{"id":2503,"date":"2012-11-12T22:12:48","date_gmt":"2012-11-13T01:12:48","guid":{"rendered":"http:\/\/scienceblogs.com.br\/eccemedicus\/?p=2503"},"modified":"2012-11-12T22:12:48","modified_gmt":"2012-11-13T01:12:48","slug":"poder-dos-protons","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/eccemedicus\/2012\/11\/12\/poder-dos-protons\/","title":{"rendered":"O Poder dos Pr\u00f3tons"},"content":{"rendered":"

H\u00e1 um poder, silencioso e gigantesco que, entre outras coisas, \u00e9 o respons\u00e1vel pela \u00e1gua na forma como a conhecemos no nosso planeta. Se\u00a0a \u00e1gua \u00e9, por sua vez,\u00a0a matriz de todas as\u00a0formas vivas daqui, ent\u00e3o tal poder tamb\u00e9m estar\u00e1 presente em cada ser vivo. A explos\u00e3o 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\u00e7a”. Nos pr\u00f3ximos posts vou tentar contar a hist\u00f3ria do Poder dos Pr\u00f3tons e seus desdobramentos na fisiologia e fisiopatologia dos seres vivos, em especial, dos humanos.<\/em><\/p>\n

O Hidrog\u00eanio poderia, para todos os efeitos, ser considerado um elemento-tra\u00e7o. Para se ter uma ideia, sua concentra\u00e7\u00e3o \u00e9\u00a03,5 milh\u00f5es de vezes menor que a do S\u00f3dio nos fluidos org\u00e2nicos. No soro, ela \u00e9 da mesma ordem de grandeza do Molibd\u00eanio (20 nM\/L) e bem menor que concentra\u00e7\u00f5es de elementos como Zinco (15 mM\/L), Cobre (20 mM\/L) e Sel\u00eanio (1 mM\/L) [1].\u00a0Como pode o Hidrog\u00eanio com uma concentra\u00e7\u00e3o de 0,000 000 040 M\/L ou 40 nM\/L influenciar t\u00e3o decisivamente os processos biol\u00f3gicos? Quais as raz\u00f5es que levam o \u00edon hidrog\u00eanio a desempenhar um papel t\u00e3o importante?<\/p>\n

A primeira delas \u00e9, sem d\u00favida, a \u00e1gua. Todos os fen\u00f4menos biol\u00f3gicos ocorreram e ocorrer\u00e3o sempre em solu\u00e7\u00f5es aquosas desde que a estrutura celular que caracteriza os seres vivos neste planeta seja mantida. A \u00e1gua tem, como se sabe, estranhas propriedades quando comparada a outros hidretos da fam\u00edlia do Oxig\u00eanio (a fam\u00edlia 6A na tabela peri\u00f3dica \u2013 Enxofre, Sel\u00eanio, Tel\u00fario e Pol\u00f4nio): altos pontos de fus\u00e3o e ebuli\u00e7\u00e3o, alta constante diel\u00e9trica<\/a> (conduz correntes bem), alta tens\u00e3o superficial (forma gotas muito resistentes), entre outras (Tabela 1).<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n
\n

Grupo<\/p>\n<\/td>\n

\n

3A<\/p>\n<\/td>\n

\n

4A<\/p>\n<\/td>\n

\n

5A<\/p>\n<\/td>\n

\n

6A<\/p>\n<\/td>\n

\n

7A<\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n

<\/td>\n\n

B2<\/sub>H6<\/sub> : -92.5<\/p>\n<\/td>\n

\n

CH4<\/sub> : -164<\/p>\n<\/td>\n

\n

NH3<\/sub> : -33.4<\/p>\n<\/td>\n

\u00a0\u00a0\u00a0H2<\/sub>O : +100<\/strong><\/td>\n\n

HF : -87.7<\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n

<\/td>\n<\/td>\n<\/td>\n<\/td>\n\u00a0\u00a0\u00a0H2<\/sub>S : -60.7<\/td>\n<\/td>\n<\/tr>\n
<\/td>\n<\/td>\n<\/td>\n<\/td>\n\u00a0\u00a0\u00a0H2<\/sub>Se : -41.5<\/td>\n<\/td>\n<\/tr>\n
<\/td>\n<\/td>\n<\/td>\n<\/td>\n\u00a0\u00a0\u00a0H2<\/sub>Te : -2<\/td>\n<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Tabela 1. A \u00e1gua tem um ponto de ebuli\u00e7\u00e3o anormalmente elevado quando comparado por extrapola\u00e7\u00e3o em rela\u00e7\u00e3o aos hidretos do grupo 6A (Oxig\u00eanio, Enxofre, Sel\u00eanio e Tel\u00fario). Os hidretos dos outros grupos s\u00e3o mostrados para compara\u00e7\u00e3o (3A Boro, 4A Carbono, 5A Nitrog\u00eanio e 7A Fl\u00faor). (Retirado daqui<\/a>)<\/p>\n

A grande maioria das estranhas propriedades da \u00e1gua prov\u00e9m da habilidade que ela tem de formar pontes de hidrog\u00eanio. Como se sabe, a liga\u00e7\u00e3o\u00a0do Oxig\u00eanio aos dois \u00e1tomos de Hidrog\u00eanio d\u00e1 \u00e0 mol\u00e9cula de \u00e1gua o formato de um \u201cV\u201d com um \u00e2ngulo de 104,5o<\/sup>. Essa liga\u00e7\u00e3o\u00a0\u00e9\u00a0formada por um par de el\u00e9trons compartilhado (a chamada liga\u00e7\u00e3o covalente). O Oxig\u00eanio, no entanto, atrai o par de el\u00e9trons\u00a0para bem perto de si (maior eletronegatividade) e transforma\u00a0a mol\u00e9cula de \u00e1gua em um min\u00fasculo im\u00e3 com seus 2 p\u00f3los: o positivo (Hs) e o negativo (O). Quando um \u00e1tomo de H, carregado positivamente, fica preso entre dois \u00e1tomos de O, que t\u00eam cargas negativas, ele passa a funcionar como uma ponte<\/strong> <\/span>entre os dois. Essa atra\u00e7\u00e3o \u00e9 90% eletrost\u00e1tica e 10% covalente (h\u00e1 evid\u00eancias de que eles podem realmente dividir orbitais, fazendo com que n\u00e3o consigamos saber qual liga\u00e7\u00e3o \u00e9 a covalente), e cada mol\u00e9cula de \u00e1gua tem o potencial de fazer 4 pontes. Al\u00e9m disso, pode-se dizer que a ponte de hidrog\u00eanio \u00e9 cooperativa<\/strong> <\/em><\/span>isto \u00e9, uma vez formada a primeira ponte, a mol\u00e9cula torna-se mais apta a formar outras pontes e o fen\u00f4meno se dissemina. O contr\u00e1rio tamb\u00e9m \u00e9 verdadeiro, ou seja, \u00e9 mais dif\u00edcil romper a primeira ponte, sendo que a energia necess\u00e1ria para romper as subsequentes vai, progressivamente, ficando menor. Isso transforma a \u00e1gua em um \u201csinc\u00edcio\u201d, tipo um tecido tridimensional; da\u00ed a poderosa for\u00e7a de atra\u00e7\u00e3o intermolecular que dota a \u00e1gua de seus elevados pontos de ebuli\u00e7\u00e3o, fus\u00e3o e tens\u00e3o superficial. A forma\u00e7\u00e3o das pontes de hidrog\u00eanio faz com que a entalpia (energia) do sistema fique mais negativa e a entropia (grau de desorganiza\u00e7\u00e3o)\u00a0menos positiva ou, trocando em mi\u00fados: a \u00e1gua se organiza!<\/strong><\/span>. Organiza-se com baixo custo, o que significa que \u00e9 dif\u00edcil tir\u00e1-la desse estado\u00a0de organiza\u00e7\u00e3o e, na depend\u00eancia da temperatura e press\u00e3o, temos a explica\u00e7\u00e3o de muitas das suas \u201cestranhas\u201d propriedades. Ou seja, se a \u00e1gua fosse apenas H2<\/sub>O seria um g\u00e1s na faixa de temperatura que permite que seres vivos sobrevivam. No estado l\u00edquido, ela est\u00e1 na forma de (H2<\/sub>O)n<\/sub>, com\u00a0n\u2192\u221e,\u00a0<\/strong>constituindo\u00a0<\/strong>mais pontes de H que qualquer outro solvente e com quase tantas pontes quanto liga\u00e7\u00f5es covalentes. Esse sistema \u00e9 interessante pois pode rearranjar-se rapidamente frente a est\u00edmulos como solutos ou altera\u00e7\u00f5es de temperatura, como uma rede tridimensional capaz de mudar o tamanho de seus “buracos” de acordo com o tamanho dos “peixes” que nela caem.<\/p>\n

Al\u00e9m disso, a \u00e1gua demonstra uma extremamente baixa mas mensur\u00e1vel capacidade de formar \u00edons. Ioniza-se devido a flutua\u00e7\u00f5es do campo magn\u00e9tico de seu dipolo causadas por vibra\u00e7\u00f5es complexas de sua estrutura molecular e tamb\u00e9m por posicionamentos espaciais favor\u00e1veis de suas pontes de H. Ap\u00f3s a ioniza\u00e7\u00e3o, o H+<\/sup> n\u00e3o permanece livre muito tempo (menos que 1% do tempo total) e \u00e9 hidratado para formar o hidrox\u00f4nio<\/strong><\/span>, ox\u00f4nio<\/strong><\/span> ou hidr\u00f4nio<\/strong><\/span>\u00a0(H3<\/sub>O+)<\/sup>. Os tr\u00eas \u00e1tomos de H da mol\u00e9cula s\u00e3o equivalentes na liga\u00e7\u00e3o com o O e organizam as pontes com as mol\u00e9culas de \u00e1gua adjacentes. O H3<\/sub>O+<\/sup> exibe uma mobilidade frente aos campos el\u00e9tricos de testes que \u00e9 absurdamente maior que a prevista para um c\u00e1tion monovalente (como o L\u00edtio, por exemplo, que apresenta inclusive uma forma de hidrata\u00e7\u00e3o semelhante). Qual seria a explica\u00e7\u00e3o para esse fen\u00f4meno?<\/p>\n

Um pr\u00f3ton pode viajar em uma solu\u00e7\u00e3o aquosa de duas maneiras: uma, chamada hidrodin\u00e2mica<\/em><\/strong><\/span>, em que o H3<\/sub>O+<\/sup> difunde-se como uma mol\u00e9cula comum abrindo caminho pelo meio aquoso; outra, chamada prototr\u00f3pica <\/em><\/strong>e essa merece uma explica\u00e7\u00e3o<\/span><\/span>. Em 1905 [2], foi sugerido que a transfer\u00eancia do pr\u00f3ton poderia ocorrer por uma \u201crede\u201d de pontes de hidrog\u00eanio, um processo que envolveria uma s\u00e9rie peri\u00f3dica de polimeriza\u00e7\u00f5es da \u00e1gua entre H9<\/sub>O4<\/sub>+<\/sup> (c\u00e1tion de Eigen) e o H5<\/sub>O2<\/sub>+<\/sup>(c\u00e1tion de Zundel), conhecido como efeito Grotthuss [3], proton-wire<\/em><\/strong><\/span> ou proton-jumping<\/em><\/span><\/strong>, ou ainda water-wire<\/em><\/strong><\/span>. Isso s\u00f3 \u00e9 poss\u00edvel, <\/em>devido \u00e0 ef\u00eamera dura\u00e7\u00e3o da ponte (cada ponte tem uma dura\u00e7\u00e3o m\u00e9dia de 10 psec, sendo que 1 picosegundo = 10-12<\/sup>s) e \u00e0 facilidade com que a \u00e1gua as forma e “re-forma”, como vimos. Dizemos ent\u00e3o, que a alta condutividade do pr\u00f3ton em meio aquoso ocorre devido a \u201cmudan\u00e7a de identidade das mol\u00e9culas de \u00e1gua que participam das pontes\u201d pois os n\u00facleos de H v\u00e3o passando de uma para outra conforme esbo\u00e7a a figura 2, sendo que o que entra, \u00e9 diferente daquele que sai.<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Figura 2. Esquema simplificado do efeito Grotthuss<\/p>\n

\u00a0Isso funciona parecido com o hipnotizante\u00a0P\u00eandulo de Newton<\/a>, na figura abaixo.<\/p>\n

\"\"

P\u00eandulo de Newton (fonte Wikip\u00e9dia)<\/p><\/div>\n

Mas…<\/p>\n

O \u00edon hidrog\u00eanio tem uma densidade de carga alt\u00edssima e isso ocorre porque ele \u00e9 um c\u00e1tion-an\u00e3o (monovalente no qual n\u00e3o existem el\u00e9trons circulantes) sendo seu raio 105<\/sup> vezes menor que qualquer outro. Por essa raz\u00e3o, tem um grande campo magn\u00e9tico ao seu redor. Assim, mesmo estando presente em concentra\u00e7\u00f5es baix\u00edssimas nas solu\u00e7\u00f5es e devido sua alta mobilidade, o H3<\/sub>O+<\/sup>\u00a0\u00e9 um “pentelho i\u00f4nico” e pode afetar a conforma\u00e7\u00e3o de prote\u00ednas, \u00e1cidos nucl\u00e9icos e membranas biol\u00f3gicas, bastando para tal, que haja uma \u201cbrecha\u201d eletrost\u00e1tica (cargas) na solu\u00e7\u00e3o. Esse \u00e9 o \u201cpoder dos pr\u00f3tons\u201d, capazes de alterar todos os processos biol\u00f3gicos, portanto. Fen\u00f4menos semelhantes ocorrem com a hidroxila OH–<\/sup> entretanto, sua mobilidade nas solu\u00e7\u00f5es tem sido bem menos estudada. Pesquisas recentes [4] demonstram que sua mobilidade tamb\u00e9m \u00e9 anormalmente alta para um \u00e2nion de seu porte e, portanto, mecanismos semelhantes ao do H3<\/sub>O+<\/sup> podem tamb\u00e9m ocorrer. Tanto o H+<\/sup> como o OH–<\/sup> s\u00e3o gerados pela destrui\u00e7\u00e3o e destru\u00eddos pela forma\u00e7\u00e3o de uma mol\u00e9cula de \u00e1gua. Se considerarmos que a \u00e1gua \u00e9, em ordem de grandeza, a mais concentrada subst\u00e2ncia dos sistemas vivos (55,3M \u2013 o que \u00e9 400 vezes mais concentrado que o s\u00f3dio), e que ela prov\u00ea uma fonte simplesmente inesgot\u00e1vel para esses \u00edons, entenderemos porque eles se comportam de maneira t\u00e3o diferente de outros \u00edons de carga e massa semelhantes.<\/p>\n

Com toda essa mobilidade e onipresen\u00e7a, \u00e9 natural esperar que pr\u00f3tons penetrem as c\u00e9lulas com facilidade, podendo faz\u00ea-lo atrav\u00e9s da membrana ou por meio de canais, espec\u00edficos ou n\u00e3o, para seu transporte. Tal fluxo \u00e9 t\u00e3o fundamental quanto o de \u00e1gua para a c\u00e9lula, pois est\u00e1 ligado \u00e0 produ\u00e7\u00e3o da energia que sustenta o metabolismo celular. Mas como evitar ent\u00e3o, que o transporte de \u00e1gua em abund\u00e2ncia atrav\u00e9s da membrana n\u00e3o cause uma cat\u00e1strofe i\u00f4nica na c\u00e9lula? Como evitar que os “pentelhos i\u00f4nicos” dos H3<\/sub>O+<\/sup>\u00a0saturem as cargas das prote\u00ednas e as deformem fazendo com que percam sua fun\u00e7\u00e3o e, assim, parem o funcionamento da maquinaria celular?<\/p>\n

\u00c9 o que mostraremos no pr\u00f3ximo post.<\/p>\n

Refer\u00eancias Bibliogr\u00e1ficas<\/strong><\/p>\n

[1]\u00a0 Tietz N: Clinical Guide to Laboratory Tests<\/em>, 3rd ed. Philadelphia, W. B. Saunders, 1995<\/p>\n

[2]\u00a0 Decoursey TE: Voltage-gated proton channels and other proton transfer pathways. Physiol Rev<\/em> 83:475-579, 2003.<\/p>\n

[3]\u00a0 Agmon N: The Grotthuss mechanism. Chem Phys Lett<\/em> 244:456-462, 1995<\/p>\n

[4]\u00a0 Tuckerman ME, Marx D, Parrinello M: The nature and transport mechanism of hydrated hydroxide ions in aqueous solution. Nature<\/em> 417:925-929, 2002<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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