Bioenergética(ProfThiago)

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BIOENERGÉTICA 
Prof. Thiago Salazar 
Universidade Federal de Pernambuco 
Centro de Ciências Biológicas 
Departamento de Biofísica e Radiobiologia 
BIBLIOGRAFIA 
 Heneine – Biofísica Básica 
 
 Alberts et al. – Fundamentos da Biologia 
Celular 
 
◦ Leitura Complementar 
 Bertalanffy – Teoria Geral dos Sistemas 
BIOENERGÉTICA 
 Energia das transformações ligadas aos fenômenos 
biológicos 
 
 Utiliza-se dos princípios da Termodinâmica (lei da 
conservação, entropia e energia livre) 
 
 Ela preside a todas as manifestações vitais. Tudo que 
exprime trabalho só pode ser realizado mediante as 
transformações energéticas 
 
 Nos seres vivos estas transformações são 
provenientes da degradação metabólica de 
proteínas, carboidratos e gorduras 
 
 
MITOCÔNDRIA 
ORIGEM DA VIDA 
METABOLISMO 
A B C + = 
C = A B + 
Catabolismo 
Anabolismo 
Enzima 
ATP 
ATP 
EQ
U
IL
ÍB
R
IO
 
6 12 6 2 2 26 6 6C H O O CO H O  
Energia Energia 
Reverter com a energia 
original é difícil 
ADENOSINA TRIFOSFATO (ATP) 
Hidrólise do ATP (Adenosina 
Trifosfato) 
H2O 
OH H 
G
LI
C
Ó
LI
SE
 
CITOPLASMA 
C
IC
L
O
 D
E
 K
R
E
B
S
 
MATRIZ 
C
A
D
E
IA
 T
R
A
N
S
P
O
R
T
A
D
O
R
A
 
ATP sintase 
trabalham realizando as interações moleculares na 
obtenção das mais diferentes e profundas funções 
biológicas, encontradas nos diferentes ciclos 
metabólicos como por exemplo o de Krebs. 
MOLÉCULAS ENZIMAS + 
O ATP é sem dúvida a mais importante 
molécula fornecedora de energia, formando 
com o ADP um sistema importantíssimo no 
transporte e armazenamento de energia. 
SISTEMAS 
O meio ambiente é o referencial para a energia retirada 
ou transferida para o sistema. 
CONCEITOS FUNDAMENTAIS 
Um sistema pode ser: 
Aberto: pode trocar energia e matéria com o meio 
ambiente. 
Fechado: tem quantidade fixa de matéria, mas pode 
trocar energia com a vizinhança. 
Isolado: não tem contato com o meio. 
É a parte da Física que estuda o comportamento e as 
transformações de Energia que ocorrem na natureza. Mais 
especificamente, estuda as relações de Equilíbrio entre estados 
energéticos, cujas principais fontes de manifestação são o 
CALOR e o MOVIMENTO. 
TERMODINÂMICA 
TRABALHO E ENERGIA 
É o parâmetro fundamental em termodinâmica. 
W = F x d 
Trabalho (W) é movimento contra uma força, calculado pela 
equação: 
Em um sistema, a capacidade total de realizar trabalho é 
chamada Energia Interna (U). 
OBS: Não se pode medir a energia interna de um sistema, mas 
podemos medir a sua variação U. 
Exemplo: U = -7,3 kcal significa que um sistema diminui sua 
energia interna em 7,3 kcal. 
CALOR 
Calor é definido como a energia transferida por causa de diferença de 
temperatura. 
A energia flui como calor de um corpo de temperatura mais alta para 
outro de temperatura mais baixa. Aquecer significa transferir energia 
como calor (fazendo uso de diferenças de temperatura). 
A energia de um sistema pode ser alterada pela transferência de calor 
(para o ou a partir do sistema). 
Quando a única transferência de energia é como calor: 
U = Q 
CALORÍMETRO: 
Aparelho que monitora a transferência de energia (calor) medindo 
alterações de temperatura. O resultado é expresso em calorias. 
CALORIAS (cal) 
1 cal = 4,1855 J e 1 J = 0,239 cal 
UNIDADES DE MEDIDA: 
É definida como a energia necessária para elevar 
em 1 ºC a temperatura de 1 kg de água. 
1 kcal = 1 000 cal 
JOULE (J) 
É o trabalho produzido por uma força de 1 newton 
(N) cujo ponto de aplicação se desloca 1 metro na 
direção da força. 
CONSERVAÇÃO DE ENERGIA 
U = Ufinal - Uinicial = Q - W 
A energia interna (U) de um sistema é conservada; não 
pode ser criada nem destruída. Ela pode ser convertida de 
uma forma em outra forma de energia. 
A variação de energia é a diferença entre o calor (q) liberado 
para o meio ambiente e o trabalho (w) realizado pelo sistema: 
A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA 
Calor (Q) é reflexo do movimento aleatório das moléculas; 
Trabalho (W) é definido como força vezes deslocamento 
(reflexo do movimento organizado das moléculas). 
ENTROPIA E DESORDEM 
A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA 
A segunda lei diz que "a entropia de um sistema isolado 
aumenta no decorrer de uma reação espontânea". 
Energia e matéria exibem uma tendência a se tornar cada 
vez mais desordenadas. A medida da desordem, ou do grau 
de desordem de um sistema, é a Entropia(S). 
Reação espontânea é a que tem tendência a ocorrer sem 
estar sendo induzida por uma influência externa. 
S = Q/T 
ENTALPIA 
H = U + PV 
O trabalho (W) realizado por moléculas de gás ou líquido é do 
tipo PV. 
Onde U, P e V são energia interna, pressão e volume. 
H = U + PV = Q - W + PV 
O "aquecimento" (variação de entalpia) pode ser definido 
como: 
Uma variação na entalpia de um sistema é igual ao calor 
liberado ou absorvido. 
H = Q 
ENERGIA LIVRE DE GIBBS (G) 
A TERCEIRA LEI DA TERMODINÂMICA 
É a energia que está disponível, livre, para realizar trabalho 
(transporte). 
A Terceira Lei é, na verdade, um agrupamento das 2 
primeira leis: 
As duas leis são relacionadas à energia livre de Gibbs pela 
equação: 
G = H - TS 
Nessa equação: 
 
 G = energia livre 
 H = entalpia 
 S = entropia 
 T = temperatura 
Processos espontâneos, sob pressão e temperatura constantes, possuem 
variação negativa de energia livre: 
G = H - TS < 0 
Se G < 0 a reação é exergônica (ergon, trabalho) porque libera 
energia livre. 
Se G > 0 a reação é endergônica (ergon, trabalho) porque só 
ocorre se for forçada pela introdução de energia livre. 
Energia Livre e Sistemas Abertos: Seres Vivos 
Um processo só será possível se a variação de entropia total for positiva: 
Stotal = Ssistema + Svizinhança 
Seres vivos diminuem sua entropia (Ssistema), mas a vida é possível às 
custas de aumento na entropia do meio ambiente (Svizinhança). 
Nas reações bioquímicas, pressão e temperatura são 
constantes. Nessas condições, aplica-se o conceito de 
Energia Livre: 
G = H - TS 
Como além da temperatura, a pressão é constante, 
O sinal negativo(-) indica que um aumento na 
entropia total corresponde a uma diminuição de 
energia livre. Portanto, a direção da reação 
espontânea é a direção na qual há queda na 
energia livre. 
G = H - TS 
G = - TS 
Temperatura e Entropia 
 Situações de Reações Exotérmicas (-ΔH) 
 
◦ (a) ΔG = -ΔH - T (+ΔS) (entropia 
aumenta) 
 
◦ (b) ΔG = -ΔH - T(-ΔS) (entropia diminui) 
 
 A temperatura influencia na situação na 
situação (b); quanto menor, maiores as 
chances da reação vir a ser espontânea. 
Espontaneidade vs Não-
Epontaneidade 
ΔH < 0 
ΔS > 0 
ΔH < 0 
ΔS < 0 
Espontânea se a temperatura for baixa. 
Se a temperatura for muito alta, não é espontânea. 
Espontânea 
Entropia aumenta 
Entropia diminui 
Unidades 
 ΔG = ΔH – TΔS 
 
 ΔH: unidade: J (joule) 
 T: unidade: K (kelvin) 
 ΔS = Q/T: unidade: J/K (joule/kelvin) 
 
Biofísica das Trocas de Calor 
1. Termogênese: 
a) Mecânica : Calafrio 
b) Química: Metabolismo 
 
2. Termólise: 
a) Evaporação b) Radiação 
c) Condução d) Convecção 
 
 
a) Termogênese Mecânica 
Subtamente exposto ao frio ou estado febril 
 
Contração múscular esquelética 
 
Calafrio 
Contração Involuntária desorganizada 
O2 ↑ 2 a 5 vezesAlguns animais não apresentam 
 
 
curare 
Termogênese mecânica 
Inibição 
b) Termogênese Química 
Reações exotérmicas do metabolismo 
de açúcares, gorduras e proteínas. 
 
 Tecido adiposo marrom: 
 
- Principal substrato 
- Regiões inter e 
subescapulare e axilares 
- Muitas mitocôndrias 
Fontes de Calor do Corpo 
• Fígado 
 
• Cérebro 
 
• Coração 
 
 
• Músculos Esqueléticos 
Evaporação 
(22%) 
Parede 
Irradiação (60%) 
Convecção 
para o ar 
(15%) 
Objeto 
Condução 
(3%) 
2. Termólise 
a) Evaporação 
 A Vaporização pode ser de três tipos: 
 
◦ a) Evaporação 
 
◦ b) Ebulição 
 
◦ c) Calefação 
39 
Corpo humano 
Corpo humano: 
pele e pulmões 20 a 25% 
(Perspiratio insensibilis) 
 
 na febre 
 hiperventilação pulmonar 
por taquipnéia 
 
 Queimados  hipertermia 
a) Evaporação 
(22%) 
 Troca de calor através ondas EM 
 Toda matéria que não está em “zero 
absoluto” 
irradia IV 
 
◦ Pele como principal fonte 
 
 
Todas as direções 
 
b) Radiação 
HIPOTERMIA 
Mergulhado na água a 0° C, um ser humano só pode 
sobreviver alguns minutos 
↑Condução em até 
20 vezes! 
c) Condução 
Transferência de calor por movimentação de massas 
de fluido 
Zoom 
AMBIENTE: 34 ºC 37°C 
PELE 
“Zona Isolante” 
3
7
 ºC
 
3
7
 ºC
 
3
6
 ºC
 
3
5
 ºC
 
 3
4
 ºC
 
Maior gradiente: maior fluxo 
d) Convecção 
Troca de Calor Homem - Meio 
Q = (M – W) ± Cv ± Cd ± R - E 
Q – quantidade de perdida pelo corpo 
M – quantidade de calor produzida pelo metabolismo 
W – quantidade de trabalho muscular externo 
Cv – quantidade de calor trocada por convecção 
Cd – quantidade de calor trocada por condução 
R – quantidade de calor trocada por radiação 
E – quantidade de calor trocada por evaporação 
Fluxo de Calor 
Φ = - k . S . G T1 T2 Φ 
T1 > T2 k- constante de 
condutividade térmica da 
barra. 
S- área da barra. 
G- gradiente de 
condutividade térmica da 
barra. 
Fluxo de calor 
D 
T1 
T2 
H= k.S.T.G 
 D 
H- taxa de transferência de calor 
(cal/s) 
k- constante de condutividade 
térmica do corpo 
S- área de secção transversa do 
corpo (m2) 
T- intervalo de tempo 
G- diferença entre as 
temperaturas T1 e T2 
D- comprimento do corpo 
 área de 
superfície do 
bebê: 
 
 bebê: 3 m2/4 kg 
= 0,75 m2/kg 
 Adulto: 15 m2/70 
kg = 0,21 m2/kg 
CORRELAÇÃO CLÍNICA 
– 4x maior 
• Agasalhar bem! 
• Pré-maturo 
• Perigo! Anestésicos 
Área de Superfície x Massa 
Homeostase: Controle da 
Temperatura 
 
◦ 1. Hipotálamo 
◦ 2. Variações circadianas 
Indivíduos que trabalham a 
noite 
 
Ritmos Térmicos do Corpo 
 Ritmo nictemeral 
 Esforço físico 
 Idade 
 Ciclo menstrual 
 Ambiente 
 Doenças mentais 
Estados Patológicos – Amb. 
Quentes 
 Miliaria crystallina (Brotoejas) 
 Edema 
 Câimbras 
 Exaustão pelo calor 
 Golpe térmico 
1. Temperatura Central (TC) 
–T do sangue arterial nas regiões centrais 
do organismo 
 
–Temperatura Central Normal: 
• Ideal para manutenção do 
Metabolismo Basal e da homeostase 
• Em média, de 36,7º C a 37º C 
• Durante Exercício Físico: 38 até 40º C 
Temperaturas Corporais 
Medição da Temperatura 
 
◦ Objetivo: medir a TC (e não a Tp - 
cutanea) 
◦ Método mais popular: axilar (menos 
preciso) 
◦ Métodos mais precisos: retal (boa 
precisão), oral, timpânico, esofágico. 
◦ Cateter equipado com termistores na 
carótida, aorta, femoral e outras 
artérias. 
 
Quebra do Equilíbrio do CTR - 
Febre 
 Processos infecciosos produzidos por 
bactérias, fungos ou vírus; 
 
 Patologias que produzem morte tissular 
tais como queimaduras, tumores malignos, 
traumatismos graves, infartos, etc; 
 
 Processos imunoalérgicos. 
Febre 
 Não é a simples elevação da temperatura. 
 
 Acompanha um conjunto de sinais e 
sintomas. 
 
 Aumento de temperatura pode ser 
normal (não febril), como na hipertermia 
do esforço físico e da menstruação. 
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Febre 
 Saber lidar com a febre é uma necessidade 
básica na prática biomédica. 
 
 Ocorre por uma alteração nos centros 
termorreguladores pela liberação de 
substância pirogênica – interleucina – 1, que 
estimula a produção de prostaglandina ao 
nível do hipotálamo. 
Sinais da Febre 
 Prostração 
 
 Apatia 
 
 Anorexia 
 
 Disbulia 
Tipos de Febre 
• Febre contínua 
– Ex. febre tifóide 
 
• Febre intermitente 
– Ex. febre da malária (plasmódio falciparum, vivax, 
malarie e ovale). O falciparum causa surto de febre a 
cada 3 dias (terçã maligna). 
• Febre remitente 
– Ex. sarampo e tuberculose (mais baixa pela manhã). 
Artigos Científicos 
Hipotermia