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27/3/2011 1 A PRINCIPAL PROPRIEDADE DOS SERES VIVOS •Cada célula, organismo, etc, pode ser considerado um sistema. Sistema: parte do universo onde se pretende analisar as transformações de energia. Vizinhança: tudo ao redor do sistema. Sistemas quanto a relação com sua vizinhança: fechado → não troca matéria com sua vizinhança, mas há de energia. ex.: bloco aquecido submerso em água. (bloco → água) adiabático → não troca matéria ou energia com sua vizinhança. ex.: combustão dentro de cilindro com paredes adiabáticas. aberto→ há troca de matéria e energia com sua vizinhança. ex.: motores, sistemas vivos. Energia trocada: calor, luz captada para fotossíntese. Matéria trocada: alimento ingerido, CO2 liberado pela respiração. POR QUE SISTEMAS ABERTOS? Diálise renal: processo biofísico de troca de biomoléculas por uma membrana semipermeável de acordo com seus gradientes. uréia interstício Na+, Cl- 25°C sangue 37°C interstício 25°C SISTEMAS BIOLÓGICOS SÃO CAPAZES DE: A) Estocar e converter energia B) Sintetizar a maioria dos seu próprios constituintes C) Fazer a manutenção de suas estruturas e taxas internas D) Moldar o ambiente externo e responder a seus estímulos E) Reproduzir-se energia luminosa → energia química ex.: fotossíntese energia química → energia mecânica ex.: movimento flagelar, contração muscular energia química → energia luminosa ex.: bioluminescência energia potencial → energia química ex.: gradiente de pH⇒ATP A) Transdução de energia: conversão de uma forma de energia em outra Tendência natural: proteínas → aminoácidos → CO2 + H2O + NH4+ Sistemas vivos: CO2 + H2O + NH4+ ⇒ aminoácidos⇒ proteínas Os organismos nunca se encontram em equilíbrio com suas vizinhanças. B) Aumento da ordem molecular: exemplo: glicemia (em mg/100 ml de sangue) 60 ⇐ 80 100 ⇒ 250 hipoglicemia aceitável hiperglicemia C) Homeostase: manutenção de taxas (steady state) exemplo: freqüência cardíaca (em batimentos por minuto) 60 ⇐ 80 120 ⇒ 160 baixa aceitável alta 27/3/2011 2 Processo dirigido pelas informações presentes no conteúdo de cada célula ou indivíduo. • Sexuada (com troca de material genético) ⇒ variabilidade dentro da espécie. • Assexuada (sem troca de material genético) ⇒ elevado número de organismos. D) Reprodução: E) TROCA DE INFORMAÇÕES • Além de trocar energia e matéria com meio exterior (ou por trocar...), os sistemas vivos são ainda capazes mudar seu meio ou de responder aos seus estímulos. como respondem: dilatação da pupilas, aceleração dos batimentos cardíacos, aumento da frequência respiratória, salivação, etc... como alteram: marés vermelhas, diminuição do albedo terrestre, formação da camada de ozônio, etc... BIOENERGÉTICA: ramo da termodinâmica que estuda a transformação de energia nos sistemas vivos • Os sistemas vivos, como qualquer sistema, obedecem aos princípios da termodinânica: 1o Princípio: conservação de energia 20 Princípio: entropia A principal lei da Bioenergética é fundamentada nestes dois princípios da termodinâmica. 1o Princípio da Termodinâmica: princípio da conservação de energia “apesar da energia poder mudar de forma, toda a energia do universo permanece constante” calor (q) V1 T1 E1 P1 V2 E2 T2 P2 A variação da energia interna do sistema (∆∆∆∆E) pode ser descrita: ∆∆∆∆E = E2 - E1 ou ∆∆∆∆E = q - w ⇒⇒⇒⇒ q = ∆∆∆∆E + w Conclusão: a energia fornecida na forma de calor não se perdeu; apenas se transformou em trabalho físico (w) e acréscimo de energia interna (∆∆∆∆E). • Sabendo que energia não se perde, apenas se transforma, os bioquímicos utilizam o calorímetro para medir o conteúdo calórico das moléculas. • Na ausência de trabalho físico significante: w = 0 ⇒⇒⇒⇒ q = ∆∆∆∆E = ∆∆∆∆H (entalpia) qdo uma reação/processo libera calor⇒⇒⇒⇒ ∆∆∆∆H < 0⇒⇒⇒⇒ exotérmica qdo uma reação/processo consome calor ⇒⇒⇒⇒ ∆∆∆∆H > 0⇒⇒⇒⇒ endotérmica ignição ác. palmítico termômetro 2o Princípio da Termodinâmica: princípio da entropia “o universo sempre tende ao máximo de desordem, isto é, ∆∆∆∆S > 0” ∆∆∆∆S = Sb - Sa > 0 qdo ∆∆∆∆S > 0: na expansão de um gás; na dissolução de um soluto; na diminuição da ordem molecular (moléculas complexas gerando simples); na conversão de sólidos em líquidos, e líquidos em gases; etc. 27/3/2011 3 • A espontaneidade de uma reação ou de um processo bioquímico depende de um balanço entre o quanto de calor é liberado pela reação/processo (entalpia) e no quanto a reação/processo contribui para aumentar a desordem (entropia) do sistema. • A variação (∆∆∆∆) de energia livre de Gibbs (G) é o termo usado pelos bioquímicos para descrever o saldo de energia de uma reação que pode ser convertido em trabalho útil para os seres vivos. ∆∆∆∆H = ∆∆∆∆G + T ∆∆∆∆S ou ∆∆∆∆G = ∆∆∆∆H - T ∆∆∆∆S • Em outras palavras, G é a parcela de energia do conteúdo calórico de uma substância que não se “perde” na desorganização dos sistema, sendo capaz de sustentar o anabolismo dos seres vivos. • Sabendo que a temperatura (T) nos seres vivos é relativamente constante, a variação da espontaneidade de uma reação (sinal de ∆∆∆∆G) é função apenas dos sinais de ∆∆∆∆H e ∆∆∆∆S. ∆∆∆∆H ∆∆∆∆S ∆∆∆∆G = ∆∆∆∆H - T ∆∆∆∆S - + A reação é tanto entalpica quanto entropicamente favorável (completamente espontânea) - - A reação é apenas entalpicamente favorável. Sua espontaneidade depende de ∆∆∆∆H ser muito negativo + + A reação é apenas entropicamente favorável. Sua espontaneidade depende de ∆∆∆∆S ser muito positiva. + - A reação é tanto entalpica quanto entropicamente desfavorável (completamente não espontânea) qdo ∆∆∆∆G > 0 (+) ⇒⇒⇒⇒ reação desfavorável ⇒⇒⇒⇒ endergônica qdo ∆∆∆∆G < 0 (-) ⇒⇒⇒⇒ reação favorável ⇒⇒⇒⇒ exergônica Fermentação de glicose a etanol Combustão do etanol Quebra do pentóxido de nitrogênio C6H12O6 →→→→ 2 C2H5OH + 2CO2 C2H5OH + 3O2 →→→→ 2CO2 + 3H2O N2O5 →→→→ 2NO2 + 1/2 O2 (s) (l) (g) (l) (g) (g) (l) (s) (g) (g) entalpia favorável entalpia favorável entalpia desfavorável entropia favorável entropia desfavorável entropia favorável • Exemplos de reações exergônicas (∆∆∆∆G negativo) • Nos seres vivos, várias reações importantes são endergônicas (∆∆∆∆G positivo). Para acontecerem, tais reações são acopladas a reações exergônicas, que lhes fornecem a energia necessária (trabalho bioquímico). fosforilação da glicose: glicose + fosfato →→→→ glicose-6-fosfato ∆∆∆∆G = +14 kj/mol hidrólise do ATP: ATP →→→→ ADP + fosfato ∆∆∆∆G = -31 kj/mol glicose + ATP →→→→ glicose-6-fosfato + ADP ∆∆∆∆G = -17 kj/mol hidrólise do fosfoenolpiruvato: PEP →→→→ piruvato + fosfato ∆∆∆∆G = -62 kj/mol fosforilação do ATP: ADP + fosfato →→→→ ATP ∆∆∆∆G = +31 kj/mol ADP + PEP →→→→ piruvato + ATP ∆∆∆∆G = -31 kj/mol CONCLUSÕES SOBRE SISTEMAS BIOLÓGICOS Lehninger, 1993 “Organismos vivos criam e mantém suas complexas estruturas às custas da energia obtida a partir de seu meio” “Uma célula é um sistema isotérmico capaz de delimitar a si próprio, construir a si próprio, ajustar a si próprio e propagar a si próprio, a partir de energia e matéria elementar captada de seu meio.” “A célula mantém a si própria em um estado de steady state dinâmico, porém longe do equilíbrio com seu meio”
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