Bioenergética e Termodinâmica

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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
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C
Ó
LI
SE
 
CITOPLASMA 
C
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MATRIZ 
C
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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) 
 
APLICAÇÕES 
PET 
Princípio da PET 
FDG 
Pósitron 
e+ 
ANIQUILAÇÃO 
Estudo da atividade celular – indicativo 
de câncer 
Imagens cerebrais utilizando o 18F-FDG obtidas com o PET. 
À esquerda imagem de um cérebro normal e à direita um paciente 
drogado com cocaína. 
APLICAÇÕES 
 PET 
Tomografia por emissão de 
pósitrons (PET) 
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PesquisasE
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Disfunção na membrana e 
na mitocôndria 
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A) Paciente controle B) Tratamento do Câncer 
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