2.5: Compostos inorgânicos essenciais ao funcionamento humano

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Compare e contraste compostos inorgânicos e orgânicos
• Identifique as propriedades da água que a tornam essencial para a vida
• Explicar o papel dos sais no funcionamento do corpo
• Faça a distinção entre ácidos e bases e explique seu papel no pH
• Discuta o papel dos amortecedores em ajudar o corpo a manter a homeostase do pH

Os conceitos que você aprendeu até agora neste capítulo governam todas as formas de matéria e funcionariam como base para a geologia e para a biologia. Esta seção do capítulo restringe o foco à química da vida humana; ou seja, os compostos importantes para a estrutura e função do corpo. Em geral, esses compostos são inorgânicos ou orgânicos.

• Um composto inorgânico é uma substância que não contém carbono e hidrogênio. Muitos compostos inorgânicos contêm átomos de hidrogênio, como água (H ₂ O) e ácido clorídrico (HCl) produzidos pelo estômago. Em contraste, apenas alguns compostos inorgânicos contêm átomos de carbono. O dióxido de carbono (CO ₂) é um dos poucos exemplos.
• Um composto orgânico, então, é uma substância que contém carbono e hidrogênio. Os compostos orgânicos são sintetizados por meio de ligações covalentes dentro dos organismos vivos, incluindo o corpo humano. Lembre-se de que o carbono e o hidrogênio são o segundo e o terceiro elementos mais abundantes em seu corpo. Em breve, você descobrirá como esses dois elementos se combinam nos alimentos que ingere, nos compostos que compõem a estrutura do corpo e nas substâncias químicas que alimentam seu funcionamento.

A seção a seguir examina os três grupos de compostos inorgânicos essenciais à vida: água, sais, ácidos e bases. Os compostos orgânicos são abordados posteriormente neste capítulo.

Água

Até 70 por cento do peso corporal de um adulto é água. Essa água está contida tanto dentro das células quanto entre as células que compõem os tecidos e órgãos. Suas diversas funções tornam a água indispensável ao funcionamento humano.

Água como lubrificante e almofada

A água é um componente importante de muitos dos fluidos lubrificantes do corpo. Assim como o óleo lubrifica a dobradiça de uma porta, a água no líquido sinovial lubrifica as ações das articulações do corpo e a água no líquido pleural ajuda os pulmões a se expandirem e recuarem com a respiração. Os fluidos aquosos ajudam a manter o fluxo de alimentos pelo trato digestivo e garantem que o movimento dos órgãos abdominais adjacentes seja livre de atrito.

A água também protege células e órgãos de traumas físicos, amortecendo o cérebro dentro do crânio, por exemplo, e protegendo o delicado tecido nervoso dos olhos. A água também amortece um feto em desenvolvimento no útero da mãe.

Água como dissipador de calor

Um dissipador de calor é uma substância ou objeto que absorve e dissipa o calor, mas não experimenta um aumento correspondente na temperatura. No corpo, a água absorve o calor gerado pelas reações químicas sem aumentar muito a temperatura. Além disso, quando a temperatura ambiente sobe, a água armazenada no corpo ajuda a mantê-lo fresco. Esse efeito de resfriamento ocorre quando o sangue quente do núcleo do corpo flui para os vasos sanguíneos logo abaixo da pele e é transferido para o meio ambiente. Ao mesmo tempo, as glândulas sudoríparas liberam água morna no suor. À medida que a água evapora no ar, ela retira o calor e, em seguida, o sangue mais frio da periferia circula de volta para o núcleo do corpo.

Água como componente de misturas líquidas

Uma mistura é uma combinação de duas ou mais substâncias, cada uma mantendo sua própria identidade química. Em outras palavras, as substâncias constituintes não estão quimicamente ligadas a um composto químico novo e maior. O conceito é fácil de imaginar se você pensar em substâncias em pó, como farinha e açúcar; quando você as mistura em uma tigela, elas obviamente não se unem para formar um novo composto. O ar ambiente que você respira é uma mistura gasosa, contendo três elementos distintos — nitrogênio, oxigênio e argônio — e um composto, o dióxido de carbono. Existem três tipos de misturas líquidas, todas contendo água como componente chave. São soluções, coloides e suspensões.

Para que as células do corpo sobrevivam, elas devem ser mantidas úmidas em um líquido à base de água chamado solução. Em química, uma solução líquida consiste em um solvente que dissolve uma substância chamada soluto. Uma característica importante das soluções é que elas são homogêneas; ou seja, as moléculas do soluto são distribuídas uniformemente por toda a solução. Se você mexesse uma colher de chá de açúcar em um copo de água, o açúcar se dissolveria em moléculas de açúcar separadas por moléculas de água. A proporção entre açúcar e água no lado esquerdo do copo seria a mesma que a proporção entre açúcar e água no lado direito do copo. Se você adicionasse mais açúcar, a proporção entre açúcar e água mudaria, mas a distribuição — desde que você tivesse mexido bem — ainda seria uniforme.

A água é considerada o “solvente universal” e acredita-se que a vida não possa existir sem água por causa disso. A água é certamente o solvente mais abundante no corpo; essencialmente, todas as reações químicas do corpo ocorrem entre compostos dissolvidos na água. Como as moléculas de água são polares, com regiões de carga elétrica positiva e negativa, a água dissolve prontamente compostos iônicos e compostos polares covalentes. Esses compostos são chamados de hidrofílicos ou “amantes da água”. Como mencionado acima, o açúcar se dissolve bem na água. Isso ocorre porque as moléculas de açúcar contêm regiões de ligações polares hidrogênio-oxigênio, tornando-o hidrofílico. As moléculas não polares, que não se dissolvem facilmente na água, são chamadas de hidrofóbicas ou “temem a água”.

Concentrações de solutos

Várias misturas de solutos e água são descritas em química. A concentração de um determinado soluto é o número de partículas desse soluto em um determinado espaço (o oxigênio representa cerca de 21 por cento do ar atmosférico). Na corrente sanguínea de humanos, a concentração de glicose geralmente é medida em miligrama (mg) por decilitro (dL) e, em um adulto saudável, a média é de cerca de 100 mg/dL. Outro método para medir a concentração de um soluto é por sua molaridade, que são moles (M) das moléculas por litro (L). O mol de um elemento é seu peso atômico, enquanto um mol de um composto é a soma dos pesos atômicos de seus componentes, chamado peso molecular. Um exemplo frequentemente usado é calcular um mol de glicose, com a fórmula química C ₆ H ₁₂ O ₆. Usando a tabela periódica, o peso atômico do carbono (C) é 12.011 gramas (g), e há seis carbonos na glicose, para um peso atômico total de 72,066 g. Fazendo os mesmos cálculos para hidrogênio (H) e oxigênio (O), o peso molecular é igual a 180.156g (o “peso molecular em grama” da glicose). Quando a água é adicionada para fazer um litro de solução, você tem um mol (1M) de glicose. Isso é particularmente útil em química devido à relação das toupeiras com o “número de Avogadro”. Uma toupeira de qualquer solução contém o mesmo número de partículas: 6,02 × 10 ²³. Muitas substâncias na corrente sanguínea e em outros tecidos do corpo são medidas em milésimos de uma toupeira, ou milimoles (mM).

Um colóide é uma mistura parecida com uma solução pesada. As partículas de soluto consistem em pequenos grupos de moléculas grandes o suficiente para tornar a mistura líquida opaca (porque as partículas são grandes o suficiente para dispersar a luz). Exemplos conhecidos de colóides são leite e creme. Nas glândulas tireoidianas, o hormônio tireoidiano é armazenado como uma mistura de proteína espessa, também chamada de colóide.

Uma suspensão é uma mistura líquida na qual uma substância mais pesada é suspensa temporariamente em um líquido, mas com o tempo, se estabiliza. Essa separação de partículas de uma suspensão é chamada de sedimentação. Um exemplo de sedimentação ocorre no exame de sangue que estabelece a taxa de sedimentação, ou taxa de semente. O teste mede a rapidez com que os glóbulos vermelhos em um tubo de ensaio se depositam na porção aquosa do sangue (conhecida como plasma) durante um determinado período de tempo. A rápida sedimentação das células sanguíneas normalmente não ocorre no corpo saudável, mas aspectos de certas doenças podem fazer com que as células sanguíneas se agrupem, e esses grupos pesados de células sanguíneas se depositam no fundo do tubo de ensaio mais rapidamente do que as células sanguíneas normais.

O papel da água nas reações químicas

Dois tipos de reações químicas envolvem a criação ou o consumo de água: desidratação, síntese e hidrólise.

• Na síntese de desidratação, um reagente libera um átomo de hidrogênio e outro reagente libera um grupo hidroxila (OH) na síntese de um novo produto. Na formação de sua ligação covalente, uma molécula de água é liberada como subproduto (Figura 2.14). Às vezes, isso também é chamado de reação de condensação.
• Essas reações são reversíveis e desempenham um papel importante na química dos compostos orgânicos (que será discutido em breve).

  

  Figura 2.14 Os monômeros de síntese e hidrólise de desidratação, as unidades básicas para a construção de moléculas maiores, formam polímeros (dois ou mais monômeros ligados quimicamente). (a) Na síntese de desidratação, dois monômeros são ligados covalentemente em uma reação na qual um libera um grupo hidroxila e o outro um átomo de hidrogênio. Uma molécula de água é liberada como subproduto durante as reações de desidratação. (b) Na hidrólise, a ligação covalente entre dois monômeros é dividida pela adição de um átomo de hidrogênio a um e um grupo hidroxila ao outro, o que requer a contribuição de uma molécula de água.

  Sais

  Lembre-se de que os sais são formados quando os íons formam ligações iônicas. Nessas reações, um átomo libera um ou mais elétrons e, portanto, se torna carregado positivamente, enquanto o outro aceita um ou mais elétrons e fica carregado negativamente. Agora você pode definir um sal como uma substância que, quando dissolvida em água, se dissocia em íons diferentes de H ⁺ ou OH ^—. Esse fato é importante para distinguir sais de ácidos e bases, discutido a seguir.

  Um sal típico, o NaCl, se dissocia completamente na água (Figura 2.15). As regiões positivas e negativas na molécula de água (as extremidades hidrogênio e oxigênio, respectivamente) atraem os íons de cloreto negativo e sódio positivos, afastando-os uns dos outros. Novamente, enquanto os compostos apolares e polares ligados covalentemente se dividem em moléculas em solução, os sais se dissociam em íons. Esses íons são eletrólitos; eles são capazes de conduzir uma corrente elétrica em solução. Essa propriedade é fundamental para a função dos íons na transmissão de impulsos nervosos e na contração muscular.

  

  Figura 2.15 Dissociação do Cloreto de Sódio na Água Observe que os cristais de cloreto de sódio não se dissociam em moléculas de NaCl, mas em cátions Na ⁺ e ânions Cl ^—, cada um completamente cercado por moléculas de água.

  Muitos outros sais são importantes no corpo. Por exemplo, os sais biliares produzidos pelo fígado ajudam a separar as gorduras alimentares, e os sais de fosfato de cálcio formam a porção mineral dos dentes e ossos.

  Ácidos e bases

  Ácidos e bases, como sais, se dissociam na água em eletrólitos. Ácidos e bases podem alterar muito as propriedades das soluções nas quais são dissolvidos.

  Ácidos

  Um ácido é uma substância que libera íons de hidrogênio (H ⁺) em solução (Figura 2.16 a). Como um átomo de hidrogênio tem apenas um próton e um elétron, um íon de hidrogênio com carga positiva é simplesmente um próton. É altamente provável que esse próton solitário participe de reações químicas. Ácidos fortes são compostos que liberam todo o seu ^H+ em solução; ou seja, eles ionizam completamente. O ácido clorídrico (HCl), que é liberado pelas células do revestimento do estômago, é um ácido forte porque libera todo o seu H ⁺ no ambiente aquoso do estômago. Esse ácido forte ajuda na digestão e mata os micróbios ingeridos. Os ácidos fracos não se ionizam completamente; ou seja, alguns de seus íons de hidrogênio permanecem ligados a um composto em solução. Um exemplo de ácido fraco é o vinagre, ou ácido acético; é chamado de acetato depois de liberar um próton.

  

  Figura 2.16 Ácidos e bases (a) Em solução aquosa, um ácido se dissocia em íons de hidrogênio (H ⁺) e ânions. Quase todas as moléculas de um ácido forte se dissociam, produzindo uma alta concentração de H ⁺. (b) Em solução aquosa, uma base se dissocia em íons hidroxila (OH ^—) e cátions. Quase todas as moléculas de uma base forte se dissociam, produzindo uma alta concentração de OH ^-.

  Bases

  Uma base é uma substância que libera íons hidroxila (OH ^—) em solução, ou uma que aceita H ⁺ já presente na solução (veja a Figura 2.16 b). Os íons hidroxila (também conhecidos como íons hidróxido) ou outras substâncias básicas se combinam com o H ⁺ presente para formar uma molécula de água, removendo assim o H ⁺ e reduzindo a acidez da solução. Bases fortes liberam a maioria ou todos os seus íons hidroxila; bases fracas liberam apenas alguns íons hidroxila ou absorvem apenas alguns H ⁺. Alimentos misturados com ácido clorídrico do estômago queimariam o intestino delgado, a próxima porção do trato digestivo depois do estômago, se não fosse pela liberação de bicarbonato (HCO ₃ ^—), uma base fraca que atrai H ⁺. O bicarbonato aceita alguns dos prótons H ⁺, reduzindo assim a acidez da solução.

  O conceito de pH

  A acidez ou alcalinidade relativa de uma solução pode ser indicada por seu pH. O pH de uma solução é o logaritmo negativo de base 10 da concentração de íons hidrogênio (H ⁺) da solução. Como exemplo, uma solução de pH 4 tem uma concentração de H ⁺ dez vezes maior que a de uma solução de pH 5. Ou seja, uma solução com pH de 4 é dez vezes mais ácida do que uma solução com pH 5. O conceito de pH começará a fazer mais sentido quando você estudar a escala de pH, como a mostrada na Figura 2.17. A escala consiste em uma série de incrementos que variam de 0 a 14. Uma solução com um pH de 7 é considerada neutra — nem ácida nem básica. A água pura tem um pH de 7. Quanto menor o número abaixo de 7, mais ácida é a solução ou maior a concentração de H ⁺. A concentração de íons de hidrogênio em cada valor de pH é 10 vezes diferente do próximo pH. Por exemplo, um valor de pH de 4 corresponde a uma concentração de prótons de 10 ^—4 M, ou 0,0001M, enquanto um valor de pH de 5 corresponde a uma concentração de prótons de 10 ^—5 M ou 0,00001M. Quanto maior o número acima de 7, mais básica (alcalina) é a solução ou menor a concentração de H ⁺. A urina humana, por exemplo, é dez vezes mais ácida do que a água pura e o HCl é 10.000.000 de vezes mais ácido do que a água.

  

  Figura 2.17 A escala de pH

  Tampões

  O pH do sangue humano normalmente varia de 7,35 a 7,45, embora seja normalmente identificado como pH 7,4. Nesse pH ligeiramente básico, o sangue pode reduzir a acidez resultante do dióxido de carbono (CO ₂) constantemente liberado na corrente sanguínea pelos trilhões de células do corpo. Os mecanismos homeostáticos (junto com a expiração de CO ₂ durante a respiração) normalmente mantêm o pH do sangue dentro dessa faixa estreita. Isso é fundamental, porque flutuações — muito ácidas ou muito alcalinas — podem levar a distúrbios potencialmente fatais.

  Todas as células do corpo dependem da regulação homeostática do equilíbrio ácido-base a um pH de aproximadamente 7,4. O corpo, portanto, tem vários mecanismos para essa regulação, envolvendo a respiração, a excreção de substâncias químicas na urina e a liberação interna de substâncias químicas chamadas coletivamente de tampões nos fluidos corporais. Um tampão é uma solução de um ácido fraco e sua base conjugada. Um tampão pode neutralizar pequenas quantidades de ácidos ou bases nos fluidos corporais. Por exemplo, se houver uma ligeira diminuição abaixo de 7,35 no pH de um fluido corporal, o tampão no fluido - neste caso, atuando como uma base fraca - ligará o excesso de íons de hidrogênio. Em contraste, se o pH subir acima de 7,45, o tampão atuará como um ácido fraco e contribuirá com íons de hidrogênio.

  Desequilíbrios homeostáticos

  Ácidos e bases

  A acidez excessiva do sangue e de outros fluidos corporais é conhecida como acidose. As causas comuns de acidose são situações e distúrbios que reduzem a eficácia da respiração, especialmente a capacidade da pessoa de expirar completamente, o que causa um acúmulo de CO ₂ (e H ⁺) na corrente sanguínea. A acidose também pode ser causada por problemas metabólicos que reduzem o nível ou a função dos tampões que atuam como bases ou que promovem a produção de ácidos. Por exemplo, com diarreia grave, muito bicarbonato pode ser perdido do corpo, permitindo que ácidos se acumulem nos fluidos corporais. Em pessoas com diabetes mal controlado (regulação ineficaz do açúcar no sangue), os ácidos chamados cetonas são produzidos como uma forma de combustível corporal. Eles podem se acumular no sangue, causando uma doença grave chamada cetoacidose diabética. Insuficiência renal, insuficiência hepática, insuficiência cardíaca, câncer e outros distúrbios também podem provocar acidose metabólica.

  Em contraste, a alcalose é uma condição na qual o sangue e outros fluidos corporais são muito alcalinos (básicos). Assim como a acidose, os distúrbios respiratórios são uma das principais causas; no entanto, na alcalose respiratória, os níveis de dióxido de carbono caem muito. Doenças pulmonares, sobredosagem de aspirina, choque e ansiedade normal podem causar alcalose respiratória, o que reduz a concentração normal de H ⁺.

  A alcalose metabólica geralmente resulta de vômitos prolongados e severos, que causam perda de íons hidrogênio e cloreto (como componentes do HCl). Os medicamentos também podem provocar alcalose. Isso inclui diuréticos que fazem com que o corpo perca íons de potássio, bem como antiácidos quando ingeridos em quantidades excessivas, por exemplo, por alguém com azia persistente ou úlcera.