAMA & AFONSO, 2007).

IMPORTANTE:Quando falamos em pH, fazemos referência ao potencial hidrogeniônico de uma solução, ou seja, a quantidade de cátions hidrônio (H+ ou H3O+) que estão dispersos no solvente de uma solução (GAMA & AFONSO, 2007).

Desse modo, os cátions hidrônio são conhecidos devido à definição de Arhenius para um ácido, no qual afirma que o ácido é toda substância capaz de se ionizar e

Biofísica 17

produzir íons hidrônio em meio aquoso (GAMA & AFONSO, 2007).

Temos também valores utilizados para indicar o pH como a constante de ionização (Kw) da água na temperatura de 25 oC, que é a igual a 10-14. Assim, nessa temperatura temos que as concentrações dos íons hidrônio e hidróxido produzidos pela água são iguais com 10-7 mol/L. Seguindo a equação:

[H+]=[OH-]= 10-7

A partir desse parâmetro os valores para o pH variam de 0 até 14. Como na escala a seguir:

Figura 4 – Escala de pH.

Fonte: Freepik.

ÁCIDO ALCALINONEUTRO

Temos a presença do pH em nosso cotidiano também, pois alguns produtos e alimentos são ácidos ou básicos.

Biofísica18

Figura 5 – Escala de pH no cotidiano.

Fonte: Freepik.

ÁguaCaféVinagre

Bateria Limão Tomate Leite Sangue Sabonete

Suco gástrico

Amônia AlvejanteBircabonato de Sódio

Comprimidosestomacais

Limpadorde dreno

NeutroÁcido Alcalino

Em relação ao cálculo do valor de pH temos algumas fórmulas para chegar aos resultados, como o cálculo a partir da concentração em mol/L de cátions hidrônio: pH = -log[H+] ou 10-pH = [H+].

Para o cálculo da concentração de ânions hidróxido (OH-): pOH = -log[OH-] ou 10-pOH = [OH-]. Sendo que após calcular o valor do pOH, é necessário utilizá-lo na expressão a seguir para determinar o valor do pH: pH + pOH = 14.

Biofísica 19

TESTANDO:Aplicando o conhecimento, busque aprender com este problema e sua resolução: Sabendo que a concentração de cátions hidrônio de uma solução vale 2.10-4 mol/L, qual deve ser o valor do pH dessa solução?1)Para determinar o valor do pH da solução a partir da concentração de hidrônios (H+), 2.10-4 mol/L, devemos utilizar a seguinte expressão:

pH = –log[H+]pH = –log[2.10-4 ]pH = –(log 2 + log 10-4)pH = –log2 – log10-4pH = –log 2 – 4.log 10pH = –0,3 + 4.(1)

pH = –0,3 + 4pH = 3,7

Neste segundo, estaremos encontrando o valor de pOH: Uma solução formada por um determinado soluto apresenta concentração de íons hidróxido igual a 10-11 mol/L. A partir dessa concentração, podemos afirmar que o pH dessa solução vale quanto?2)Para determinar o valor do pH da solução a partir da concentração de hidróxidos, 10-11 mol/L, devemos fazer o seguinte:

10-pOH = [OH-]10-pOH = 10-11

Multiplique a expressão por -1 porque o pOH sempre é uma incógnita positiva.

Biofísica20

-pOH = -11.(-1)pOH = 11

Calcule o valor do pH:pH + pOH = 14pH + 11 = 14pH = 14 – 11pH = 3

POHO pOH é conceituado como o potencial hidroxiliônico

de uma solução, sendo a quantidade de hidróxidos (OH-) dispersos em certo volume de solvente. Para realizar o cálculo do pOH de uma solução, utilize as seguintes expressões:

pOH = - log [OH-]

O log: é o logaritmo de base 10. O [OH-] é a concentração em quantidade de matéria (molaridade) de hidróxidos.

A segunda expressão:

10-pOH = [OH-]

Temos em relação a esse cálculo, que depende do valor da concentração de OH-, e devido a isto é fundamental saber qual é o pH. Utilizando a expressão: pH + pOH = 14.

Biofísica 21

TESTANDO:No seguinte exercício de aplicação o potencial hidrogeniônico de um suco de limão vale aproximadamente 3. Desse modo, qual será o valor do pOH dessa solução? Como sabemos o valor do pH, basta utilizar a seguinte relação:

pH + pOH = 143 + pOH = 14pOH = 14 - 3pOH = 11

No segundo Exemplo 2: O bacilllus botulinus é o micro-organismo causador do botulismo. Essa bactéria não consegue sobreviver se estiver em um meio cuja concentração de hidróxidos seja inferior a 10-8 mol/L. Qual é o valor do pOH mínimo sobrevivência do micro-organismo?Como é fornecida a concentração de hidróxidos, é possível utilizar qualquer uma das fórmulas abaixo:pOH = - log [OH-] ou 10-pOH = [OH-]

Utilizando a primeira fórmula: pOH = - log [OH-]pOH = - log 10-8pOH = 8.log10pOH = 8.1pOH = 8

Utilizando a segunda fórmula: 10-pOH = [OH-]10-pOH = 10-4-pOH = -4

Biofísica22

Como o pOH está com o sinal negativo, é necessário multiplicar toda a expressão por -1. Desse modo: -pOH = -4.(-1)pOH = 4

RESUMINDO:O pOH foi descoberto pelo bioquímico dinamarquês Peter Lauritz Sorensen (1868-1939), quando atuava no laboratório Carlsberg, na Dinamarca. Pesquisava as reações enzimáticas e o controle de qualidade da cerveja. As concentrações tanto do hidrônio [H3O+(aq)] quanto do íon hidróxido [OH-(aq)], em soluções aquosas, aparecem em uma extensa faixa de números com expoentes negativos, com isso desenvolve as expressões matemáticas possíveis para resolução de problemas envolvendo o pH e pOH.

PH MetriaA pH-metria é uma técnica aplicada a realização de

diagnóstico de doenças ligadas ao estômago, em que é medida a acidez do esófago e medido o tempo em que o esófago está exposto a determinados níveis de acidez (JUNQUEIRA & CARNEIRO, 2013).

IMPORTANTE:É possível através de a técnica diagnosticar problemas de refluxo gastresofágico e alterações nos mecanismos normais de limpeza do esófago.

Biofísica 23

O estômago é um dos órgãos que integrantes do tubo digestivo, sendo caracterizado como uma bolsa de paredes musculosas, localizada na cavidade abdominal, entre o esôfago e o intestino delgado (JUNQUEIRA & CARNEIRO, 2013).

O mesmo possui a função de realizar o processo digestivo. Composto de glândulas que produzem o suco gástrico, responsável por envolver os alimentos em digestão e transformar o bolo alimentar em quimo. O estômago é dividido em quatro partes: cárdia, fundo, corpo e piloro (JUNQUEIRA & CARNEIRO, 2013).

Mucosa

Piloro

Grandecurvatura

Pequena curvatura

Duodeno

Cárdia

Figura 6 – Estômago.

Fonte: Freepik.

Biofísica24

Temos então em relação à Cárdia, é o espaço de transição entre esôfago e estômago, estão localizadas nessa região as glândulas secretoras de muco. Fundo e Corpo correspondem à curvatura superior do estômago, no qual o corpo situa-se entre o antro pilórico e o fundo e compreende cerca de ⅔ do volume total do estômago. São responsáveis por secretar suco gástrico e muco (JUNQUEIRA & CARNEIRO, 2013).

O piloro é situado na porção inferior do estômago, possui uma válvula muscular que faz a comunicação entre o estômago e o intestino delgado e regula a passagem do bolo alimentar.

IMPORTANTE:A parede do estômago possui o revestimento de epitélio produtor de muco e a mucosa gástrica é recoberta por uma camada de muco para sua proteção contra as agressões do suco gástrico, devido a ser bastante corrosivo por ser ácido (JUNQUEIRA & CARNEIRO, 2013).

Sobre o epitélio do estômago sofre processos de invaginações, chamadas de fossetas gástricas, onde são encontradas as glândulas. E a parte muscular do estômago é formada de células musculares lisas (JUNQUEIRA & CARNEIRO, 2013).

Biofísica 25

RESUMINDO:Em resumo, as funções do estômago são: Armazenar o alimento após a passagem pelo esôfago; realização da digestão parcial do alimento com a participação do suco gástrico; absorver pequenas quantidades de água; transferência do alimento ao duodeno para continuação do processo digestivo.Em relação à acidez do estômago, se dá devido à ingestão excessiva de alimentos ácidos, condimentados e gordurosos causando azia e queimação. Podendo causar gastrite, que é uma inflamação da parede do estômago causada pelo aumento da acidez no órgão. Pode causar lesões graves, conhecidas como úlceras.

Biofísica26

ÁCIDO E BASEO conhecimento sobre ácidos e bases vem desde a

antiguidade, com palavras como álcali cunhadas durante a Idade Média e base surge no século XVIII.

Com Robert Boyle, no século XVII, temos os estudos sobre os indicadores ácidos e bases, utilizados em titulações. Robert Boyle era um filósofo natural, químico e físico irlandês, atuou e teve destaque no âmbito da física e da química.

IMPORTANTE:As teorias ácido-base têm como objetivo explicar o comportamento dessas substâncias baseando-se em alguns princípios gerais que iremos conhecer neste capítulo. As principais surgem no século XX, com Arrhenius (1887) (CHAGAS, 1999).

A teoria ácido-base de Svante Arrhenius é formulada em 1887, possuía formação em química, originou-se de seus estudos sobre a teoria da dissociação eletrolítica. Segundo sua teoria, ácido é toda substância que em meio aquoso produz íons H+ e base é aquela que produz OH–. Apesar de ser um avanço, a teoria de Arrhenius era limitada a meios aquosos, continham água (CHAGAS, 1999).

Temos em 1895 a 1911, Alfred Werner, conhecido como fundador da química de coordenação. Após várias críticas feitas às teorias ácido-base de Arrhenius, mencionou a semelhança funcional da neutralização com outras reações, e devido a isto não teria muita aplicabilidade. Werner reinterpretou o processo de neutralização não como uma

Biofísica 27

IMPORTANTE:A Teoria protônica foi proposta em 1923, pelo americano G. Lewis, o inglês T. Lowry e o dinamarquês J. Brønsted. Segundo essa teoria, ácido é um doador de prótons (íon H+) e base, recebe prótons. A reação de neutralização seria uma transferência de prótons entre um ácido e uma base, seguindo esquema: AH + B = BH + A (CHAGAS, 1999).

simples reação de adição, mas como uma reação de transferência, pois levou em conta à formação de espécies coordenadas (CHAGAS, 1999).

Temos a teoria dos sistemas solventes que foi desenvolvida em 1905 por E.C. Franklin, utilizou a amônia (NH3) líquida como um possível solvente. Considerando que todo solvente sofre processos de auto ionização que geram cátion ácido e um ânion base. Desse modo, para esta teoria ácido é tudo que faz aumentar a concentração do cátion característico do solvente e base é o que aumenta a concentração do ânion característico (CHAGAS, 1999).

Possibilitando por meio dessa teoria o estudo em sistemas ácidos utilizando ácido sulfúrico como solvente. E o desenvolvimento de indicadores para estes meios, além de estudos de catálise ácido-base.

Na teoria de Lux, 1939, possui semelhança com a teoria protônica, pois considera o ânion óxido (O2–) a entidade transferida. Nessa teoria ácido é um receptor de O2– e base, um doador. Contribui no contexto das reações envolvendo líquidos iônicos, com aplicação na metalurgia, na fabricação de vidro e cerâmica, nos sistemas geoquímicos (CHAGAS, 1999).

Biofísica28

IMPORTANTE:A teoria eletrônica buscou explicar as ligações químicas, G.N. Lewis propôs uma teoria ácido-base em 1923, no qual considerava que ácido é toda espécie química capaz de receber um par eletrônico e que base é aquela capaz de doar um par eletrônico. Seguindo o seguinte esquema: A + :B = A:B.

Esta teoria foi utilizada no estudo de reações orgânicas, com Lowry, Robinson, Ingold e Lapworth; e na química de coordenação com Sidwick (CHAGAS, 1999).

Em 1938, Lewis retoma o tema de estudos ácido-base, propondo a reação entre um ácido e uma base por meio da neutralização. Originando os seguintes pressupostos: Um ácido (ou base) pode deslocar de seus compostos um ácido (ou base) mais fraco; Ácidos e bases podem ser titulados um com o outro por meio de indicadores; Ácidos e bases são capazes de atuar como catalisadores (CHAGAS, 1999).

Na teoria de Usanovich, de 1939, o químico soviético M. Usanovich apresentou o ácido como a espécie que reage com a base para formar sais, doando cátions ou aceitando ânions ou elétrons, e base como a espécie que reage com o ácido para formar sais, doando ânions ou elétrons ou combinando-se com cátions (CHAGAS, 1999).

A definição mais tradicional dos ácidos e bases foi dada pelo cientista sueco Svante Arrhenius, que estabeleceu os ácidos como substâncias que - em solução aquosa - liberam íons positivos de hidrogênio (H+), enquanto as bases, também em solução aquosa, liberam hidroxilas, íons negativos OH- (RUSSEL, 2006).

Em as características dos ácidos, são incolores, possuem odor forte e asfixiante; sabor azedo, ácido ou amargo com pH inferior a 7. O estado físico é líquido, com

Biofísica 29

baixo ponto de fusão e ebulição; Conduzem eletricidade em meio aquoso e reagem com metais como o ferro, magnésio, zinco (RUSSEL, 2006).

EXPLICANDO MELHOR:É possível identificar se as substâncias são ácidas ou básicas utilizando Indicadores, que alteram a cor de certas substâncias, têm a propriedades de mudar de cor conforme o caráter ácido ou básico das soluções. Os mais conhecidos Indicadores de ácidos e bases são: o tornassol e a fenolftaleína (RUSSEL, 2006).

Em relação aos tipos de Ácidos temos: orgânicos e inorgânicos. Os ácidos orgânicos são substâncias que fazem parte da nossa alimentação como: o ácido cítrico (laranja, limão, acerola), ácido málico (maçã), ácido tartárico (uva), ácido acético (vinagre), ácido carbônico (bebidas gaseificadas) (RUSSEL, 2006).

Os ácidos inorgânicos fazem parte do rol de substâncias impróprias para o consumo humano como os ácidos perigosos: ácido sulfúrico (H2SO4), ácido cianídrico (HCN), ácido clorídrico (HCl), ácido fluorídrico (HF), ácido nítrico (HNO3) (RUSSEL, 2006).

As Bases são substâncias formadas pela união de um cátion e um ânion, que liberam íons hidroxila (ânions OH–) numa solução aquosa em processos chamados de dissociações iônicas (RUSSEL, 2006).

Biofísica30

IMPORTANTE:O conceito de base tem origem em 1923 com os estudos dos físico-químicos Johannes Nicolaus Brönsted (1879-1947) e Thomas Martin Lowry (1874-1936) ao elaborarem a Teoria ácido-base de Brönsted-Lowry (RUSSEL, 2006).

IMPORTANTE:Podem ser classificadas de acordo com o número de hidroxilas, dependendo de grupo de hidroxilas (OH-) presentes, são classificadas em: monobases (1 hidroxila), dibases (duas hidroxilas), tribases (três grupos de hidroxilas) e tetrabases (4 hidroxilas) (RUSSEL, 2006).

Postulando que as bases são substâncias químicas com tendência para receber prótons (íons H-), enquanto os ácidos possuem a tendência de doar prótons (íons H+) (RUSSEL, 2006). No mesmo ano o químico americano Gilbert Newton Lewis (1875-1946) propôs que as bases são substâncias que cedem pares de elétrons e os ácidos substâncias com a tendência a receberem os pares de elétrons (RUSSEL, 2006).

Em relação às características das Bases possuem sabor adstringente, cáustico, amargo, com pH superior a 7. Conduzem eletricidade em meio aquoso, em altas temperaturas desintegram-se (RUSSEL, 2006).

Biofísica 31

Figura 7 – Ácido e base no cotidiano.

Fonte: Freepik (editado).

ÁCIDO ALCALINONEUTRO

Biofísica32

Solução Tampão

IMPORTANTE:As soluções tampão são aquelas que resistem às modificações de pH quando é adicionada uma pequena quantidade de um ácido forte ou de uma base forte ou ainda quando sofrem uma diluição.

Não ocorrendo variações de pH nas soluções tamponadas com alguma significância quando comparadas às variações nas soluções não tamponadas (OLIVEIRA, et. al., 2010).

Devido a isto, são utilizadas para manter constante o pH de um sistema e para preparar soluções de pH definido. São constituídas de uma solução moderadamente concentrada de ácido forte ou de base forte, ou seja, de soluções de ácidos e bases fortes com pH nas extremidades da escala de pH. São soluções de ácidos fortes cujo pH varia de 0 a 2 e soluções de bases fortes cujo pH varia de 12 a 14 (OLIVEIRA, et. al., 2010).

Temos alguns exemplos de soluções tampão, como a mistura de solução de ácido acético, CH3COOH, e acetato de sódio, CH3COONa. Nesse contexto, o acetato de sódio é um sal e, portanto, se dissocia totalmente em água, gerando íons sódio e íons acetato, que é a base conjugado do ácido acético (OLIVEIRA, et. al., 2010).

Podemos ter uma solução tampão na mistura de solução de amônia, NH3, e cloreto de amônio, NH4Cl. Lembrando que o cloreto de amônio é um sal e se dissocia totalmente em meio aquoso, com água, gerando íons cloreto e íons amônio, que é o ácido conjugado da amônia (OLIVEIRA, et. al., 2010).

Biofísica 33

IMPORTANTE:O uso do colorímetro ocorre em soluções de concentrações diferentes, incluindo uma solução de controle cuja concentração seja conhecida.

Em suma, uma solução contendo um par ácido-base conjugado, derivado de ácidos polipróticos ou bases poliácidas, em concentrações adequadas. Com isto, temos a solução tampão como uma mistura usada para evitar que o pH ou o pOH do meio sofra variações quando for adicionado ácidos fortes ou bases fortes.

Método Colorimétrico A colorimetria é parte da área da química analítica

e física, compreendida como uma técnica utilizada para determinar a concentração de compostos coloridos em solução. Temos que o colorímetro é um dispositivo utilizado para medir a concentração de um analito em determinada solução através da medição da absorbância em um determinado comprimento de onda de luz visível.

Uma vez que o a coloração da solução depende da concentração e do caminho óptico, podemos comparar soluções padrão com aquela de concentração desconhecida a fim de mensurar sua concentração.

Biofísica34

Existem diversos tipos de colorímetros, desde manuais até eletrônicos automatizados, que para fornecerem resultados exatos e devem ser calibrados com uma cubeta contendo a solução de controle com concentração conhecida.

Temos também a concentração de uma amostra pode ser calculada a partir da intensidade da luz antes e depois de passar através da amostra utilizando a lei de Beer-Lambert. Que é uma relação empírica na Óptica, relacionando a absorção de luz com as propriedades do material atravessado por esta.

Em relação às reações no contexto da colorimetria, são reações que ocorre formação de produtos coloridos. Na faixa visível ao espectro eletromagnético radiante que se dá entre 400 a 680 nanômetros, mede-se a energia radiante transmitida e ou absorvida na solução.

Temos que os métodos de análise colorimétrica permitem por meio da medição da variação de absorbância de uma amostra em relação a um comprimento de onda, calcular a concentração dos analitos.

IMPORTANTE:Este método de detecção pode ser usado no teste de LAL (lisado de amebócitos de Limulus) para endotoxinas.

A Endotoxina é uma toxina que é parte integrante da membrana externa de algumas bactérias e só é libertada após a destruição da membrana externa da bactéria das Gram negativas, libertando-se o LPS. O teste de LAL é uma técnica usada n a determinação de endotoxinas da membrana celular das bactérias Gram-negativas.

Biofísica 35

Temos também o método cromogênico cinético, que é baseado na medição da cor da amostra de teste em diferentes intervalos de tempo após a adição do reagente de LAL contendo a substância colorida. Como vantagem deste método, temos que ele pode ser automatizado, economizando tempo e permitindo um maior número de medições. Mas, não pode ser aplicado quando existem outras moléculas com cor que podem causar interferências.

Em relação ao método cromogênico do ponto final, este se baseia na medição da absorvância da amostra quando a reação está finalizada, de acordo com o kit de teste este momento é o período de incubação ou quando a solução é acidificada.

Método Potenciométrico

INTRODUÇÃO:A Potenciometria ou método potenciométrico de análise química são métodos que se baseiam na medida da diferença de potencial de uma célula eletroquímica na ausência de corrente elétrica. Com base na medida na medida da diferença de potencial entre dois eletrodos que estarão em contato com a solução do analito, e a diferença de potencial entre um eletrodo indicador e um eletrodo de referência expostos à solução do analito.

Biofísica36

O potencial do eletrodo indicador varia com a concentração da espécie química de interesse, enquanto o potencial do eletrodo de referência permanece constante. Temos que o eletrodo de referência é um eletrodo com potencial fixo e constante. O eletrodo indicador é sensível à variação da espécie de interesse.

O valor dos potenciais dos eletrodos é fornecido pela seguinte equação, denominada equação de Nernst: E = E0. Esses métodos são aplicados a indústria, atuando em análises que baseiam-se na medida do potencial de células eletroquímicas, sem o consumo perceptível de corrente.

DEFINIÇÃO:A potenciometria é uma medição analítica a partir do uso de dois eletrodos num sistema de alta impedância, devido a medição do potencial de uma célula eletroquímica em condições de corrente zero é realizada usando um potenciômetro.

Instrumento de medição

Solução do analito

Eletrodo de referência

Eletrodo indicador

Figura 8 – Potenciometria procedimento básico.

Biofísica 37

Temos em relação ao funcionamento do procedimento que cada eletrodo se comporta como a metade de uma célula eletroquímica similar a uma pilha galvânica. Sendo necessário controlar a corrente que flui através de uma célula eletroquímica, como a coulometria de corrente constante, usa-se um galvanostato.

Fonte: GChriss/ Wikimedia Commons / CC BY 2.5/ CC BY-SA 3.0/GFDL/ https://commons.wikimedia.org/wiki/File:BASi_epsilon_C3_cell_stand.jpg

Figura 9 – Galvanostato.

IMPORTANTE:Esse método é realizado com o auxílio da titulação, que é a análise que faz parte de um grupo de métodos analíticos baseados na determinação da quantidade de um reagente (titulante) de concentração conhecida que é requerida para reagir completamente com o analito.

Biofísica38

RESUMINDO:Assim, as titulações são muito utilizadas em química analítica para determinar ácidos, bases, oxidantes, redutores, íons metálicos, proteínas e muitas outras espécies, a reação envolvida é denominada de estequiometria. Pode ser usada para monitorar a reação de titulação, podendo ser potenciométrica, condutimétrica ou fotométrica (HARRIS, 2008).

Erlenmeyer

Bureta Suporte universal

Figura 10 – Titulação.

Fonte: Freepik (editado).

Biofísica 39

Eletroforese

INTRODUÇÃO:O conceito de eletroforese pode ser descrito como a migração de uma partícula carregada com a influência de um campo elétrico. No qual diversas biomoléculas, como aminoácidos, peptídeos, proteínas, nucleotídeos, e ácidos nucleicos, possuem grupos funcionais ionizáveis e devido a isto adquirem carga positiva ou negativa em um determinado valor de pH.

Desse modo, quando submetidos a um campo elétrico, essas partículas carregadas vão migrar para o cátodo ou ânodo, dependendo de sua carga líquida. Sendo necessário para a eletroforese basicamente dois itens: uma fonte de tensão e uma unidade de eletroforese.

As unidades de eletroforese estão disponíveis em duas formas, as quais permitem realizar migração na vertical ou na horizontal. Os géis para eletroforese vertical são disponíveis comercialmente e utilizados rotineiramente para separar proteínas em gel de poliacrilamida.

O gel é formado entre duas placas de vidro que são mantidas juntas por uma pinça, mas separados por um espaçador. Possuem as dimensões do gel de 8.5 cm de largura x 5 cm de altura, com uma espessura de 0.5-1 mm.

Depende da diferença de potencial, que é aplicada (Voltagem, V) através dos eletrodos, gerando um gradiente de potencial (E), que é numericamente igual à voltagem aplicada V, dividida pela distância, d, entre os eletrodos.

Biofísica40

DEFINIÇÃO:Esse método implementado por Tiselius era realizado em solução, gerando a mistura de proteínas em migração. Assim, suportes sólidos tais como papel filtro e celulose foram adicionados à técnica e permitiram a separação mais adequada das moléculas (VOET, 2013).

Nesse método o conceito de coeficiente de atrito se faz importante, pois é uma medida que representa o atrito que a solução exerce sobre o íon em movimento e algumas particularidades do íon tais como tamanho, forma, estado de solvatação bem como a viscosidade da solução impactam o coeficiente de atrito e assim, a migração do íon (VOET, 2013).

Já o campo elétrico é uma constante de forças que atuam sobre o íon irão se contrabalancear, de modo que cada íon de uma determinada solução movimenta-se com velocidade constante (VOET, 2013).

Fundamentos TeóricosSabemos que a eletroforese é uma técnica de

separação que se baseia no princípio de migração de íons em um campo elétrico. Constitui uma técnica laboratorial que permite a separação analítica de moléculas biológicas. E seu princípio é a migração de moléculas que apresentem carga elétrica (VOET, 2013).

É utilizada para a separação de proteínas, sendo descrita pela primeira vez pelo bioquímico Arne Tiselius, em 1937, com a chamada eletroforese de fronteira móvel. Arne Wilhelm Kaurin Tiselius foi um cientista, químico e bioquímico sueco, nasceu em Estocolmo em 10 de agosto de 1902 (VOET, 2013).

Biofísica 41

IMPORTANTE:A aplicabilidade dessa técnica pode se dar através da eletroforese em papel, no qual as amostras são aplicadas sob uma tira de papel filtro ou acetato de celulose umedecida em solução tampão. E as extremidades de papel devem ser colocadas em reservatórios separados contendo solução tampão na qual os eletrodos estão imersos (VOET, 2013).

De modo que uma corrente contínua é aplicada, permitindo que os íons da amostra migrem em direção ao eletrodo de polaridade contrária. Temos a velocidade da migração influenciada pela carga do íon e em menor grau, pela interação do íon com a matriz do suporte (VOET, 2013).

IMPORTANTE:A eletroforese em gel é o método mais utilizado na separação de macromoléculas, no qual as macromoléculas migram em um campo elétrico, atravessando os poros do gel. Pode ser empregada na separação de DNA, RNA e proteínas (VOET, 2013).

Biofísica42

Eletroforese em gel de poliacrilamida com dodecil sulfato de sódio (EGPA-DSD)

O gel de Agarose é um polissacarídeo linear, com massa molecular média de aproximadamente 12000, constituído de repetições de unidades de agarobiose, o qual é constituído de unidades alternadas de galactose e 3,6-anidrogalactose (VOET, 2013).

DEFINIÇÃO:A agarose é um componente do Ágar que é uma mistura de polissacarídeos isolados de algas. Utilizada em concentrações de 1 a 3 %. O gel de agarose é preparado suspendendose a agarose em água e aquecendo-se até obtenção de um líquido claro (VOET, 2013).

Figura 11 – Eletroforese em gel.

Fonte: Microrao/ Wkimedia/ CC BY-SA 4.0/ https://commons.wikimedia.org/wiki/File:DNA_Gel_electrophoresis.jpg

Biofísica 43

Fonte: Jacopo Werther/ Wkimedia/ CC BY-SA 2.0/Autor: Blaz Nemec/ https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Load_a_sample_into_a_

polyacrylamide_gel_electrophoresis_well.jpg

Figura 12 – Gel de Agarose.

IMPORTANTE:É uma mistura colocada em uma forma e resfriada até formar um gel. Possui propriedade gelificante, devido à formação de pontes de hidrogênio inter e intramoleculares entre as cadeias de agarose (VOET, 2013). Usados principalmente nas separações de proteínas e ácidos nucleicos.

Biofísica44

BIBLIOGRAFIACHAGAS, A. P. Teorias Ácido-Base. Química nova na

escola N° 9, MAIO, 1999.

DIAS, Diogo Lopes. O que é pH?. Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/quimica/o-que-e-ph.htm. Acesso em 26 de agosto de 2019.

GAMA, M. da S.; AFONSO, J. C. De Svante Arrhenius ao peagâmetro digital: 100 anos de medida de acidez. Quim. Nova, Vol. 30, No. 1, 232-239, 2007.

HARRIS, D. C. Análise Química Quantitativa. 7a ed., LTC – Livros Técnicos Técnicos e Científicos Editora, 2008.

JUNQUEIRA, L. C.; CARNEIRO, J. Histologia básica: texto e atlas. 12.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2013. p. 280.

OLIVEIRA, I. M. F.; SILVA, M. J. S. F.; TÓFANI, S. F. B. Fundamentos de Química Analítica. Curso de Licenciatura em Química, Modalidade a Distância, UFMG, 2010.

RUSSELL, J.B. Química Geral Volume 1, 2a edição, Makron Books, São Paulo, 2006.

VOET, D. J. Bioquímica. Porto alegre: Artmed, 2013.