Entropia e Termodinâmica em Sistemas Biológicos

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Entropia 
BIOFÍSICA - FARMÁCIA
Termodinâmica
Termodinâmica - parte da física que estuda as trocas de energia entre os sistemas materiais. 
Bioenergética - mesmo estudo, quando realizado nos seres vivos. 
As leis físicas da termodinâmica são aplicadas de igual forma aos seres vivos e aos sistemas materiais
Termodinâmica
Locomoção
Reprodução, 
Crescimento, 
Gestação, 
Os seres vivos precisam produzir energia para poder manter o equilíbrio de sua estrutura
Lactação, 
Oviposição e 
Ciclicidade reprodutiva. 
Essa energia é obtida a partir de processos químicos que ocorrem no interior das células.
Bioenergética: conversão dos alimentos em energia
Energia livre
energia potencial, 
cinética, 
térmica, 
elétrica, 
radiante, 
Energia livre - E capaz de produzir um trabalho 
várias formas de energia que podem ser interconvertidas entre si: 
química, 
nuclear, 
calórica, 
hidráulica, 
eólica. 
Energia livre
Interconversão – nesse processo uma forma de energia interconverte a outra, sempre há perda de energia útil. 
Nas máquinas - são aproveitáveis até 25% da energia em uma interconversão, 
Nos processos biológicos - a eficiência de conservação da energia em uma interconversão é da ordem de 38%
Energia livre
Nos animais, a energia é obtida a partir da oxidação de compostos orgânicos. 
Segundo Lavoisier, um dos pioneiros no estudo da bioenergética, “[...] os animais que respiram são verdadeiros corpos combustíveis que se queimam e consomem a si mesmos...
A tocha da vida se acende no nascimento e se extingue com a morte......
Leis da termodinâmica
Em termodinâmica, um sistema, do ponto de vista físico, é definido como uma parte limitada do universo, caracterizada por um conjunto finito de variáveis que o identificam.
Um sistema pode ser um organismo, uma célula, uma organela citoplasmática ou os componentes de uma reação química.
Leis da termodinâmica
O sistema é “aberto” quando está em contato com um meio com o qual tem troca de matéria e energia, como 
 é o caso dos sistemas vivos. 
Estes nunca estão em equilíbrio com seu meio, pois o nível de organização interna dos sistemas é maior do que o do meio.
1ª Lei da termodinâmica
É o princípio da conservação da energia, a qual estabelece que, em qualquer mudança física ou química, a energia do sistema mais a energia do meio, isto é, a energia do universo, permanece igual. 
Em outras palavras, a energia pode transformar-se de uma forma a outra, mas não pode ser criada nem destruída.
2ª Lei da termodinâmica
Assinala que todas as mudanças físicas ou químicas tendem a se realizar, de forma espontânea, naquela direção que leve a energia do universo a se degradar para uma forma mais dispersa.
Portanto, as reações fisico-químicas que acontecem na natureza tendem ao AUMENTO DA ENTROPIA
2ª Lei da termodinâmica
Em todos os processos, a ENTROPIA do universo (SISTEMA + MEIO) tende a aumentar até atingir o equilíbrio, isto é, até que a energia do sistema seja igual a energia do meio.
A ENTROPIA pode ser interpretada como a tendência a desordem ou a aleatoriedade dos processos.
2ª Lei da termodinâmica
A 2ª Lei estabelece que o direcionamento dos processos fisico-quimicos no universo esta determinado pela tendência para atingirem um valor máximo de ENTROPIA
ENTROPIA
É uma forma de Energia não utilizável, ou seja uma Energia ¨inútil¨.
As mudanças de ENTROPIA em um sistema ou em uma reação química podem ser medidas a partir da variação da energia livre, segundo a equação de energia livre de Gibbs:
∆G = ∆H - T∆S 
ENTROPIA
É uma forma de Energia não utilizável, ou seja uma Energia ¨inútil¨.
As mudanças de ENTROPIA em um sistema ou em uma reação química podem ser medidas a partir da variação da energia livre, segundo a equação de energia livre de Gibbs:
∆G = ∆H - T∆S 
ENTROPIA
∆G – variação da energia livre do sistema (J/mol)
∆H – variação da ENTALPIA dos sistema (J/mol)
T – Temperatura na qual é realizado o processo(K:0 ̊C =273 ̊K) 
∆S – variação de ENTROPIA do sistema (J/ ̊K)
∆G energia livre = ∆H entalpia – T temp . ∆S entropia
Portanto, a variação da ENERGIA LIVRE de um sistema esta determinada pela variação da ENTALPIA, pela TEMPERATURA do meio e pela variação da ENTROPIA
ENTALPIA
É definida como o conteúdo calórico de um sistema.
Em sistemas químicos, refere-se ao número e ao tipo de ligações entre os átomos de uma molécula, de forma que, quanto mais ligações tiver a molécula e quanto maior for a energia dessas ligações, maior é a ENTALPIA do sistema.
ENTROPIA
Quando uma reação é termodinamicamente favorável ocorre espontaneamente, a reação se realiza até atingir o equilíbrio, aumentando a ENTROPIA do sistema.
Significa que toda a reação com tendência a ocorrer de forma espontânea terá uma variação de ENTROPIA (∆S)
Com valor POSITIVO (+), a ENTROPIA do sistema aumenta quando a reação se realiza.
ENTROPIA
Segundo Gibbs, concomitante com o aumento da ENTROPIA há diminuição da energia livre do sistema:
∆G (variação de energia livre) terá valor NEGATIVO (-)
Enquanto, uma reação favorável o sistema diminui a sua energia interna (ENTALPIA), pois perde organização interna aumenta a desordem nos sistema aumenta a ENTROPIA
ENTROPIA
Para compensar, a reação libera energia útil - para um trabalho ou dissipada como calor.
Reação de oxidação da glicose - forma dos animais superiores tomarem energia do meio.
C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + E livre
Reação termodinamicamente favorável
ENTROPIA
C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + E livre
Reação termodinamicamente favorável:
Energia contida na glicose (Entalpia) > energia do gás carbônico e água.
A glicose sua ENTROPIA (desorganizou )= 
O organismo ganhou organização diminuiu ENTROPIA
ENTROPIA
A energia produzida no processo de oxidação é utilizada para trabalho metabólico e para sintetizar biomoléculas complexas.
As reações com maior velocidade nas células por ação das enzimas (catalizadores biológicos) 
ENTROPIA
Produtos de uma reação MENOS complexos ou MAIS desordenados do que os substratos, a reação ganha ENTROPIA, libera ENERGIA = EXORGÔNICA = ∆G negativo.
A tendência natural dos processos é de ganhar entropia, termodinâmica favorável são as que tem ∆G negativo.
ENTROPIA
Produtos de uma reação MAIS complexos ou MENOS desordenados do que os substratos, a reação PERDE
 ENTROPIA, ganham ENERGIA para que possam ocorrer 
 = ENDOERGÔNICAS = ∆G positivo.
Não são termodinamicamente favorável as que tem ∆G positivo.
(a não ser que entre Energia no sistema)
3ª Lei da termodinâmica
A terceira lei da termodinâmica foi desenvolvida por Walther Nernst entre 1906 e 1912, e diz que, quando um sistema se aproxima da temperatura do zero absoluto, todos os processos cessam, e a entropia tem como um valor mínimo. 
Portanto, fornece um ponto de referência para a determinação do valor da entropia. 
A equação proposta por Nernst 
Os componentes de ΔG
∆G = ∆H - T∆S 
Energia livre de Gibbs, G:
Quando a reação libera energia a variação na energia livre de Gibbs tem sinal negativo - ∆G<0 (exergônica)
Quando a reação absorve energia a variação na energia livre de Gibbs tem sinal positivo – 
∆G>0 (Endergônica)
Energia livre de Gibbs, ΔG:
ΔG negativo (tendência a formação produto) 
ΔG positivo (tendência a formação reagente) 
Os componentes de ΔG = ∆G = ∆H - T∆S 
Entalpia, H:
É o conteúdo de calor de um sistema.
Reflete o número e o tipo de ligações químicas nos reagentes e nos produtos
Quando uma ligação libera calor ∆H tem um sinal negativo - ∆H < 0 (Exoter)
Quando uma ligação absorve calor ∆H tem sinal positivo - ∆H >0 (Endot)
Os componentes de 
ΔG = ∆G = ∆H - T∆S 
Entropia, S:
É uma expressão do grau de desordem de um sistema.
Quando os produtos de uma reação são menos complexos ou mais desordenados que os
reagentes a reação ocorre com ganho de entropia
∆S >0 (Aumento da desordem)
∆S <0
(Diminuição da desordem)
Prof. Dr. Júlio César Borges
A oxidação do piruvato a acetil-CoA faz parte do catabolismo, cujo principal objetivo é a obtenção de energia , pois é o produto da glicólise
VIA DO MEVALONATO
A via do mevalonato, também designada via da HMG-CoA redutase ou via dependente do mevalonato, é uma via metabólica existente em todos os eucariontes superiores e em diversas bactérias. 
É importante na produção de pirofosfato de dimetilalilo (DMAPP) e pirofosfato de isopentenilo (IPP), que são precursores na biossíntese de moléculas usadas em processos tão diversos como a manutenção da membrana celular ou a N-glicosilação.
HMG-CoA redutase 
(hidroxi-3-methyl-glutaril-CoA redutase 3 ou HMGR)
Enzima da via do mevalonato, a via metabólica que produz o colesterol e outros isoprenóides.
Esta enzima é o alvo para fármacos para baixar o colesterol conhecidos como ESTATINAS.
Em humanos, o gene para a HMG-CoA redutase está localizado no braço longo do  5º cromos(5q13.3-14). 
Enzimas relacionadas com a mesma função também estão presentes em animais, plantas e bactérias.
Proteinas preniladas - São proteínas integrais não transmembrana derivado de isopreno como farnesil (com corrente carbonada de 15 C) ou geranil (com corrente carbonada de 20 C)
Como exemplos as proteínas Ras e proteínas G triméricas implicadas na transdução de sinais químicos.
Ubiquinona - potente anti-oxidante e além disso, é um componente da cadeia respiratória mitocondrial, tal como o heme A. Participa na produção de ATP. 
Dolicol - intervém na síntese de glicoproteínas. 
Lipitor, Pfizer
atividade
Três trabalhos impressos para discussão
CLASSIFICAÇÃO DOS LIPÍDIOS
Vias Anfibólicas
Conjunto de reações que podem ser tanto 
 Anabólicas como Catabólicas.
Dependem da condição energética da célula
Biossíntese e degradação são quase sempre distintas
1- Ocorrem por vias diferentes.
2- Envolvem enzimas diferentes numa mesma via.
3- Podem ser compartimentalizadas.
4- Vias irreversíveis
5- Possuem etapas limitantes
Fluxo de Energia Biológica
3 fases:
a) Energia radiante – fusão nuclear do sol.
4 H He + 2e (positron) + energia radiante
Essa energia sai na forma de fótons (quanta de energia luminosa).
b) Energia luminosa é absorvida pelas células fotossintéticas
Nos organismos autotróficos (90% organismos do mar e folhas verdes das plantas). 
Fluxo de Energia Biológica
6 CO2 + 6 H20
 Energia
 luminosa
 Glicose + 6 O2
Esta reação tem uma variação de energia livre positiva ∆G = +2870 kj/mol
Absorve grande quantidade de energia para ocorrer
Fluxo de Energia Biológica
c) Utilização das moléculas produzidas nas células fotossintéticas por parte dos organismos heterotróficos carboidratos, gorduras e proteínas são oxidados para produzir energia química na forma de ATP necessária para os trabalhos biológicos
Trabalhos biológicos – demandam E
Aumento de entropia. 
Processos irreversíveis.
Dissipação de energia para o meio.
1. Trabalho mecânico
Contração muscular
Movimento de cílios e flagelos 
Fluxo de Energia
Aumento de entropia. 
Processos irreversíveis.
Dissipação de energia para o meio.
2. Trabalho osmótico: 
Consome mais E
Bomba Na-K ATPase
Manter [Na⁺] fora da célula e [K ⁺] dentro da célula
Transporte ativo 
Impulso nervoso
Fluxo de Energia
Aumento de entropia. 
Processos irreversíveis.
Dissipação de energia para o meio.
3. Trabalho químico: 
	- Biossíntese de moléculas complexas como:
	 DNA e RNA
	- Proteínas 
EM SISTEMAS NÃO ORGÂNICOS
Hidróxido de Sódio
Soda caústica
Nitrato de Amônio
fertilizante
EXERCÍCIO 1
De forma simplificada, a reação da fotossíntese ficaria: 
6CO2 + 6H2O -> C6H12O6 + 6O2 
Dadas as entalpias de formação do CO2 (- 94 kcal/mol glicose), do H2O (-58kcal/mol glicose) e da glicose
 (-242kcal/mol glicose), pode-se concluir que a transformação é endotérmica ou exotérmica? Apresente os cálculos para resolver a variação de energia (entalpia) envolvida no processo. 
Exercício de entalpia de formação
RESOLUÇÃO EXERCICIO 1
Considere sempre que a formação ocorre no produto (dessa forma, quem estiver do lado direito da reação terá o mesmo sinal da entalpia de formação), enquanto que quem estiver do lado esquerdo (reagentes) terá sinal contrário. 
Agindo dessa forma fica fácil resolver a questão 
6CO2 ... + ... 6H2O ... --> C6H12O6 ... + ...6O2 
6x(+94) ....... 6x(+58) ...-->.. -242................ 6 x zero 
+564 ............. +348 ........--> -242 
+912 .............................. --> -242 
∆H = +670 kcal 
Reação endotérmica pq ∆H > 0, ou seja, está absorvendo energia. 
EXERCÍCIO 2
Dada a equação de combustão da glicose: 
C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 +6H2O 
Dados as variações de entalpias: 
 CO2 = -394 kj/mol, 
 H2O = -286kj/mol 
 C6H12O6 = -1268 kj/mol 
Calcule a variação de entalpia envolvida no processo de combustão da glicose. 
Apresente seus cálculos e de acordo com o resultado, explique por que o nosso organismo obtém energia a partir da glicose, através da respiração.
Resultado exercício 2
C6H12O6... + ... 6O2 -> ... 6CO2 + ... 6H2O 
+1268 ................. zero ...... 6x(-394) ... 6x-286 
+1268 ................. zero ........ -2364 ...... -1716 
+1268 ........................................ -4080 
∆H = -2812 kcal (exotérmico) 
Quanto mais oxigenado for, maior será a queima e produzirá maior energia.