Aula 1
Termodinâmica aplicada a bioenergética
“Bioenergética” no Google
1.260.000 hits- 2011
1.350.000 hits -2014
Bioenergetics is the subject of a field of biochemistry that concerns energy flow
through living systems.
This is an active area of biological research that includes the study of thousands of
different cellular processes such as cellular respiration and the many other
metabolic processes that can lead to production and utilization of energy in forms
such as ATP molecules.
“Bioenergética” no Google em 03 de Agosto de 2011
1.260.000 hits
“Bioenergética” in www.ncbi.nih.gov/pubmed
379,166 hits
30 % dos sites referem-se a Bioenergética como ciência !!!
Usain Bolt
100 m em 9,58s
Velocidade: 10,43 m/s
Velocidade: 37,55 km/h
200 m em 19,19s
Velocidade: 10,42 m/s
Velocidade: 37,55 km/h
Gafanhoto
Migratório
Locusta migratoria
Máx. altitude = 2438 m
Velocidade: 20 km/h
A mais recente “praga bíblica”
O enxame de gafanhotos migratórios de 1987
no Egito
A mais recente “praga bíblica”
O enxame de gafanhotos migratórios de 1987
DEZ DIAS DEPOIS …
Bolt é mais rápido, mas poderia correr 100 km por dia
igual a um gafanhoto?
Do ponto de vista energético
a engenharia não é comparável à biologia
Mil Mi-26
Full loaded weight = 49500 kg
Energy expenditure = 16760 kW
Max. Speed = 295 km/h
Do ponto de vista energético
a engenharia não é comparável à biologia
Locusta migratoria
Mil Mi-26
Full loaded weight = 2 g
Energy expenditure = 8,72 kW
Max. Speed = 20 km/h
Full loaded weight = 49500 kg
Energy expenditure = 16760 kW
Max. Speed = 295 km/h
Do ponto de vista energético
a engenharia não é comparável à biologia
Locusta migratoria
Mil Mi-26
Full loaded weight = 2 g
Energy expenditure = 8,72 kW
Max. Speed = 20 km/h
Full loaded weight = 49500 kg
Energy expenditure = 16760 kW
Max. Speed = 295 km/h
Relative energy flow
4.360.000 W/kg
Relative energy flow
338,6 W/kg
Do ponto de vista energético
a engenharia não é comparável à biologia
Locusta migratoria
Relative energy flow
4.360.000 W/kg
Os primórdios da bioenergética
Antiguidade
A chama da vida.
Vida = água, calor, ar e fogo.
Hipócrates (460 a.c.)
Doenças como manifestações dos 4 elementos.
Aristóteles (384 a.c.)
O quinto elemento: a alma da matéria.
Johann Joachim Becher (1667) e Georg Ernst Stahl (1703)
Flogístico (Princípio do fogo). A matéria precisa de flogístico e ar
para a sua combustão.
Antoine-Laurent de Lavoisier
(26 August 1743 – 8 May 1794)
Qual a natureza quimica dos gases
produzidos pela respiração?
Experimento 1: Natureza química dos gases da
respiração
Experimento 2: Relação entre trabalho e a
produção dos gases da respiracao
Há uma relação de proporcionalidade
entre a respiração e a combustão ?
Calorímetro de Lavoisier-La Place
Há uma relação de proporcionalidade
entre a respiração e a combustão ?
Há uma relação de proporcionalidade
entre a respiração e a combustão ?
“A respiração é portanto uma combustão, muito lenta é verdade,
mas de qualquer forma perfeitamente semelhante à combustão
do carvão ou de qualquer outra matéria orgânica. Ela ocorre no
interior dos pulmões sem produzir luz perceptível, porque a
matéria liberada pelo fogo é imediatamente absorvida pela
umidade dos tecidos”.
(Lavoisier, 1787, vol. II, 331)
Há uma relação de proporcionalidade
entre a respiração e a combustão ?
Corpo + O2
CO2 + H2O + Calor
Lavoisier (Tratado de Quimica Elementar, 1789)
Lei da conservação das massas:
“Matéria não se cria nem se destroi, se transforma”
Guilhotinado em 8 de Maio de 1794, pelo tribunal revolucionário
Corpo + O2
CO2 + H2O + Calor
O fluxo de energia na biosfera
Corpo + O2
CO2 + H2O + Calor
organismo + O2
CO2 + H2O + Calor
Organsimo + O2
CO2 + H2O + Luz
Os sistemas biológicos trocam energia
e matéria com o ambiente
Três leis da termodinâmica
1a. Lei da termodinâmica:
“Lei da conservação da energia”.
Em um sistema fechado, o total de energia permanece
constante.
Três leis da termodinâmica
2a. Lei da termodinâmica:
“Nenhum processo natural ocorre a menos que seja
companhado por um aumento da desordem do universo”
Três leis da termodinâmica
3a. Lei da termodinâmica:
“A entropia de um cristal perfeito é zero quando a temperatura
absoluta é zero (0 K)”.
Três leis da termodinâmica
1a. Lei da termodinâmica:
“Lei da conservação da energia”.
Em um sistema fechado, o total de energia permanece
constante.
“Na Natureza, nada se cria, nada se destrói … Tudo se
transforma”
2a. Lei da termodinâmica:
“Nenhum processo natural ocorre a menos que seja
companhado por um aumento da desordem do universo”
“A desordem de um sistema tende espontaneamente a
aumentar”.
3a. Lei da termodinâmica:
“A entropia de um cristal perfeito é zero quando a temperatura
absoluta é zero (0 K)”.
CO2
Nutrientes
Excreta
Calor
H2O
Energia é a capacidade de um sistema realizar trabalho
A energia de cada alimento depende de que??
A espontaneidade de qualquer reação
depende da energia potencial do sistema (DP)
A espontaneidade de qualquer reação
depende da variação de energia livre de Gibbs
Entropia (S)
Energia Livre
de Gibbs (G)
DG = DH - TDS
Entalpia (H)
Endergônica - Não-espontanea, DG > 0
Exergônica - SPONTANEOUS, DG < 0
Energia LivreAde
Gibbslivre
(G) de Gibbs depende
energia
da variação de calor e desordem doEspontaneidad
sistema
Qdade de energia livre para realizar W
DG < 0 (-) liberação energia = Exergonico
DG > 0 (+) absorção energia = Endergonico
DG = 0 Reação em equilibrio
(J/mol ou cal/mol)
Ex. Reação química.
As reações exotérmicas ocorrem espontaneamente devido a aumento do desordem
Ou entropía (ΔS > 0) do sistema. Elas tem um fluxo de energia negativo (calor é perdido no meio) e a entalpia
Diminui (ΔH < 0). No laboratório as reações exotérmicas produzem calor e podem ser explosivas!!!.
Entalpia (H)
Qdade de calor num sistema (conteúdo térmico)
DH [ H produtos – H reagentes] < 0 (-) liberação calor = exotérmica
DH [ H produtos – H reagentes] > 0 (+) absorção calor = endotérmica
(J/mol ou cal/mol)
Entropia (S)
A energia livre de Gibbs depende
DH [ H produtos – H reagentes] < 0 (-) liberação calor = exotér
da variação de calor e desordem do sistema
DH [ H produtos – H reagentes] > 0 (+) absorção calor = endot
(J/mol ou cal/mol)
Entropia (S)
Grau de aleatoriedade ou desordem de um sistema.
DS [S produtos – S reagentes] < 0 (-) Menos desorganizados
DS [S produtos – S reagentes] > 0 (+) Mais desorganizados
(J/mol . K ou cal/mol . K)
A energia livre de Gibbs depende
da variação de calor e desordem do sistema
Energia Livre de Gibbs (G)
Qdade de energia livre para realizar W
Espont
DG < 0 (-) liberação energia = Exergonico
DG > 0 (+) absorção energia = Endergonico
DG = 0 Reação em equilibrio
(J/mol ou cal/mol)
Entalpia (H)
Espontaneidade
das reações
Qdade de calor num sistema (conteúdo térmico)
Qual a relação existente entre a
variação de energia livre de Gibbs,
a entalpia e a entropia?
Condições favoráveis
H<0
S>0
Condições desfavoráveis
H>0
S<0
Perguntas:
1) Qual o sinal (+, 0 ou -) de DG, DH e DS
da dissolução de NaOH ?
Perguntas:
1) Qual o sinal (+, 0 ou -) de DG, DH e DS
da dissolução de KCl ?
Em condições de temperatura e
pressão constante uma reação
química tende a ocorrer na direção
que leva a uma queda na energía
livre de Gibbs
A + B→ C + D
Uma questão filosófica da
termodinâmica e a vida ...
Atividade 01- due date: 13fev14.
DG = DH - TDS
ATP: “moeda” energética
Hidrólise do ATP
Energia livre de Gibbs
G – energia livre de Gibbs
H – entalpia
S - entropia
Equilíbrio:
aA + bB
cC + dD
Hidrólise da fosfocreatina
= molécula de estoquagem de energia
Rotas metabólicas: conjunto de reação que produz ou
degrada um determinado produto (substrato) ou
cunjunto de produto ex: glicólise
dois tipos de rotas:
- catabólicas (onde há degradação, ou “quebra” de
compostos);
- anabólicas (que é a síntese, ou seja, formação de
compostos).
As vias catabólicas são acompanhadas por liberação
de energia livre, enquanto o anabolismo requer energia
para ser realizado.
Vias metabólicas
•Vias catabólicas: convergentes
•Vias anabólicas: divergentes
•Algumas vias são cíclicas, ou seja, um
precursor da via é regenerado por meio
de uma série de reações.
CO2
Nutrientes
Excreta
Calor
H2O
Qual a origem da energia nos sistemas biológicos?
Avaliação 1:
Relatório sobre o conteúdo energéticos
dos alimentos
Grupos de 3 alunos
1) Quais os nutrientes energéticos mais frequentes nos rótulos.
1)
Qual o conteúdo calórico (cal/g) dos tres nutrientes
energéticos mais frequentes
Relatório com as respostas
Arginine : C6H15O2N4
MW 175
Glucose : C6H12O6
MW 180
Palmitoleic acid : CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH
MW 254
Corpo + O2
CO2 + H2O + Calor
Arginine : C6H15O2N4 = 2,5 H/C : 0,086 H/g
MW 175
Glucose : C6H12O6 = 2 H/C : 0,067 H/g
MW 180
Palmitoleic acid : CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH = 1,88 H/C : 0,12 H/g
MW 254
Corpo + O2
CO2 + H2O + Calor
O conteúdo calórico na oxidação completa
de diversos nutrientes
O fluxo energético em diversas demandas energéticas