Aula 1 - Termodinâmica Aplicada a Bioenergética

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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?
Full loaded weight = 49500 kg
Energy expenditure = 16760 kW
Max. Speed = 295 km/h
Mil Mi-26
Do ponto de vista energético 
a engenharia não é comparável à biologia
Full loaded weight = 49500 kg
Energy expenditure = 16760 kW
Max. Speed = 295 km/h
Mil Mi-26
Locusta migratoria
Full loaded weight = 2 g
Energy expenditure = 8,72 kW
Max. Speed = 20 km/h
Do ponto de vista energético 
a engenharia não é comparável à biologia 
Full loaded weight = 49500 kg
Energy expenditure = 16760 kW
Max. Speed = 295 km/h
Relative energy flow
338,6 W/kg
Mil Mi-26
Locusta migratoria
Full loaded weight = 2 g
Energy expenditure = 8,72 kW
Max. Speed = 20 km/h
Relative energy flow
4.360.000 W/kg
Do ponto de vista energético 
a engenharia não é comparável à biologia 
Locusta migratoria
Relative energy flow
4.360.000 W/kg
Do ponto de vista energético 
a engenharia não é comparável à biologia 
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
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 - TDS
Energia 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 > 0
Exergônica - SPONTANEOUS, DG < 0
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 entalpia
Diminui (ΔH < 0). No laboratório as reações exotérmicas produzem calor e podem ser explosivas!!!. 
A energia livre de Gibbs depende 
da variação de calor e desordem do sistema
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
Condiçõesdesfavoráveis
H < 0
H > 0
S > 0
S < 0
Perguntas:
Qual o sinal (+, 0 ou -) de DG, DH e DS 
da dissolução de NaOH ?
Perguntas:
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
Excreta
Calor
H2O
Nutrientes 
Qual a origem da energia nos sistemas biológicos?
Avaliação 1: 
Relatório sobre o conteúdo energéticos 
dos alimentos
Grupos de 3 alunos
Quais os nutrientes energéticos mais frequentes nos rótulos.
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