O Poder dos Prótons

H√° um poder, silencioso e gigantesco que, entre outras coisas, √© o respons√°vel pela √°gua na forma como a conhecemos no nosso planeta. Se¬†a √°gua √©, por sua vez,¬†a matriz de todas as¬†formas vivas daqui, ent√£o tal poder tamb√©m estar√° presente em cada ser vivo. A explos√£o de vida da Terra teve que lidar com ele para que pudesse florescer e, de fato, quando nos escapa esse controle, uma fera enjaulada foge e a vida diminui ou mesmo acaba. Podemos chamar isso de “doen√ßa”. Nos pr√≥ximos posts vou tentar contar a hist√≥ria do Poder dos Pr√≥tons e seus desdobramentos na fisiologia e fisiopatologia dos seres vivos, em especial, dos humanos.

O Hidrog√™nio poderia, para todos os efeitos, ser considerado um elemento-tra√ßo. Para se ter uma ideia, sua concentra√ß√£o √©¬†3,5 milh√Ķes de vezes menor que a do S√≥dio nos fluidos org√Ęnicos. No soro, ela √© da mesma ordem de grandeza do Molibd√™nio (20 nM/L) e bem menor que concentra√ß√Ķes de elementos como Zinco (15 mM/L), Cobre (20 mM/L) e Sel√™nio (1 mM/L) [1].¬†Como pode o Hidrog√™nio com uma concentra√ß√£o de 0,000 000 040 M/L ou 40 nM/L influenciar t√£o decisivamente os processos biol√≥gicos? Quais as raz√Ķes que levam o √≠on hidrog√™nio a desempenhar um papel t√£o importante?

A primeira delas √©, sem d√ļvida, a √°gua. Todos os fen√īmenos biol√≥gicos ocorreram e ocorrer√£o sempre em solu√ß√Ķes aquosas desde que a estrutura celular que caracteriza os seres vivos neste planeta seja mantida. A √°gua tem, como se sabe, estranhas propriedades quando comparada a outros hidretos da fam√≠lia do Oxig√™nio (a fam√≠lia 6A na tabela peri√≥dica ‚Äď Enxofre, Sel√™nio, Tel√ļrio e Pol√īnio): altos pontos de fus√£o e ebuli√ß√£o, alta constante diel√©trica (conduz correntes bem), alta tens√£o superficial (forma gotas muito resistentes), entre outras (Tabela 1).

Grupo

3A

4A

5A

6A

7A

B2H6 : -92.5

CH4 : -164

NH3 : -33.4

   H2O : +100

HF : -87.7

   H2S : -60.7
   H2Se : -41.5
   H2Te : -2

Tabela 1. A √°gua tem um ponto de ebuli√ß√£o anormalmente elevado quando comparado por extrapola√ß√£o em rela√ß√£o aos hidretos do grupo 6A (Oxig√™nio, Enxofre, Sel√™nio e Tel√ļrio). Os hidretos dos outros grupos s√£o mostrados para compara√ß√£o (3A Boro, 4A Carbono, 5A Nitrog√™nio e 7A Fl√ļor). (Retirado daqui)

A grande maioria das estranhas propriedades da √°gua prov√©m da habilidade que ela tem de formar pontes de hidrog√™nio. Como se sabe, a liga√ß√£o¬†do Oxig√™nio aos dois √°tomos de Hidrog√™nio d√° √† mol√©cula de √°gua o formato de um ‚ÄúV‚ÄĚ com um √Ęngulo de 104,5o. Essa liga√ß√£o¬†√©¬†formada por um par de el√©trons compartilhado (a chamada liga√ß√£o covalente). O Oxig√™nio, no entanto, atrai o par de el√©trons¬†para bem perto de si (maior eletronegatividade) e transforma¬†a mol√©cula de √°gua em um min√ļsculo im√£ com seus 2 p√≥los: o positivo (Hs) e o negativo (O). Quando um √°tomo de H, carregado positivamente, fica preso entre dois √°tomos de O, que t√™m cargas negativas, ele passa a funcionar como uma ponte entre os dois. Essa atra√ß√£o √© 90% eletrost√°tica e 10% covalente (h√° evid√™ncias de que eles podem realmente dividir orbitais, fazendo com que n√£o consigamos saber qual liga√ß√£o √© a covalente), e cada mol√©cula de √°gua tem o potencial de fazer 4 pontes. Al√©m disso, pode-se dizer que a ponte de hidrog√™nio √© cooperativa isto √©, uma vez formada a primeira ponte, a mol√©cula torna-se mais apta a formar outras pontes e o fen√īmeno se dissemina. O contr√°rio tamb√©m √© verdadeiro, ou seja, √© mais dif√≠cil romper a primeira ponte, sendo que a energia necess√°ria para romper as subsequentes vai, progressivamente, ficando menor. Isso transforma a √°gua em um ‚Äúsinc√≠cio‚ÄĚ, tipo um tecido tridimensional; da√≠ a poderosa for√ßa de atra√ß√£o intermolecular que dota a √°gua de seus elevados pontos de ebuli√ß√£o, fus√£o e tens√£o superficial. A forma√ß√£o das pontes de hidrog√™nio faz com que a entalpia (energia) do sistema fique mais negativa e a entropia (grau de desorganiza√ß√£o)¬†menos positiva ou, trocando em mi√ļdos: a √°gua se organiza!. Organiza-se com baixo custo, o que significa que √© dif√≠cil tir√°-la desse estado¬†de organiza√ß√£o e, na depend√™ncia da temperatura e press√£o, temos a explica√ß√£o de muitas das suas ‚Äúestranhas‚ÄĚ propriedades. Ou seja, se a √°gua fosse apenas H2O seria um g√°s na faixa de temperatura que permite que seres vivos sobrevivam. No estado l√≠quido, ela est√° na forma de (H2O)n, com¬†n‚Üí‚ąě,¬†constituindo¬†mais pontes de H que qualquer outro solvente e com quase tantas pontes quanto liga√ß√Ķes covalentes. Esse sistema √© interessante pois pode rearranjar-se rapidamente frente a est√≠mulos como solutos ou altera√ß√Ķes de temperatura, como uma rede tridimensional capaz de mudar o tamanho de seus “buracos” de acordo com o tamanho dos “peixes” que nela caem.

Al√©m disso, a √°gua demonstra uma extremamente baixa mas mensur√°vel capacidade de formar √≠ons. Ioniza-se devido a flutua√ß√Ķes do campo magn√©tico de seu dipolo causadas por vibra√ß√Ķes complexas de sua estrutura molecular e tamb√©m por posicionamentos espaciais favor√°veis de suas pontes de H. Ap√≥s a ioniza√ß√£o, o H+ n√£o permanece livre muito tempo (menos que 1% do tempo total) e √© hidratado para formar o hidrox√īnio, ox√īnio ou hidr√īnio¬†(H3O+). Os tr√™s √°tomos de H da mol√©cula s√£o equivalentes na liga√ß√£o com o O e organizam as pontes com as mol√©culas de √°gua adjacentes. O H3O+ exibe uma mobilidade frente aos campos el√©tricos de testes que √© absurdamente maior que a prevista para um c√°tion monovalente (como o L√≠tio, por exemplo, que apresenta inclusive uma forma de hidrata√ß√£o semelhante). Qual seria a explica√ß√£o para esse fen√īmeno?

Um pr√≥ton pode viajar em uma solu√ß√£o aquosa de duas maneiras: uma, chamada hidrodin√Ęmica, em que o H3O+ difunde-se como uma mol√©cula comum abrindo caminho pelo meio aquoso; outra, chamada prototr√≥pica e essa merece uma explica√ß√£o. Em 1905 [2], foi sugerido que a transfer√™ncia do pr√≥ton poderia ocorrer por uma ‚Äúrede‚ÄĚ de pontes de hidrog√™nio, um processo que envolveria uma s√©rie peri√≥dica de polimeriza√ß√Ķes da √°gua entre H9O4+ (c√°tion de Eigen) e o H5O2+(c√°tion de Zundel), conhecido como efeito Grotthuss [3], proton-wire ou proton-jumping, ou ainda water-wire. Isso s√≥ √© poss√≠vel, devido √† ef√™mera dura√ß√£o da ponte (cada ponte tem uma dura√ß√£o m√©dia de 10 psec, sendo que 1 picosegundo = 10-12s) e √† facilidade com que a √°gua as forma e “re-forma”, como vimos. Dizemos ent√£o, que a alta condutividade do pr√≥ton em meio aquoso ocorre devido a ‚Äúmudan√ßa de identidade das mol√©culas de √°gua que participam das pontes‚ÄĚ pois os n√ļcleos de H v√£o passando de uma para outra conforme esbo√ßa a figura 2, sendo que o que entra, √© diferente daquele que sai.

Figura 2. Esquema simplificado do efeito Grotthuss

 Isso funciona parecido com o hipnotizante Pêndulo de Newton, na figura abaixo.

Pêndulo de Newton (fonte Wikipédia)

Mas…

O √≠on hidrog√™nio tem uma densidade de carga alt√≠ssima e isso ocorre porque ele √© um c√°tion-an√£o (monovalente no qual n√£o existem el√©trons circulantes) sendo seu raio 105 vezes menor que qualquer outro. Por essa raz√£o, tem um grande campo magn√©tico ao seu redor. Assim, mesmo estando presente em concentra√ß√Ķes baix√≠ssimas nas solu√ß√Ķes e devido sua alta mobilidade, o H3O+¬†√© um “pentelho i√īnico” e pode afetar a conforma√ß√£o de prote√≠nas, √°cidos nucl√©icos e membranas biol√≥gicas, bastando para tal, que haja uma ‚Äúbrecha‚ÄĚ eletrost√°tica (cargas) na solu√ß√£o. Esse √© o ‚Äúpoder dos pr√≥tons‚ÄĚ, capazes de alterar todos os processos biol√≥gicos, portanto. Fen√īmenos semelhantes ocorrem com a hidroxila OH entretanto, sua mobilidade nas solu√ß√Ķes tem sido bem menos estudada. Pesquisas recentes [4] demonstram que sua mobilidade tamb√©m √© anormalmente alta para um √Ęnion de seu porte e, portanto, mecanismos semelhantes ao do H3O+ podem tamb√©m ocorrer. Tanto o H+ como o OH s√£o gerados pela destrui√ß√£o e destru√≠dos pela forma√ß√£o de uma mol√©cula de √°gua. Se considerarmos que a √°gua √©, em ordem de grandeza, a mais concentrada subst√Ęncia dos sistemas vivos (55,3M ‚Äď o que √© 400 vezes mais concentrado que o s√≥dio), e que ela prov√™ uma fonte simplesmente inesgot√°vel para esses √≠ons, entenderemos porque eles se comportam de maneira t√£o diferente de outros √≠ons de carga e massa semelhantes.

Com toda essa mobilidade e onipresen√ßa, √© natural esperar que pr√≥tons penetrem as c√©lulas com facilidade, podendo faz√™-lo atrav√©s da membrana ou por meio de canais, espec√≠ficos ou n√£o, para seu transporte. Tal fluxo √© t√£o fundamental quanto o de √°gua para a c√©lula, pois est√° ligado √† produ√ß√£o da energia que sustenta o metabolismo celular. Mas como evitar ent√£o, que o transporte de √°gua em abund√Ęncia atrav√©s da membrana n√£o cause uma cat√°strofe i√īnica na c√©lula? Como evitar que os “pentelhos i√īnicos” dos H3O+¬†saturem as cargas das prote√≠nas e as deformem fazendo com que percam sua fun√ß√£o e, assim, parem o funcionamento da maquinaria celular?

√Č o que mostraremos no pr√≥ximo post.

Referências Bibliográficas

[1]  Tietz N: Clinical Guide to Laboratory Tests, 3rd ed. Philadelphia, W. B. Saunders, 1995

[2]  Decoursey TE: Voltage-gated proton channels and other proton transfer pathways. Physiol Rev 83:475-579, 2003.

[3]  Agmon N: The Grotthuss mechanism. Chem Phys Lett 244:456-462, 1995

[4]  Tuckerman ME, Marx D, Parrinello M: The nature and transport mechanism of hydrated hydroxide ions in aqueous solution. Nature 417:925-929, 2002