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Termodinâmica e Bioenergética

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Profa. Márcia Vanusa
Recife, 2011.
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Introdução
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Importância
Seres vivos necessitam de um fornecimento contínuo de energia, para três propósitos:
1- desempenho do trabalho mecânico na contração muscular e outros movimentos celulares;
2- Transporte ativo de moléculas iontes;
3- Síntese de macromoléculas e outras biomoléculas a partir de precursores simples;
Esses processos transformam a energia em calor, que é dissipado no ambiente;
 Aparato bioquímico celular responsável pela aquisição e utilização de energia.
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Metabolismo
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Vias metabólicas
Classes das vias metabólicas:
1- as que convertem energia em formas biologicamente ativas;
2- as que necessitam de energia para ocorrerem.
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Termodinâmica
	Estudo dos efeitos da energia que acompanham as mudanças físicas e químicas sobre a matéria.
As leis da termodinâmica: Avaliar o fluxo e intercâmbio de matéria e energia.
 Bioenergética: Ramo da termodinâmica que estuda a produção e utilização de energia em reações metabólicas nos seres vivos.
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Bioenergética
 Chamada de Termodinâmica Bioquímica;
Conhecimento da termodinâmica foi possível determinar o quanto um processo físico é possível;
 Essencial para entender:
 Macromoléculas arranjam-se nas suas conformações nativas
 Vias metabólicas são concebidas
 Tráfico das moléculas nas membranas biológicas
 Geração de força mecânica nos músculos.
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Em geral, a termodinâmica (bioquímica):
Descrição das condições sob as quais os processos ocorrem de forma espontânea;
 Revisar os elementos termodinâmicos que possibilitem predizer a espontaneidade química e bioquímica:
 1ª lei da termodinâmica 
 2ª lei da termodinâmica
 Energia Livre
 Natureza dos processos em equilíbrio
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Na Termodinâmica:
 Sistema: É tudo que está dentro de uma região definida no espaço. Ex. frasco de reação, organismo;
 O resto do universo é chamado de meio circundante ou ambiente;
 Sistema pode ser: aberto, fechado ou isolado dependendo se troca matéria e energia com o meio externo.
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Primeira lei da termodinâmica
 É uma afirmação matemática da lei de conservação de energia: a energia não pode ser criada e nem destruída
 U = Ufinal - Uinicial = q - w
U= energia
q= calor
w= trabalho
 A energia total de um sistema, incluindo o meio circundante, permanece constante.
 Entretanto, a energia pode ser transferida de uma parte para outra do sistema ou transformada em outra forma de energia.
 Sistemas vivos: A energia química pode ser transformada em energia calorífica, elétrica ou mecânica.
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Os processos pelos quais os sistemas liberam calor podem ser...
Processos exotérmicos: do grego exo, fora. Perdem calor, q é negativo.
Processos endotérmicos: do grego endo, dentro. Ganham calor, q é positivo.
Entalpia: do grego enthalpein, aquecer. É definida como:
 H = U + PV
P= pressão do sistema
V= volume
É uma função muito relacionada à anterior que representa o calor, a pressão constante, sob condições nas quais apenas é possível realizar um trabalho de expansão (do tipo pressão-volume).
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Segunda lei da termodinâmica
Processos espontâneos ocorrem na direção que leva a um aumento na desordem total do universo, isto é, do sistema e do meio externo.
A entropia total de um sistema deve aumentar quando um processo ocorre espontaneamente.
 Entropia: representa o grau de desordem ou distribuição ao acaso do sistema e torna-se máxima à medida que este se aproxima do equilíbrio.
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Energia livre
 É a energia útil de um sistema;
 formulada por J. Willard Gibbs em 1878, é o indicador de espontaneidade dos processos que ocorrem a temperatura e pressão constantes. 
 G = H - TS
 G = H - TS 
 G: variação da energia livre
 S: variação da entropia
H: variação da entalpia (calor)
T: temperatura absoluta
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Energia livre pode ser: 
Exergônica: Se G é negativa, a reação ocorrerá espontaneamente com a perda de energia livre;
Endergônica: Se G é positiva, a reação somente ocorre quando se fornecer energia livre.
Os processos endergônicos ocorrem por acoplamento a processos exergônicos
Processos vitais: Reações de síntese, contração muscular, condução de impulso nervoso e transporte ativo, obtêm energia por ligações químicas ou acoplamento a reações oxidativas.
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Exergônico = exotérmico = perda de energia livre. São denominados de catabolismo (geralmente, a quebra ou oxidação de moléculas combustíveis).
Endergônico = endotérmico = ganho de energia livre. São denominadas de anabolismo, reações de síntese que constroem as substâncias.
 O conjunto de processos catabólicos e anabólicos constituem o metabolismo.
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Metabolismo
 soma de todas as reações enzimáticas que ocorrem na célula com integração altamente coordenada
REGULAÇÃO CELULAR DAS VIAS METABÓLICAS
 velocidade de catabolismo e anabolismo
  necessidade celular de energia imediata
 ação das enzimas
  inibidas pelos produtos finais
 controle genético da velocidade de síntese enzimática
 controle hormonal
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Conversões de energia na célula
Fotossíntese 
6 CO2 + 6 H2 O  C6 H12 O6 + 6 O2 
 G‘ = + 686 Kcal
Respiração
C6 H12 O6 + 6 O2  6 CO2 + 6 H2O
  G‘ = - 686 Kcal 
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Resumo
Os sistemas biológicos utilizam energia para realizar os processos vitais;
 As reações exergônicas ocorrem espontaneamente com perda de energia livre. As reações endergônicas requerem ganho de energia livre e somente ocorrem quando acopladas a reações exergônicas;
 O ATP atua como energia corrente da célula, transferindo energia livre proveniente de substâncias de alta energia potencial para aquelas de baixa energia potencial.
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Compostos de Alta Energia que participam no Metabolismo
Fosfoenol piruvato Go’ -14,8 kcal/mol
Fosfocreatina Go’ -10,3 kcal/mol
ATP Go’ - 7,3 kcal/mol
Glicose-6-fosfato Go’ - 3,3 kcal/mol

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