Alguns chegam até a
desmaiar só pelo simples fato de olhar para ele.
Este fluido é
essencial para a nossa sobrevivência e nos reserva grandes surpresas. Alguém
poderia imaginar que, em algo inusitado estaria uma bela aula sobre
equilíbrio químico?
O
NAEQ apresenta para vocês o equilíbrio
ácido-base
no
Sangue!
Composição do Ar Alveolar
O ar que respiramos mistura-se com o gás já presente na
traquéia, brônquios e subdivisões mais específicas das nossas vias aéreas
pulmonares sendo que uma parte desta mistura de gases é levada aos alvéolos em expansão,
onde ele entra em contato com os capilares pulmonares que transportam
sangue venoso (rico em gás carbônico).
Pressão parcial de um gás
A pressão parcial de um gás é a pressão
exercida pelo gás de forma individual, não sofrendo interferência de
possíveis outros gases em um sistema. A pressão parcial depende somente
do número de mol de um gás em um dado volume e temperatura. Por exemplo:
A pressão total exercida por uma mistura
gasosa como o ar atmosférico, é a soma aritmética simples das pressões
parciais dos gases que formam a mistura.
A pressão barométrica (PB) é deste modo, a
soma das pressões parciais do oxigênio, dióxido de carbono e nitrogênio
do ar.
É
importante dizer que o conceito de pressão parcial é uma idealização
de um sistema. Não são consideradas a interações entre os gases.
Difusão: Processo espontâneo de
transporte de massa num sistema físico-químico, por efeito de gradientes
de concentração.
Em condições de equilíbrio dinâmico, o fluxo de vai e vem do gás dentro e
fora dos espaços alveolares mantém a constância da composição do ar
alveolar. Em média, a mesma quantidade de oxigênio acrescentada ao ar
alveolar é removida pelo sangue e a mesma quantidade de dióxido de
carbono transferida pelo sangue aos alvéolos é lançada ao meio externo.
Esse aspecto da constância da composição do gás alveolar terá alguma relação
com o equilíbrio ácido-base em nosso sangue? Em breve iremos responder essa
pergunta.
Transporte de oxigênio no sangue
Quando a pressão parcial do oxigênio é diferente em duas partes de um sistema,
estabelece-se um gradiente de difusão, ou seja, o gás se difunde do local em que
a pressão parcial é maior para aquele em que ela é menor. Caso o sistema permanecer
sem perturbações, a pressão parcial de um gás se torna a mesma em todas as
suas partes.
O
oxigênio difunde do ar alveolar para o sangue porque o sangue venoso que flui
pelos pulmões tem uma Po2 (pressão parcial de gás oxigênio) inferior à do ar alveolar.
A difusão do
oxigênio para o sangue venoso converte-o em sangue arterial.
O sangue passa rapidamente pelos pulmões com uma demora de 0,75 segundo, quando
o homem está em um estado de repouso. Em uma atividade física, em função da
demanda de oxigênio, o tempo pode cair para um valor de 0,3 segundos, visto que
as funções metabólicas como um todo trabalham em um ritmo acelerado,
necessitando por conseqüência de uma demanda maior de gás oxigênio para realizar
suas reações.
A membrana alveolar é uma barreira à difusão do oxigênio e, por isso, o
oxigênio do sangue
que passa através dos pulmões não chega a atingir o equilíbrio completo com
o ar alveolar.
O oxigênio contido no sangue arterial é transportado
de duas maneiras: como oxigênio dissolvido em solução física e na forma
conjugada com a hemoglobina
presentes nos eritrócitos (glóbulos vermelhos). A quantidade de oxigênio
dissolvida e a quantidade combinada com a hemoglobina dependem ambas do Po2
do sangue arterial. Este sangue arterial flui através de tecidos em que a Po2
é inferior a do sangue. Em alguns tecidos de grande fluxo sanguíneo, como o
cérebro por exemplo, a Po2 pode ser apenas alguns milímetro de Hg
inferior à arterial. Pelo fato da Po2 dos tecidos ser inferior à do
sangue arterial, o oxigênio difunde-se do sangue para os tecidos. A perda de
oxigênio pelo sangue arterial, juntamente do ganho simultâneo de dióxido de
carbono, converte o sangue arterial em venoso. O sangue venoso é coletado pelas
veias, misturando-se no ventrículo direito e novamente circulando pelos pulmões.
Cada alvéolo tem um diâmetro
cerca de 0,2mm. As paredes alveolares são muito finas e no meio delas está
uma densa rede de capilares, que forma quase um lençol contínuo de sangue,
numa camada muito fina.
Hemoglobina
Um transportador de O2 é necessário no
sangue porque O2 não é suficiente solúvel no plasma sanguíneo para
atender às necessidades do corpo. Veja que, à 38°C, 1L de plasma dissolve apenas
2,3 mL de O2. O sangue total, em virtude de sua hemoglobina, tem uma
capacidade muito maior de transporte do oxigênio. Um litro de sangue normalmente contém
cerca de 150g de hemoglobina (contida dentro dos eritrócitos) e cada grama de
hemoglobina é capaz de combinar-se aproximadamente 1,46 mL de O2. Portanto, a
hemoglobina de 1L de sangue é capaz de transportar 220 mL de O2,
cerca de 87 vezes mais rápido para
fornecer a mesma quantidade de O2.
Perceba que um fluxo 87 vezes mais rápido de sangue, caso não existisse a hemoglobina,
exigiria uma bomba fabulosa de alta pressão, a qual produziria um fluxo
tremendamente turbulento, o que resultaria em sangramento descontrolado
após ferimentos e não deixaria o sangue nos pulmões tempo suficiente para captar
o O2. Já imaginou você se cortar com um fluxo de sangue 87
vezes mais rápido?
A hemoglobina nada mais é do que uma proteína
que carrega consigo complexos inorgânicos tendo como átomo central um
íon de Ferro, complexo esse denominado "Heme"
(veja figura ao lado). Diferentemente da mioglobina, que também exerce
papel no transporte de oxigênio e possui apenas um grupo 'heme', a
hemoglobina possui quatro grupos 'heme'. Este complexo "heme" irá ser
responsável pela fixação e transporte do oxigênio, uma vez que o
complexo está ligado a estrutura protéica da hemoglobina e esta, por sua
vez, promove o transporte de toda a estrutura. Cada hemoglobina carrega 4 moléculas de
gás oxigênio por vez, visto que existem 4 complexos "heme"
ligados a hemoglobina. A ligação do complexo "heme" com o
oxigênio é fraca e
instável, dependendo de uma
série de fatores, como pH,
temperatura e da pressão parcial dos gases dissolvidos no sangue.
Portanto, o equilíbrio ácido-base é um dos fatores fundamentais para
que o processo de transporte do oxigênio seja efetuado de maneira
satisfatória.
Complexo
Heme
O equilíbrio ácido-base em nosso organismo.
Há um fluxo diário muito intenso de oxigênio,
dióxido de carbono e íon hidrogênio por todo o nosso corpo. O metabolismo gera
CO2, que se dissolve em H2O para formar o ácido carbônico H2CO3
que, por sua vez, dissocia-se formando o íon hidrogênio H+. Apesar
das grandes variações na produção de CO2, durante uma
atividade física por exemplo, o pH sanguíneo é praticamente o mesmo:
a concentração de íons hidrogênio no plasma
permanece na faixa nanomolar (36-43 nmol.L-1; pH 7,37 - 7,44).
Basicamente, a manutenção do equilíbrio ácido - base envolve os pulmões, os
eritrócitos e os rins. Os pulmões, como vimos no capítulo anterior,
controlam as trocas de dióxido de carbono e oxigênio entre o sangue e a
atmosfera externa. Os eritrócitos, por sua vez, transportam os gases entre
os pulmões e tecidos de nosso corpo. Os rins controlam a concentração de
bicarbonato, o qual possui ação de tamponamento,
excretando os íons hidrogênio e regulam a produção de eritrócitos através da
secreção da eritropoetina, um hormônio que estimula a síntese de eritrócitos.
Em nosso organismo, a
atividade dos íons H+ varia de 0,13, no suco gástrico mais ácido, a cerca
de 0,00000003 no suco pancreático mais alcalino. Afim de uma representação
prática dessas concentrações, utilizou-se a o logaritmo negativo de base
10 da atividade hidrogeniônica da solução. Este termo é chamado de pH e
sua definição matemática é:
Na prática, a atividade dos íons hidrogênio
em uma solução é medida eletrometricamente. Se a solução desconhecida é
separada de uma solução padrão, que possua sua atividade hidrogeniônica
conhecida, por uma membrana permeável unicamente aos íons hidrogênio, o
potencial elétrico E da membrana é dado pela equação:
onde R é a constante dos gases, T é a
temperatura absoluta, n é a valência (que no caso é um) e F é a Constante
de Faraday.
O efeito tampão
Em linhas gerais, a definição de uma solução tampão seria aquela que
é capaz de atenuar a variação do valor
de seu pH, resistindo à adição, dentro de limites, de reagentes ácidos ou
alcalinos. Ao mencionarmos os
conceitos de
"ácido e base", estamos nos referindo a
definição de Brönsted-Lowry
(1923), a qual diz que "ácido é uma substância que libera prótons (um doador de
prótons) e uma base é uma substância que se combina com os prótons (um receptor
de prótons)".
Vamos pegar o exemplo do ácido carboxílico, representado pela fórmula geral
R-COOH.
Quando o ácido é dissolvido em água, o grupo -OH dissocia-se para formar um íon
hidrogênio e um ânion, uma reação de equilíbrio que pode ser representada
conforme a reação abaixo:
O ânion da reação é chamado de base
conjugada, devido sua propriedade de
absorver um próton produzido na reação. Se adicionarmos íons hidrogênio a uma
solução contendo um ácido e sua base conjugada, o aumento na concentração
hidrogeniônica desloca para a esquerda
o equilíbrio. Alguns íons hidrogênio
se combinam com a base conjugada para formar o ácido e, deste modo, alguns íons
hidrogênio desaparecem da solução. A concentração hidrogeniônica final, após a
adição do ácido, é menor do que ela seria se a base conjugada não estivesse
presente. Por outro lado, uma redução de íons H+ da solução
deslocaria o sentido da reação apara a direita, e algumas das moléculas de ácido
liberariam íons hidrogênio.
Portanto, a ação promovida pelo ácido e sua base conjugada tende a reduzir as modificações
na concentração hidrogeniônica
de uma solução, formando por isso, um sistema
denominado "tampão" ou buffer.
O Francês
Henry Louis Le Chatelier
que além de químico era também engenheiro metalúrgico, nasceu em 1850 e
faleceu em 1936. Durante seus estudos sobre o andamento das reações
químicas,
ele percebeu que era possível prever o sentido
de deslocamento dos equilíbrios químicos, criando então a afirmativa que
hoje é conhecida como lei ou princípio de Le Chatelier.
"Quanto um sistema em equilíbrio químico é perturbado por uma ação externa,
o próprio sistema tende a contrariar a ação que o perturbou, afim de
restabelecer a situação de equilíbrio".
Uma
experiência interessante para demonstrar o deslocamento de equilíbrio é
aquela onde se produz, em função da variação da pressão do sistema, o
deslocamento do equilíbrio da seguinte reação:
N2O4(g) <--> 2NO2(g)
Em
um estado inicial de equilíbrio, temos pouco NO2 (vermelho) e muito
N2O2 (incolor) e, portanto, o sistema tem uma cor
levemente avermelhada. Com a
diminuição da pressão (por exemplo, um aumento do volume), ocorre a um deslocamento no equilíbrio
do sistema de forma que passamos a ter mais NO2 (vermelho) e menos N2O4 (incolor)
fazendo com que se veja a variação de um vermelho claro para um vermelho mais
intenso.
Sistemas de tamponamento no organismo
A hemoglobina exerce um papel importante no tamponamento dos íons
hidrogênio derivados da reação da anidrase carbônica. Os ácidos gerados
durante o metabolismo e o íon hidrogênio gerado pela fixação do CO2
são também tamponados por tampões intracelulares, especialmente
proteínas e fosfatos. Contudo, o
bicarbonato é o principal
tampão que neutraliza os
ácidos provenientes do metabolismo e será alvo de nosso estudo neste
artigo. Na tabela ao lado, há um resumo dos tampões existentes em
nosso organismo.
Os tampões no
organismo humano
Tampões
ácidos
bases conjugadas
Principal ação de
tamponamento
hemoglobina
HHb
Hb-
eritrócitos
proteínas
HProt
Prot-
intracelular
tampão
fosfato
H2PO4-
HPO42-
intracelular
bicarbonato
CO2-->
H2CO3
HCO3-
extracelular
Ação Tampão do bicarbonato no sangue
Primeiramente, vamos analisar a equação de
Henderson-Hasselbach
para o cálculo do pH de uma solução tampão.
Quando a base e o ácido conjugados estão presentes em igual concentração, sua
razão é de 1, e o log é 0, de modo que pH = pKa. Os tampões são
soluções que minimizam uma alteração de [H+] mediante a adição de
ácido ou de base. Um tampão possui uma capacidade de tamponamento máxima em seu
pKa quando as formas ácidas e básicas estão presentes em igual
concentração.
Este sistema de tamponamento do bicarbonato é singular, pois ele
permanece em equilíbrio com o ar atmosférico, criando, dessa forma, um
sistema aberto com uma capacidade de tamponamento muitas vezes maior do
que aquela dos sistemas "fechados".
O dióxido de carbono produzido nos tecidos se difunde através das
membranas celulares e dissolve-se no plasma sanguíneo. O coeficiente de
solubilidade do CO2 em água é de 0,23 quando a pCO2
é medida em kPa (ou 0,03 se medida em mmHg). Assim, com uma
pCO2 de 5,3kPa, a concentração de
CO2, dissolvido (dCO2) é de:
Unidades de pressão
A pressão pode
ser expressa em diversas unidades de medida. Abaixo, relacionamos as
conversões entre essas unidades.
Grandeza
Nome
Símbolo
Equivalência
pressão
atmosfera
atm
101 325 Pa
pressão
bar
bar
105 Pa
pressão
milímetro
de mercúrio
mmHg
133,322 Pa
dCO2 (mmol/L) = 5,3kPa x 0,23 = 1,2 mmol/L
Normalmente, existem aproximadamente 24mmol/L de bicarbonato no plasma. O pK do
tampão bicarbonato é de 6,1 e se inserirmos as concentrações dos componentes do
tampão na equação anterior, veremos que:
O tampão bicarbonato minimiza as modificações na concentração de íons hidrogênio
com a adição de um ácido ou de uma base no plasma. Quando o ácido é adicionado,
o bicarbonato reage e o CO2 é liberado:
O ácido carbônico é uma estrutura muito instável e logo se dissocia em dióxido
de carbono e água.
O excesso de CO2 é então eliminado pelos pulmões. Já quando uma base é
adicionada, o ácido carbônico/CO2 neutraliza a base em água:
Em primeiro lugar, o
componente que consideramos como ácido nesse sistema tampão é CO2,
que é um anidrido ácido, não um ácido. Reage com a água para formar ácido
carbônico, o qual sabemos que é um ácido fraco:
CO2 + H2O
<--> H2CO3
(1)
O ácido rapidamente
ioniza-se em:
H2CO3
<--> H+ + HCO3-
(2)
Somando as equações 1 e
2, temos:
CO2 + H2O
<--> H+ + HCO3-
(3)
A eliminação de H2CO3
de concentração formal é realístico, uma vez que não apenas simplifica o
assunto, mas o H2CO3 é, de fato, quantitativamente
insignificante. Como o equilíbrio da reação (1) é muito deslocado para a
esquerda,
H2CO3
está presente apenas 1/200 da concentração de
CO2
dissolvido.
É importante ressaltar que a solução tampão tem um determinado limite de ação.
Ultrapassado esse limite, a variação de pH ocorre como se não existisse mais um
sistema tampão. Nestes casos, ocorrem patologias relacionadas com distúrbios ácido-base, os quais iremos ver a seguir.
Os distúrbios ácido-base metabólicos
e respiratórios
Os pulmões e os rins trabalham de maneira integrada para minimizar as alterações
de pH plasmático e podem compensar um ao outro na presença de perturbações. Os
distúrbios de equilíbrio ácido-base podem ter sua
origem metabólica, respiratória ou mista.
Quando um problema ocorre em um dos componentes, o outro busca compensar
minimizando as alterações finais nas concentrações plasmáticas de íons
hidrogênio.
Quando a concentração de íons H+ no sangue é elevada, temos uma diminuição
do pH o que chamamos de acidose,
a qual é geralmente classificada como metabólica ou respiratória, classificação
esta que dependerá da origem que promoveu o desequilíbrio. Já a alcalose
é o distúrbio inverso, ou seja, há um aumento do pH sanguíneo em virtude da
diminuição de íons H+ no sangue, considerado um distúrbio raro em
relação ao da acidose. Esses dois
distúrbios podem levar, caso não haja providência imediatas, o indivíduo a morte
devido ao colapso metabólico que é produzido.
29/05/2003
Química: Hidróxido de lítio salva astronautas
LUÍS FERNANDO PEREIRA
da Folha de S.Paulo
"Houston, we have a
problem". Ao enviar essa mensagem em 13 de abril de 1970, o comandante da
missão espacial Apollo 13, Jim Lovell, sabia: a sua vida e as dos seus
dois companheiros estavam por um fio. Um dos tanques de oxigênio (O2)
da nave tinha acabado de explodir.
Apesar do perigo iminente de os astronautas ficarem sem O2 para
respirar, a principal preocupação da Nasa era evitar que a atmosfera da
espaçonave ficasse saturada do gás carbônico (CO2) exalado pela
própria equipe.
Isso causaria um abaixamento do pH do sangue da tripulação (acidemia
sanguínea), já que o CO2 é um óxido ácido (em água ele forma
ácido carbônico: CO2 + H20 --> H2CO3)
como, aliás, a grande maioria dos óxidos ametálicos (o carbono é um
ametal).
A acidemia sanguínea deveria ser evitada a qualquer custo. Inicialmente,
ela leva a pessoa a ficar desorientada e a desmaiar, podendo evoluir até o
coma ou mesmo a morte.
Normalmente, a presença de CO2 na atmosfera da nave não é
problema. Para eliminá-lo, há, adaptados à ventilação, recipientes com
hidróxido de lítio (LiOH), uma base capaz de absorver esse gás. Nada
quimicamente mais sensato: remover um óxido ácido da atmosfera da nave
lançando mão de uma base: CO2 + 2LiOH --> Li2CO3
+ H2O.
O problema é que os três astronautas tiveram de se refugiar numa parte da
espaçonave chamada módulo lunar: pequena e preparada para duas pessoas.
Depois de um dia e meio, uma luz de alerta acendeu: o CO2 havia
atingido um nível muito alto. Sinal de que a quantidade de LiOH, calculada
para dois astronautas, não estava dando conta do recado.
Um improviso de última hora com o hidróxido de lítio do módulo de comando
(outra área da espaçonave) salvou a vida de toda a tripulação.
E se existissem substâncias que, além de absorverem o CO2, ao
mesmo tempo restaurassem o O2? Seria ótimo! E essas substâncias
existem. São os superóxidos! O superóxido de potássio (K2O4)
já vem sendo utilizado em submarinos. Veja só o que ele faz:
K2O4
+ CO2 --> K2CO3 + 3/2O2.
No espaço e até no fundo do mar. Tem química em todo lugar!
Depois da leitura,
responda a questão que encontra-se na coluna ao lado sobre a solução
sugerida.
---
Que massa desse
superóxido é necessária para remover todo o CO2 exalado por um
tripulante durante quatro dias de viagem nesse submarino (uma pessoa
exala, em média, 1,1 kg de CO2 por dia)?
Responda preenchendo o formulário abaixo:
Agora é a sua vez!
Abaixo, seguem duas questões sobre o equilíbrio químico do sangue com o objetivo
de
demonstrar a importância desse assunto bem como evidenciar a maravilha que é a
nossa vida. Ah!, as perguntas também têm como objetivo fazer com que você não
fique ai 'sentadão', esperando tudo
pronto ou, como popularmente se comenta:
'de mão beijada'.
Para um sistema estar em
equilíbrio, geralmente é de se esperar que esse sistema seja do tipo "fechado"
visto que, dessa forma, não há variação na quantidade de reagentes e produtos
além da possibilidade de um melhor controle perante as variáveis de estado deste
sistema.
Apesar de nós sermos um "sistema aberto", no que diz respeito ao equilíbrio ácido-base de nosso sangue, ocorre uma incrível
constância no valor de pH,
evidenciando uma notável condição de equilíbrio químico. Com base na leitura do
texto e utilizando-se também de outras fontes sobre o assunto, explique os
motivos que permitem que esse fenômeno aconteça.
Quando você vai viajar para uma cidade de grande altitude (como por
exemplo, La Paz, com 3.636 metros de altitude) são comuns alguns
desconfortos físicos. Em casos extremos, certas pessoas podem até morrer
caso não recebam tratamento em tempo.
Existe um equilíbrio entre a hemoglobina e a oxi-hemoglobina (hemoblogina
+ O2) e este equilíbrio é que será responsável pelos efeitos
indesejados mencionados no parágrafo anterior. Explique como ocorre esse
deslocamento de equilibro, tanto para a pessoa que recém chegou na
cidade e está sentindo os efeitos da altitude bem como para aquela pessoa
que se habituou ao clima.
Mazzocchin, Gian-Antônio; Moretto, Ligia M. "Ácidos e Bases: uso de diagramas
logarítmicos". Caxias do Sul:
EDUC, 1996.
Dovenport, Horace W; "ABC da Química Ácido-Básica do Sangue". Traduzida da
5ª edição revista e ampliada por José Reinaldo Magalhães. São Paulo:
Editora Atheneu, 1973.
Baynes, John, Dominiczak, Marek H. "Bioquímica Médica".1ª
edição brasileira. São Paulo: Editora Manole, 2000.
Thomas, M.
Delvin. "Manual de Bioquímica
com Correlações Clínicas". Tradução da 4ª edição Americana. São Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda,
2002.
Parson, Theran D.;
Slabaugh,
Wendell H.; "Química Geral". 2ª edição. Rio de
Janeiro. Editora LTC, 1982.
Koolman, Jan; Röhm, Klaus-Heinrich. "Color
Atlas of Biochemistry" - New York: Editora Thieme Stuttgart, 1996.
Para saber
mais...
Washington University Department of Chemistry
- Blood Chemistry Tutorial
(5)
Mazzocchin, Gian-Antônio; Moretto, Ligia M. "Ácidos e Bases: uso de diagramas
logarítmicos". Caxias do Sul:
EDUC, 1996.
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