A ORIGEM DA VIDA

A ORIGEM DA VIDA
 
Acredita-se que o nosso universo tenha surgido há ~13,7 bilhões de anos e o planeta Terra há ~4,5 bilhões de anos. No início de sua formação a Terra era em grande parte coberta por magma, havia intensas descargas elétricas, atividade vulcânica e bombardeios por meteoritos. As condições eram bem diferentes das atuais e nesse ambiente inóspito não havia vida.
 
Porém, na medida em que o planeta começou a resfriar e surgiram as primeiras rochas sólidas, foram surgindo as condições capazes de permitir o surgimento dos primeiros organismos. Acredita-se que os primeiros microfósseis datem de ~3,5 bilhões de anos atrás.
 


Aspecto da Terra primitiva.
 
 
Há duas correntes principais de pensamento para explicar o surgimento dos organismos, desenvolvidas muitos anos antes de os pesquisadores terem noções sobre o surgimento e as condições da Terra primitiva. São elas:
 
Biogênese: acredita-se que um organismo poderia surgir apenas a partir de outro, pré-existente.
Abiogênese: acredita-se que a matéria não viva possa se organizar de maneira a gerar os organismos vivos.
 
No âmbito da abiogênese, há conceito antigo e um moderno:
 
- Abiogênese por meio da ação de uma “força vital” ou algo similar, capaz de reorganizar a matéria não viva e gerar seres vivos rapidamente, como em poucos dias. É uma ideia antiga, com raízes aristotélicas e também pode ser chamada de geração espontânea. Lembrando que as pessoas sabiam que a reprodução originava novos seres vivos, porém, eles também criam que a vida poderia surgir via geração espontânea.
- Abiogênese por meio de processos de “evolução química”’, de longa duração, nos quais houve a formação das substâncias constituintes das células, sua organização e a geração das primeiras células. É o conceito moderno e o mais aceito pelos pesquisadores.
 

 
Apesar de esse segundo ser o conceito mais aceito hoje em dia, por muito tempo, a maioria dos estudiosos cria na hipótese da geração espontânea, que enfrentou um dos seus primeiros desafios experimentais em 1668. Foi quando Francesco Redi elaborou um experimento tentando desbancá-la baseado na hipótese de que as larvas que se observam nos corpos em putrefação são originadas pelos ovos que as moscas depositam neles, não o resultado de geração espontânea.
 
Para testar essa hipótese Redi elaborou um experimento que, simplificando, consistia em colocar pedaços de carne em dois conjuntos de frascos: um conjunto era mantido destampado, de maneira que as moscas poderiam pousar nas carnes, enquanto o outro era mantido tampado, isolando as carnes das moscas. Após deixar os frascos em repouso por alguns dias, observou que só surgiram larvas nos frascos deixados destampados, onde as moscas poderiam pousar, logo, sua hipótese foi confirmada: as larvas eclodem dos ovos das moscas e não surgem por geração espontânea.
 

Esquema simplificado do experimento de Redi.
 
Não obstante, os resultados foram contestados por muito tempo: os críticos afirmaram que ao tampar os frascos Redi tinha impedido a força vital de entrar em contato com as carnes, por isso as larvas não surgiram. Ademais, os defensores da geração espontânea criam que a força vital ainda podia gerar micro-organismos. Os micro-organismos foram descritos pela primeira vez em 1665, por Robert Hooke.
 
Após anos de controvérsia, incluindo outros experimentos, a disputa foi resolvida de vez em 1862 por Louis Pasteur. Pasteur realizou um experimento para testar a hipótese de que, ao se ferver um caldo nutritivo, os micro-organismos que se detectam no material posteriormente são provenientes de contaminação pelo ar, ao invés de surgirem por geração espontânea.
 
Para isso, Pasteur criou frascos com gargalos longos e curvados, chamados de pescoço de cisne. Dentro desses frascos foi introduzido o caldo nutritivo, que foi esterilizado com o uso de uma chama. Então os gargalos também foram curvados também com o auxílio de uma chama. Esses gargalos curvados permitem que a suposta força vital entre no frasco e tenha contato com o caldo nutritivo, porém, retêm os micro-organismos contaminantes na curvatura.
 

Frasco com o gargalo curvado usado no experimento de Pasteur.
 
 
Dias após realizar o experimento não se encontrou vida nos frascos, mas quando se arrancavam os gargalos de modo a permitir o contato do ar e dos micro-organismos contaminantes com o caldo, em pouco tempo as amostras foram contaminadas por eles.
 
Esse experimento terminou a controvérsia sobre a geração espontânea e a biogênese de maneira definitiva. Porém, um problema ainda persistia e persiste: e quanto ao primeiro organismo? Esse não poderia ter sido gerado a partir de outro. Logo, deveria haver algum tipo de processo abiótico, sem um componente similar a força vital, capaz de tê-lo gerado. Como mencionado, a maioria dos pesquisadores aceita a hipótese de que a vida surgiu via abiogênese por processos de evolução química.
 
Acredita-se que na Terra primitiva ocorreram processos químicos nos quais as substâncias simples, ao longo do tempo e nas condições adequadas, geraram substâncias orgânicas cada vez mais complexas, que, por fim, originaram os primeiros organismos.
 

Resumo simplificado de como a vida pode ter surgido.
 
Uma possibilidade é baseada nas propostas de Haldane e Oparin, de 1924 (ambos trabalhando independentemente): supondo uma atmosfera pobre em oxigênio e composta primariamente por CH₄, H₂, NH₃ e H₂O, essas substâncias reagiriam graças à energia fornecida por descargas elétricas originando compostos orgânicos, que seriam concentrados nos oceanos e deram origem à uma “sopa pré-biótica”, onde os processos de evolução química foram capazes de permitir o surgimento da vida.
 
Essa hipótese foi testada em 1953 por Stanley Miller, que elaborou um aparato simulando essas condições ambientais. No aparato a água que evapora faz circular os compostos e os eletrodos simulam os relâmpagos, que fornecem a energia requerida para as reações químicas. Após algum tempo, foram detectadas algumas substâncias orgânicas como os aminoácidos glicina e alanina.
 

Modelo do aparelho de Miller.
 
Atualmente acredita-se que essas não tenham sido as condições da atmosfera primitiva, porém, o experimento mostra a possibilidade de se obter substâncias orgânicas a partir de substâncias inorgânicas simples, dependendo das condições ambientais. Além disso, também é possível que micro-organismos ou várias substâncias tenham sido formados fora da Terra e trazidos para cá em corpos celestes como os meteoritos. Essa é a hipótese chamada de panspermia, evidenciada pela presença de vestígios de micro-organismos e de substâncias orgânicas em alguns meteoritos, que podem ter origem extraterrestre.
 

A hipótese da panspermia prevê que algumas substâncias e talvez até micro-organismos possam ter sido trazidos para a Terra em corpos celestes.
 
O próximo passo deve ter sido a formação de moléculas orgânicas mais complexas, como os fosfolipídeos, proteínas e os ácidos nucleicos. Mas para que haja a síntese dessas moléculas e a vida possa surgir é necessário que haja catálise e polímeros capazes de armazenar as informações genéticas. Como as moléculas de RNA são capazes de fazer ambas as coisas, pode ser que elas tenham surgido antes das outras moléculas complexas:  é a hipótese chamada de mundo do RNA.
 

Como as moléculas de RNA podem tanto transmitir informações genéticas quanto ter atividade catalítica, podem ter sido as precursoras tanto do DNA quanto das proteínas.
 
Os fosfolipídeos permitiram a formação das bicamadas fosfolipídicas, estrutura básica das membranas celulares. Essas bicamadas podem ter permitido a compartimentação e a concentração das substâncias orgânicas, das moléculas de RNA inclusive, favorecendo a ocorrência das reações químicas capazes de gerar as primeiras células.
 
Tendo surgido, enfim, as primeiras células, acredita-se que elas tenham sido bem simples, similares às células procariontes mais simples atuais. Lembre-se de que a Terra tem ~4,5 bilhões de anos e os primeiros possíveis microfósseis de células, ~3,5 bilhões.
 

Candidatus Pelagibacter communis. São as células de vida livre com o menor genoma conhecido, de 1.308.759 pares de bases e aproximadamente 1389 genes.
 
No tocante ao tipo de metabolismo energético dos primeiros organismos, há duas hipóteses, a de que eles eram heterótrofos e a de que eram autótrofos.
 
- Hipótese heterotrófica: supõe que as primeiras células devem ter sido as mais simples possíveis nas condições em que se encontravam, logo, como os sistemas bioquímicos requeridos para a síntese de substâncias orgânicas a partir das inorgânicas requer um nível maior de complexidade, a hipótese prevê que os primeiros organismos obtinham os seus nutrientes a partir do meio. Esses primeiros organismos se desenvolveram em um meio anaeróbico e podem ter realizado um processo similar à fermentação alcoólica como a conhecemos atualmente, que, além de gerar energia potencial química, libera etanol e CO₂ para o meio, sendo que esse CO₂ pode ter favorecido o surgimento dos autótrofos, que o utilizam como fonte de átomos de carbono para a síntese de substâncias orgânicas.
 
A sequência de surgimento dos organismos no planeta seria:
Fermentadores (liberam CO₂) => Fotossíntéticos (liberam O₂) => Aeróbicos.
 
(Detalhe, nem todos os tipos de fermentação liberam CO₂ para o meio. A alcoólica, por exemplo, libera, já a lática, não).
 
- Hipótese autotrófica: supõe que as primeiras células devem ter sido autótrofas quimiossintetizantes, pois, apesar da complexidade, não haveria processos químicos capazes de gerar substâncias orgânicas em quantidades suficientes para manter os organismos heterótrofos na Terra primitiva. Assim, os primeiros seres vivos podem ter sido quimiossintetizantes, como os encontrados nas fontes hidrotermais nas profundezas dos oceanos, que são ambientes quentes (60°-105° C) e sulfurosos.
 
Esses ambientes seriam protegidos da instabilidade da superfície do planeta e poderiam permitir que houvesse a seguinte reação:
 
FeS + H₂S => FeS₂ + H₂ + energia potencial química.
 
A energia potencial química é então empregada para impulsionar a síntese de substâncias orgânicas que sevem de alimento ao quimiotrófico.
 
Então, de acordo com essa hipótese, a sequência de surgimento dos organismos no planeta é:
 
Quimiossintéticos => Fermentadores (liberam CO₂) => Fotossintéticos (liberam O₂) => Respiração aeróbica.

Resumo de um ecossistema encontrado nas vizinhanças das fontes hidrotermais.
 
Posteriormente, além das células procariontes, houve também o desenvolvimento das células eucariontes, que são mais complexas e possuem sistemas membranosos internos: as várias organelas membranosas, como o retículo endoplasmático, complexo de golgi, peroxissomo e etc. Essas células podem ter surgido há 2,5 bilhões de anos e os sistemas membranosos internos podem ter sido o resultado de invaginações da membrana plasmática, a sim de corresponder ao aumento no volume: as células eucariontes são, normalmente, bem maiores que as procariontes e, enquanto a área de superfície corresponde ao quadrado da dimensão linear, o volume corresponde ao cubo. Então, para corresponder a superfície, surgiram as invaginações, que por sua vez geraram as estruturas membranosas internas.
 
Além disso, pode também ter havido o aumento de complexidade graças ao processo de endossiombiose ou simbiogênese, no qual as células eucariontes primitivas fagocitaram células procariontes, mas ao invés de digeri-las, mantiveram-nas em seu interior pois isso lhes conferia vantagens adaptativas. Bons exemplos de organelas que podem ter surgido assim são as mitocôndrias e os cloroplastos, que possuem duas membranas, DNA e ribossomos próprios além de poderem se duplicar.
 

Esquema mostrando como poderiam ter surgido e se desenvolvido as células eucariontes.
 
E assim, uma vez que a vida surgiu, pôde evoluir e gerar a enorme biodiversidade que conhecemos. Para terminar, no tocante à questão “o que é vida?” a NASA define da seguinte forma: a vida como a conhecemos, aqui na Terra, é um sistema químico autossustentável capaz de evoluir por mecanismos darwinianos. 
 
 
 
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15209075
https://www.forbes.com/sites/jamiecartereurope/2020/08/26/what-is-panspermia-new-evidence-for-the-wild-theory-that-says-we-could-all-be-space-aliens/?sh=69581af96543
https://kids.frontiersin.org/articles/10.3389/frym.2019.00076
https://astrobiology.nasa.gov/research/life-detection/about/

A REPLICAÇÃO DO DNA

A REPLICAÇÃO DO DNA

Maximiliano Mendes

Antes de começar a ler é importante que você tenha bem fundamentados os conceitos sobre a estrutura da molécula de DNA. Se precisar recordar ou aprender, clique aqui antes: http://maxaug.blogspot.com.br/2013/03/os-acidos-nucleicos-e-os-nucleotideos.html

A replicação do DNA é o processo de Síntese de novas cadeias ou “fitas” de nucleotídeos de DNA que ocorre antes da divisão celular, na fase S da interfase e permite que as células filhas tenham a mesma quantidade de moléculas de DNA cromossomal da célula mãe. A partir de uma molécula de DNA, obtêm-se duas, por isso o processo também é chamado de duplicação.

Veremos aqui um resumo simplificado e generalizado do processo:

Inicialmente um complexo enzimático contendo a enzima helicase se liga à molécula de DNA em uma região, uma sequência de nucleotídeos, chamada origem de replicação. Um cromossomo circular bacteriano tem normalmente apenas uma origem de replicação, ao passo que as moléculas de DNA maiores, como as dos cromossomos, têm várias. A enzima helicase separa as duas cadeias de DNA: ocorre a quebra das ligações de hidrogênio que as mantinham unidas.

Helicase (representada pelo zíper) separando as duas cadeias de DNA.

Aqui nesse vídeo se pode ver um modelo da helicase atuando:

http://www.youtube.com/watch?v=h9OZL0jOmTU

Em seguida, as chamadas proteínas de ligação à cadeia simples (SSBP – single strand binding proteins) se ligam às cadeias separadas e impedem que elas voltem a se unir (na imagem abaixo elas são representadas pelos clipes).

Antes que a replicação propriamente dita aconteça, ocorre a ligação de uma enzima chamada primase, que sintetizará um fragmento de cadeia simples de RNA, chamado primer ou iniciador de RNA, pareado ao DNA e com nucleotídeos cujas bases nitrogenadas são complementares às da cadeia de DNA que serviu de molde. Isso é necessário para que haja a ligação do complexo enzimático DNA polimerase, responsável por sintetizar uma nova cadeia de DNA: a DNA polimerase não consegue iniciar a síntese de uma nova cadeia de DNA do “zero”, o que ela faz é continuar a sintetizar uma cadeia que já existe, por isso tem de haver esse iniciador. Inicialmente apenas uma primase se liga em apenas uma das cadeias, porém, posteriormente, mais primases se ligarão à outra cadeia de DNA. Após a síntese do iniciador de RNA, a primase se desliga/dissocia da molécula de DNA.

Agora o complexo enzimático responsável pela síntese de novas cadeias de DNA, contendo a enzima DNA polimerase se liga à cadeia de DNA, na ponta do iniciador de RNA, e começa a fazer a leitura das bases nitrogenadas da cadeia de DNA que serve de molde, adicionando nucleotídeos com bases nitrogenadas complementares à nova cadeia que está sendo sintetizada (lembre-se de que Adenina pareia com Timina e Citosina com Guanina). Em E. coli, a taxa na qual as DNAs polimerases adicionam nucleotídeos à cadeia em crescimento pode chegar até 1000 nucleotídeos por segundo, ao passo que nas nossas células é de 50-100 por segundo.

A síntese das novas cadeias de DNA requer bastante energia, fornecida pelos próprios nucleotídeos utilizados na síntese, pois eles são trifosfatos (ATP, CTP, GTP e TTP, contendo desoxirribose e não ribose) e, por conta disso, pode haver a liberação da energia contida em duas ligações entre grupos fosfatos. Quando já estão constituindo as cadeias de DNA, os nucleotídeos são monofosfatos.

E assim a síntese prossegue nas duas cadeias da molécula de DNA. Note que a nova cadeia que está sendo sintetizada na parte de cima da figura é produzida continuamente, pois, uma vez ligado à cadeia de DNA, o complexo DNA polimerase só se desliga ao término do processo de replicação, por isso, essa cadeia é chamada contínua e só necessita de um primer. O mesmo não ocorre na cadeia que está sendo sintetizada na parte de baixo da figura. Nesse caso, é preciso que a helicase aos poucos vá abrindo a molécula de DNA mãe para que as DNA polimerases possam se ligar na porção que acabou de ter suas duas cadeias separadas (parte da direita da figura). Assim, essa cadeia de baixo é sintetizada de maneira descontínua, requerendo a síntese de vários primers de RNA e a ligação de várias DNA polimerases. Por isso é chamada cadeia descontínua. Cada fragmento da cadeia descontínua é chamado de fragmento de Okazaki. Antes do término do processo, outras enzimas irão remover os primers de RNA, adicionar nucleotídeos de DNA e ligar todos os fragmentos das novas cadeias.

De maneira simplificada, o motivo pelo qual uma das cadeias é sintetizada de maneira contínua e a outra não é que as duas cadeias da molécula de DNA são antiparalelas: cada cadeia de nucleotídeos tem uma extremidade que termina no grupo fosfato do nucleotídeo (5' fosfato ou 5' OPO3-), enquanto a outra extremidade termina no grupo hidroxila pertencente à pentose (3' OH). Veja a imagem a seguir:

Como mencionado, a DNA polimerase não inicia uma cadeia do zero, ela continua a síntese a partir de uma cadeia pré-existente, por isso há a necessidade dos iniciadores de RNA. O detalhe a mais é que as DNA polimerases também precisam de uma extremidade 3' OH para se ligar, então, uma das cadeias é sintetizada de maneira descontínua, na medida em que mais desses iniciadores vão sendo gerados e fornecendo terminais 3' OH para que as DNA polimerases se liguem. Veja a imagem a seguir. Observe que as DNA polimerases leem as cadeias de DNA molde (na imagem, na cor azul escura) no sentido 3' para o 5' delas, ao passo que sintetizam as novas cadeias (em azul claro) no sentido 5' para o 3'.

A imagem mostra um resumo da replicação do DNA, mostrando algumas das principais enzimas responsáveis pelo processo e como as duas cadeias são sintetizadas.

Enfim, ao término do processo, obtêm-se duas novas moléculas de DNA a partir de uma. Cada uma das novas moléculas têm uma cadeia nova, que acabou de ser sintetizada, e uma cadeia velha, da molécula mãe, que serviu de molde para a síntese da cadeia nova. Devido ao fato de que as moléculas novas de DNA possuem uma cadeia velha e uma nova, a replicação é dita semiconservativa. (Além disso, devido ao fato de que uma das cadeias é sintetizada de maneira descontínua, também se pode dizer que a replicação também é semidescontínua).

Parece simples, mas nem tanto, óbvio. Inclusive é conveniente mencionar sobre o experimento de Meselson & Stahl, realizado em 1958, no qual se demonstrou que a replicação é semiconservativa (por que é um assunto bom para cair nas provas e cai mesmo). Em resumo, nesse experimento, inicialmente os pesquisadores cultivaram E. coli em meio contendo ¹⁵N, o isótopo pesado do nitrogênio (tem um nêutron a mais). Esse isótopo foi incorporado às bases nitrogenadas dos nucleotídeos de maneira que as moléculas de DNA passam a ser "pesadas". Em seguida, algumas dessas primeiras bactérias foram cultivadas em meio contendo o isótopo ¹⁴N e logo após o primeiro ciclo de replicação do DNA essas moléculas foram isoladas e analisou-se a densidade delas em uma centrífuga e elas também foram comparadas com a densidade das moléculas de DNA pesadas das primeiras bactérias e com as moléculas de DNA de bactérias cultivadas em ¹⁴N por várias gerações (DNA "leve"). O resultado foi que as moléculas de DNA das bactérias cultivadas em ¹⁵N e que passaram por um ciclo de replicação em meio com ¹⁴N apresentam moléculas de DNA com densidade intermediária, pois as cadeias novas sintetizadas nesse primeiro ciclo de replicação incorporam os nucleotídeos contendo o isótopo ¹⁴N, porém, conservam uma cadeia mãe, cujos nucleotídeos possuem o ¹⁵N. Veja a imagem abaixo.

Para finalizar é bom destacar que as DNA polimerases são capazes de efetuar uma checagem de erros caso tenham adicionado um nucleotídeo cuja base nitrogenada não seja o par correto do que foi lido na cadeia mãe. Caso isso ocorra, elas removem o nucleotídeo mal pareado e o substituem por um que forme o par de maneira correta. Caso os nucleotídeos mal pareados escapem desse mecanismo de reparo, ainda há um segundo, no qual outras enzimas removem o(s) nucleotídeo(s) mal pareado(s) para que uma DNA polimerase possa acrescentar os que formem pares de maneira adequada. Esse sistema de reparos é bastante eficaz e a taxa de erros é estimada em um nucleotídeo a cada 1 bilhão, mas claro, os diversos agentes mutagênicos podem aumentar essa taxa.

O vídeo abaixo mostra um modelo resumido do processo. Tem legendas em língua portuguesa (tem de acionar):

https://youtu.be/TNKWgcFPHqw - Dá um joinha lá ;)

REFERÊNCIAS

Berg, JM et al. Biochemistry. 8th ed. WH Freeman. 2015.

Campbell, Reece et al. Biologia. 8ª Ed. Artmed. 2010.

http://en.wikipedia.org/wiki/Helicase

http://en.wikipedia.org/wiki/Origin_of_replication

http://en.wikipedia.org/wiki/RNA_primers

http://www.johnkyrk.com/DNAreplication.pt.html

http://www.wiley.com/college/pratt/0471393878/student/animations/dna_replication/

http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072943696/student_view0/chapter3/animation__dna_replication__quiz_1_.html

http://www.courses.fas.harvard.edu/~biotext/animations/replication1.swf
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3391330/
https://www.nature.com/scitable/popular-discussion/885
https://courses.lumenlearning.com/suny-osbiology2e/chapter/dna-replication-in-eukaryotes/

A água: propriedades e importância para os organismos

ÁGUA: PROPRIEDADES E IMPORTÂNCIA PARA OS ORGANISMOS

Maximiliano Mendes

Sem água a vida como conhecemos não poderia existir. Essa molécula é tão importante que só um dia de falta d’água na vizinhança é capaz de tirar muita gente do sério: a nossa hidratação e a nossa higiene podem ficar comprometidas e pior ainda é saber que há conflitos no oriente médio e na Ásia central pelo controle de fontes de água.  E por que a água é tão essencial? Por conta das suas propriedades físico-químicas (cor, ponto de fusão, opacidade, calor de combustão, viscosidade, pH e etc). Essas são as propriedades que nos permitem identificar e saber mais sobre a natureza da substância. Vejamos mais sobre ela:

Cerca de 70 % da superfície do planeta é coberta por água e acredita-se que a vida tenha surgido no ambiente aquático. Isso contribui para que ela seja uma molécula tão essencial para os organismos até hoje. A maior parte da massa de um ser vivo é constituída de água, de 70 – 80 % (o percentual pode variar de acordo com o tipo de tecido, sendo de aproximadamente 20 % no tecido ósseo e por volta de 85 % para o tecido nervoso cerebral). Além disso, as reações metabólicas ocorrem em meio aquoso, pois a água é um solvente (comentaremos mais sobre isso adiante).

A fórmula molecular da água é H₂O e sua estrutura pode ser vista na figura abaixo:

Vemos que a molécula de água não é linear, como o CO2, ela é angular e o átomo de oxigênio é mais eletronegativo que o de hidrogênio, então, na molécula de água ele atrai os elétrons compartilhados nas ligações covalentes com maior intensidade, de forma que fica com uma densidade eletrônica maior e carga parcial negativa (δ^-), visto que os elétrons têm carga negativa. Ao mesmo tempo, por terem seus elétrons atraídos pelo oxigênio, os hidrogênios ficam com carga parcial positiva (δ⁺) (é como se a tendência fosse eles perderem cargas negativas). Por conta disso, a molécula de água é polar: têm um polo (região) negativo e um polo positivo, resultantes da distribuição eletrônica desigual, como se pode ver na figura acima. Lembre-se de que nas ligações covalentes os elétrons são compartilhados e não doados ou recebidos como nas ligações iônicas, por isso as cargas são parciais.

Em decorrência de sua polaridade e estrutura, a molécula de água pode formar ligações de hidrogênio entre si e com outras moléculas polares. A ligação de hidrogênio é uma interação na qual um átomo bastante eletronegativo, com carga parcial negativa, atrai para si um hidrogênio com carga parcial positiva de uma molécula vizinha. Cada molécula de água pode formar até quatro ligações de hidrogênio: duas para cada átomo de hidrogênio (δ⁺) e duas para cada par de elétrons livres do oxigênio (δ^-). No Estado sólido as moléculas de água estão dispostas de modo que formam quatro ligações de hidrogênio umas com as outras e disso decorre que ficam mais afastadas. Assim, a água no estado sólido é menos densa que a água no estado líquido, por isso o gelo boia na água.

Graças às ligações de hidrogênio, as moléculas de água tendem a se manter unidas, coesas, e podem formar uma “película” na superfície em contato com o ar, por isso alguns insetos conseguem andar na superfície da água sem afundar, pois a força peso que exercem sobre a superfície da água não é o bastante para romper essa película (note que esses insetos não estão boiando sobre a superfície da água!). Acredita-se que o transporte de seiva bruta nas plantas só é possível por conta das forças de coesão, de modo que podem, por capilaridade, ascender no xilema. 

Ainda devido às suas propriedades físico-químicas, a água pode atuar como solvente. Um solvente é uma substância que atua separando agregados ou cristais de outras substâncias. Ao conjunto solvente mais substância ou composto iônico dissolvido damos o nome de solução. Às substâncias ou íons dissolvidos no solvente, ou seja, em solução, damos o nome de solutos. Por exemplo, a água pode dissolver um cristal de sal de cozinha (NaCl) ao interagir e separar os íons componentes, o Na⁺, que interage com o oxigênio de carga parcial negativa, e o Cl^-, que interage com os hidrogênios de carga parcial positiva.

As substâncias podem ser classificadas em dois tipos, de acordo com sua afinidade pela molécula de água:

• Hidrofílicas: são moléculas polares, têm afinidade pela água e podem ser dissolvidas em água. Ex: os glicídios.
• Hidrofóbicas: são moléculas apolares, não têm afinidade pela água e não se dissolvem na água. Os principais exemplos são os lipídios.

A água também está envolvida em diversas reações químicas que ocorrem dentro das células, sendo basicamente:

• Desidratação: a água é produto da reação. Exemplo: A + B --> C + H₂O
• Hidrólise: a água é reagente na reação. Exemplo: D + H₂O --> E + F

Outra função importante da água, que também se deve às suas propriedades físico-químicas, é a de moderadora da temperatura do organismo: ela previne variações bruscas de temperatura. Os motivos pelos quais ela é capaz de atuar dessa forma são:

• Calor específico elevado: É difícil esquentar ou esfriar a água.
• Calor latente de vaporização elevado: Ela “rouba” bastante calor quando evapora, pois para isso é preciso romper as ligações de hidrogênio. Graças a isso pode resfriar o organismo e evitar o superaquecimento.
• Calor latente de fusão elevado: A água tem de liberar muito calor para congelar, ou seja, não congela facilmente.

Atenção para as definições:

• Calor específico: quantidade de calor que um grama de uma substância deve absorver para elevar sua temperatura em 1° C, sem que haja mudança de estado físico.
• Calor latente de vaporização: quantidade de calor absorvida durante a vaporização de uma substância em seu ponto de ebulição.
• Calor latente de fusão: quantidade de calor necessária para transformar um grama de uma substância no estado sólido para o estado liquido, na temperatura de fusão.

Referências:

Amabis & Martho. Biologia das Células. Moderna. 2010.

Campbell, Reece et al. Biologia. 8ª ed. Artmed. 2010.

http://en.wikipedia.org/wiki/Animal_locomotion_on_the_water_surface

http://en.wikipedia.org/wiki/Water_conflict

http://apod.nasa.gov/apod/ap120515.html
http://www.iun.edu/~cpanhd/C101webnotes/matter-and-energy/properties.html

Gostou do material? Achou útil? Quer me ajudar? Clique nos anúncios e no G+1.