Aula 1

Termodinâmica aplicada a bioenergética

“Bioenergética” no Google

1.260.000 hits- 2011

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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

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“Bioenergética” in www.ncbi.nih.gov/pubmed

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30 % dos sites referem-se a Bioenergética como ciência !!!

Usain Bolt100 m em 9,58s Velocidade: 10,43 m/sVelocidade: 37,55 km/h

200 m em 19,19s Velocidade: 10,42 m/sVelocidade: 37,55 km/h

GafanhotoMigratórioLocusta migratoria

Máx. altitude = 2438 mVelocidade: 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 diaigual a um gafanhoto?

Full loaded weight = 49500 kgEnergy expenditure = 16760 kWMax. Speed = 295 km/h

Mil Mi-26

Do ponto de vista energético a engenharia não é comparável à biologia

Full loaded weight = 49500 kgEnergy expenditure = 16760 kWMax. Speed = 295 km/h

Mil Mi-26Locusta migratoria

Full loaded weight = 2 gEnergy expenditure = 8,72 kWMax. Speed = 20 km/h

Do ponto de vista energético a engenharia não é comparável à biologia

Full loaded weight = 49500 kgEnergy expenditure = 16760 kWMax. Speed = 295 km/h

Relative energy flow338,6 W/kg

Mil Mi-26Locusta migratoria

Full loaded weight = 2 gEnergy expenditure = 8,72 kWMax. Speed = 20 km/h

Relative energy flow4.360.000 W/kg

Do ponto de vista energético a engenharia não é comparável à biologia

Locusta migratoria

Relative energy flow4.360.000 W/kg

Do ponto de vista energético a engenharia não é comparável à biologia

Os primórdios da bioenergética

AntiguidadeA 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

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 ?

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 ?

Guilhotinado em 8 de Maio de 1794, pelo tribunal revolucionário

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”

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

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

Três leis da termodinâmica

3a. Lei da termodinâmica:“A entropia de um cristal perfeito é zero quando a temperatura absoluta é zero (0 K)”.

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”.

Três leis da termodinâmica

3a. Lei da termodinâmica:“A entropia de um cristal perfeito é zero quando a temperatura absoluta é zero (0 K)”.

CO2

Excreta

Calor

H2O

Nutrientes

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)

DG = DH - TDSEnergia Livre de Gibbs (G)

Entalpia (H)

Entropia (S)

A espontaneidade de qualquer reação depende da variação de energia livre de Gibbs

Endergônica - Não-espontanea, DG > 0Exergônica - SPONTANEOUS, DG < 0

Energia Livre de Gibbs (G)

Qdade de energia livre para realizar W Espontaneidade das reaçõesDG < 0 (-) liberação energia = ExergonicoDG > 0 (+) absorção energia = Endergonico

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)

Grau de aleatoriedade ou desordem de um sistema.

DS [S produtos – S reagentes] < 0 (-) Menos desorganizadosDS [S produtos – S reagentes] > 0 (+) Mais desorganizados(J/mol . K ou cal/mol . K)

DG = 0 Reação em equilibrio(J/mol ou cal/mol)

A energia livre de Gibbs depende da variação de calor e desordem do sistema

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 entalpiaDiminui (ΔH < 0). No laboratório as reações exotérmicas produzem calor e podem ser explosivas!!!.

Energia Livre de Gibbs (G)

Qdade de energia livre para realizar W Espontaneidade das reaçõesDG < 0 (-) liberação energia = ExergonicoDG > 0 (+) absorção energia = Endergonico

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)Grau de aleatoriedade ou desordem de um sistema.

DS [S produtos – S reagentes] < 0 (-) Menos desorganizadosDS [S produtos – S reagentes] > 0 (+) Mais desorganizados(J/mol . K ou cal/mol . K)

DG = 0 Reação em equilibrio(J/mol ou cal/mol)

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 Espontaneidade das reaçõesDG < 0 (-) liberação energia = ExergonicoDG > 0 (+) absorção energia = Endergonico

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)Grau de aleatoriedade ou desordem de um sistema.

DS [S produtos – S reagentes] < 0 (-) Menos desorganizadosDS [S produtos – S reagentes] > 0 (+) Mais desorganizados(J/mol . K ou cal/mol . K)

DG = 0 Reação em equilibrio(J/mol ou cal/mol)

A energia livre de Gibbs depende da variação de calor e desordem do sistema

Espontaneidade das reações

Qual a relação existente entre a variação de energia livre de Gibbs,

a entalpia e a entropia?

Condições favoráveis Condições desfavoráveisH < 0 H > 0S > 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 GibbsH – entalpiaS - 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

Excreta

Calor

H2O

Nutrientes

Qual a origem da energia nos sistemas biológicos?

Avaliação 1: Relatório sobre o conteúdo energéticos

dos alimentosGrupos de 3 alunos

1) Quais os nutrientes energéticos mais frequentes nos rótulos.

2) 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)7COOHMW 254

Corpo + O2 CO2 + H2O + Calor

Arginine : C6H15O2N4 = 2,5 H/C : 0,086 H/gMW 175

Glucose : C6H12O6 = 2 H/C : 0,067 H/gMW 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