Introdução à Biofísica e Termodinâmica

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Biofísica
O que é biofísica? 
A biofísica é uma ciência interdisciplinar que faz uso das teorias da FÍSICA, assim como seus métodos, para resolver as questões da BIOLOGIA. 
- Estudo da: 
Matéria, energia, tempo e espaço (como sistemas biológicos).
TERMODINÂMICA 
TERMO = CALOR 
DINÂMICA = FORÇA, MOVIMENTO 
No inicio ocupou-se dos estudos que permitiam transformar CALOR em TRABALHO. 
Termodinâmica abrange toda e qualquer mudança que ocorre no universo. 
- é uma ciência que trata todas as formas de energia; 
- Que estuda a transformação de energia em trabalho e vice-versa, nas diferentes formas: 
- Energia 
· Cinética 
· Elétrica
· Térmica
· Química 
· Mecânica 
Conceito:
Sistema – porção definida do ESPAÇO em função da necessidade; 
Restrito por limites (fronteiras);
Região no espaço que contem matéria e energia.
Entorno ou ambiente – tudo que envolve o sistema e com ele se relaciona; 
O entorno não tem limites.
Exemplo:
Sistemas: pode variar: 
· Volume;
· Temperatura;
· Energia;
· Matéria
Abertos: troca de energia, trabalho e matéria. 
Fechados: trocam energia, trabalho.
As transformações de energia são estudadas entre um sistema (definido pelo observador) e seu ambiente. 
- Definições e conceituação de sistema 
- Fechado 
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- Aberto
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- Energia interna e externa
Tipos de energia: 
Interna: EN POTENCIAL – composição química; 
EN CINÉTICA – conteúdo de calor.
Externa: EN POTENCIAL – altura do sistema no campo G; 
EN CINÉTICA – velocidade de deslocamento.
Exemplo:
Propriedades intensivas e extensivas
- A EN interna de um sistema possui: 
	PROPRIEDADES INTERSIVAS
	PROPRIEDADES EXTENSIVAS
	NÃO DEPENDEM DA MASSA
	DEPENDEM DA MASSA
	1 Pressão
	1 Volume 
	2 Temperatura
	2 Qtde de matéria 
	3 Voltagem
	3 Densidade 
	4 Viscosidade
	4 Qtde de EN
Ex: pilhas 
· Voltagem: 1,5V Intensiva;
· Qtde de EN elétrica > na pilha > Extensiva;
Ex: Água 
· Temperatura: 100°C = Intensiva;
· Qtde de EN elétrica > no volume > Extensiva;
	Grandeza
	Unid SI
	Símbolos
	Energia/trabalho
	Joule
	J
	Potência
	Watt
	W
	Pot. elétrico
	Volt
	V
	Energia alim.
	Quilocaloria
	Kcal
	Massa
	Quilograma
	Kg
1 (primeira) lei = Conservação de En
1 - Energia não pode ser criada ou destruída, mas somente convertida de uma forma em outra; 
2 – Toda transformação de energia se acompanha de produção de Energia Térmica (Calor);
3 – Qualquer forma de Energia ou Trabalho pode ser totalmente convertida calor***. 
4 – A Energia do Universo é constante;
2 (segunda) lei = Conservação de En
1 Energia: espontaneamente, sempre se desloca de níveis mais altos para níveis mais baixos. 
RESUMO: de onde tem mais, MATÉRIA OU ENERGIA, vai para onde tem menos. 
2 trabalho: é possível com realização de trabalho transferir Energia (Matéria) de nível mais baixo para nível mais alto. 
3 Todo sistema que realizou trabalho tem En; 
· Água da represa que aciona turbina...; 
· Gases de combustão de motores de explosão...;
Conceito: Qualidade de En incapaz de realizar trabalho. 
Medida de desordem de um sistema; 
4. A ENTROPIA do Universo tende ao máximo. 
Entropia (s)s + Aumento 
s - Diminuição 
’s: variação de entropia 
Toda transformação é acompanhada de uma mudança (’s) na entropia, sempre no sentido de global da entropia.
s X Estado Físico: > gasosa > líquida > sólida 
Organização 
Maior Menor.
Solido Liquido Gasoso
Quantidade de Entropia - Ts
- A entropia aumenta com a elevação da temperatura. 
Ex: Estágio Febril
Conceito: é o conteúdo de calor de um sistema; 
H: mudança de Entalpia
Exotérmica = H – (libera/perde calor)
Exos= fora; termos = Calor
Endotérmica: = H + (absorve/ganha calor).
Energia Livre ( G)
Conceito: é a relação de entalpia e entropia em um processo ou reação. 
Energia capaz de realizar trabalho e volume e pressão constantes. 
Energia Livre= Entalpia – Qtde Entropia 
G=H -TS
G: Energia livre
Exergônicas = G – (En para fora)
Exos = fora.
Endergônicas = G + (En para dentro).
Endo= dentro.
G = 0 Reação em Equilíbrio Dinâmico com o mínimo de Energia e o máximo de Entropia. 
Reações espontâneas acoplamento de reações
Quando uma reação tem G – ela ocorre espontaneamente 
Quando uma reação tem G + ela só ocorre se receber Energia de ambiente
Respiração – Reação Exergônica 
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Fotossíntese – Reação Endergônica 
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Reações acopladas: presença de G - G + no sistema. 
Reações espontâneas 
( 1 ) A+B = C+D GI = -7 (7Kcal)
Reações provocadas 
( 2 ) D+E = F+G G2 = +3 Kcal
Se em qualquer sistema dor observado que as reações 1 e 2 estão ocorrendo é porque elas estão acopladas. 
A reação 1 começa a ocorrer, e antes que ela termine, se inicia a reação 2, usando 1 dos produtos da reação 1. 
Molécula de ATP
Hidrólise e Síntese de ATP
 Características:
Fechados: Equilíbrio dinâmico 
Com o ambiente (Calor ou Trabalho)
Abertos: Estado estacionário
Composição interna se mantém constante (equivalência entre o que entra e o que sai)
Conceitos em Energia Livre G 
G energia livre liberada nas reações;
Gº energia livre liberada nas reações em condições padronizadas (1 MOL; 1 ATM PRESSÃO; 25ºc, pH= 0);
Gº’ energia livre liberada nas reações em biologia pH = 7 
K constante de equilibro: P/R 
 Energia de ativação Ea
Conceito: Energia inicial necessária para que haja colisão no mínimo entre duas moléculas e o processo da reação se inicie.
OBS: Necessária mesmo nas reações espontâneas.
A Ea pode ser alta ou baixa;
 Ea depende da temperatura do sistema: 
 Tª oferta Ea;
Catálise
Catalizadores: agentes capazes de modificar a energia de ativação.
Propriedades Catalisadores 
1. Diminui e Ea;
2. Aumenta a velocidade de reação;
3. Não modifica G;
4. Não modifica a constante de equilibro K;
5. Aparece inalterado no fim da reação;
6. Tem alguma especificidade.
CATALISE BIOLÓGICA é feita por; ENZIMAS;
Células: usam ΔG que é um tipo de energia elétrica em condições:
· Isobaria: isos = mesmo; baros = pressão
· Isotermia: isos = mesmo; termos = calor
· Isocoria: isos = mesmo; corios = volume;
Energia em biologia
Os alimentos são fonte de energia para os seres vivos através das oxidações metabólicas, 
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Água e sua importância Biológica
Água: a molécula mais abundante dos sistemas biológicos; 
Constitui 75% de um adulto jovem; 
Solvente fundamental dos sistemas biológicos no planeta Terra; 
Quantidade de água em nosso corpo: (75%) 
Pulmão: 86%
Fígado: 86%
Músculos: 75%
Cérebro: 75%
Coração 75%
Rins: 83%
Sangue: 81% 
Água e sua importância biológica
A água é observada em 3 fases: 
Estas 2 fases estão em equilíbrio e dependem de: 
· Pressão;
· Temperatura;
· Oferta ambiental de água;
· Presença de seres vivos;
· Entre outros fatores.;
· Hibrido sp3 de caráter misto (60%covalente, 40% iônico
· Molécula assimétrica;
· Caráter assimétrica;
· Molécula muito pequena;
· 2 pontes de H/molécula.
Hibrido sp3
A hibridação é um fenômeno que permite ao átomo realizar um numero maior de ligações, aumentando assim a sua estabilidade;
Hibridação consiste na fusão de orbitais atômicos incompletos, que se transformam, originando novos orbitais, em igual número. Essesnovos orbitais são denominados de orbitais híbridos. 
Na hibridização sp3um elétron “s” é promovido para o orbital “p” vazio, originando o carbono no estado ativado (intermediário).
Ligação covalente: 
É uma ligação química caracterizada pelo compartilhamento de um ou mais pares de elétrons entre átomos, causando uma atração mutua entre eles, que mantêm a molécula resultante unida.
Como na ligação covalente todos os átomos envolvidos apresentam a tendência de receber elétrons, obrigatoriamente, haverá entre eles um compartilhamento dos elétrons presentes na camada (nível mais distante do núcleo).
O compartilhamento ocorre quando um elétron da camada da valência de um átomo passa a fazer parte da mesma nuvem eletrônica que envolve outro elétron da camada de valência do outro átomo. 
Cada átomo de Hidrogênio, por exemplo, apresenta um elétron na camada de valência. Quando dois elétrons passam a fazer parte da mesma nuvem, cada Hidrogênio passa a apresentar dois elétrons de valência, ou seja, estabiliza-se. 
Elétrons de dois átomos de Hidrogênio ocupando a mesma nuvem eletrônica. 
Ligação iônica:
A ligação iônica é formada pela atração eletrostática entre íons de cargas opostas, positivos (cátions) e negativos (ânions). Nesta ligação a transferência de elétrons é definitiva. 
Ponte de H?
Atração entre o átomo de hidrogênio e um átomo de oxigênio, flúor ou nitrogênio com carga negativa. Essa atração é designada interação dipolo-dipolo e liga o polo positivo de uma molécula ao polo negativo de outra.
Átomo de hidrogênio (carga positiva) recebe o nome de átomo doador. 
Átomo de oxigênio, flúor ou nitrogênio é o átomo aceptor de elétrons (carga negativa)
 
Microestrutura:
Em resumo:
· Forte caráter dipolar;
· Abundantes pontes de H;
· Volume diminuto;
Por suas propriedades macro a água favorece os sistemas biológicos de diversas maneiras: 
1- Densidade: densidade do gelo menor água liquida;
2- Calor especifico: muito alto – é a quantidade de En térmica que deve ser fornecida a uma substancia para elevar a sua temperatura. 
Ex: 1 kcal – elevar 1ºC de 1 L de água; 
Ex: 0,3 kcal – glicídeos, lipídes e proteínas;
· Água age como moderador térmico dos sistemas biológicos; 
Quantidade de água em nosso corpo: