Transformações de energia e complexidade dos sistemas biológicos

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Profª Drª Thaís Dalzochio
TERMODINÂMICA
 Estudo das transformações de energia dos sistemas macroscópicos
Sistemas físicos constituídos de um grande 
número de átomos e moléculas que 
interagem entre si
“A termodinâmica abrange toda e qualquer 
mudança que ocorre no universo.”
FORMAS DE ENERGIA DE QUE A TERMODINÂMICA TRATA
• Devido à agitação e aos movimentos de átomos e moléculasEnergia térmica
• Promovida pelo deslocamento dos corpos e pela ação das massas (ex: 
ação da gravidade terrestre)Energia mecânica
• Contida nas ligações químicas e nas interações entre átomos e moléculasEnergia química
• Proveniente de cargas e correntes elétricasEnergia eletromagnética
TRANSFORMAÇÕES DE ENERGIA
 Máquina a vapor
 Dispositivo que serve para transformar energia térmica em mecânica
Expansão do vapor 
d’água numa caldeira
Acionamento 
mecânico de um 
êmbolo
Transmissão do 
movimento para as 
engrenagens da 
máquina
Para que ocorra a vaporização 
da água na caldeira, é 
necessário que uma 
quantidade de energia lhe seja 
transferida antes
Transformação da energia química (combustão) → térmica → mecânica
 Motor elétrico
 Presente dos eletrodomésticos
 Energia elétrica → energia mecânica
 Energia elétrica é transmitida pela rede elétrica e é transformada em
movimento mecânico, induzindo a rotação no motor (ex. liquidificador)
 Hidroelétricas
 Energia mecânica gravitacional de uma queda d’água → energia
elétrica por meio de turbinas
 Baterias e pilhas
 Energia química→ energia elétrica
Energia química → energia térmica
Calor Reações exotérmicas
O produto obtido da mistura dos reagentes possui uma energia química
(proveniente das ligações atômicas) menor que a dos reagentes. A energia liberada
denomina-se calor de reação.
Reações endotérmicas: para serem realizadas, necessitam absorver energia térmica do meio, a
qual é transformada em energia química adicionada às ligações químicas dos produtos.
 Fotossíntese
 Energia eletromagnética (luz solar) → energia
química
 A energia luminosa é utilizada para a transformação
dos gás carbônico em um composto químico mais
energético – a glicose, que servirá como fonte de
energia química para a planta ou como alimento para
outros seres.
 Ação muscular
 Energia química (armazenada nas moléculas de ATP das células musculares)→ energia mecânica
 Ocorre através de um complexo sistema de proteínas contráteis, resultando em movimento de órgãos e membros dos
indivíduos do reino animal.
ENERGIA TÉRMICA
 Provém dos movimentos atômicos e moleculares que ocorrem no nível microscópico.
 A energia térmica é transferida de um corpo a outro por contato direto, quando os choques moleculares se
transmitem através da superfície de contato.
Calor: forma de transferência de energia térmica entre corpos, ou seja, o calor é 
a energia que flui de um objeto a outro quando há diferença de temperatura 
entre estes.
Calor é uma forma de transferência de energia térmica e não uma outra forma de 
energia.
 A medida da energia térmica é realizada através do equilíbrio térmico entre o corpo que se quer medir e um
aparelho calibrado – termômetro.
 Equilíbrio atingido quando se espera um tempo suficientemente longo, de forma que a agitação molecular nos dois sistemas se
torne equivalente = cessa o fluxo de calor entre os dois corpos.
 Formas de movimento molecular
 Translação: as moléculas se deslocam em linha reta, mudando de direção por meio de choques entre as próprias moléculas.
 Rotação:as moléculas giram em torno de si mesmas, ao redor de um eixo.
 Vibração: as moléculas vibram em relação a seu centro de massa. 
 Grande número de choques entre as moléculas = constante transferência de energia de uma molécula 
para outra, de tal forma que a energia se reparte, estatisticamente, de maneira uniforme entre elas.
Princípio da Equipartição da Energia
Energia térmica é igualmente repartida entre todos os componentes do sistema
Nos sistemas biológicos, a agitação térmica do solvente (água) se transmite aos complexos
macromoleculares, permitindo vibrações e mudanças conformacionais necessárias aos
processos bioquímicos.
FORMAS DE ENERGIA PRESENTES EM:
 Uma molécula de DNA completamente isolada e sem qualquer tipo de movimento ou vibração de seus átomos.
 Em um par de íons, sendo um Na+ e um íon K+, isolados
 Água de um rio
ENERGIA INTERNA (U)
 Os sistemas termodinâmicos são capazes tanto de armazenar em seu interior qualquer energia recebida
quanto de restituí-la, posteriormente, ao mundo exterior.
 Qualquer corpo material pode então, constituir uma reserva de energia, denominada energia interna.
U = Ecin + Erv + Einter + Eato
Ecin: energia cinética de translação molecular
Erv: energia de rotação e vibração molecular
Einter: energia de interação intermolecular ou 
intramolecular (entre grupos químicos não 
ligados covalentemente)
Eato: energia contida nas ligações covalentes
Temperatura
Pressão
Mudanças da composição química do meio
ATIVIDADE
 A energia contida nas ligações químicas representa um importante componente da energia interna de um sistema.
 Por que a ingestão de alimentos é importante para nossa sobrevivência?
 E, por que, ao contrário, as plantas não necessitam de um grande aporte de substâncias?
VARIÁVEIS TERMODINÂMICAS
 Energia interna (U) é proporcional ao número total de moléculas presentes no sistema e depende da composição
química, isto é, número de moles de cada um dos componentes do sistema e suas ligações.
 Também depende da temperatura (T), pressão (P) e do volume ocupado pelo sistema (V).
Objetivo da Teoria Termodinâmica: estabelecer relações entre essas variáveis e 
delas com a energia interna, por meio da compreensão dos processos de 
transformação de energia.
PROCESSOS TERMODINÂMICOS
• Medida empiricamente por meio de termômetros – objetos cujas propriedades se alteram facilmente de
acordo com o nível de quentura (qualidade ou estado de quente)Temperatura
• Produto da força aplicada ao corpo pelo deslocamento do mesmo corpo provocado por essa força.
• No estudo da termodinâmica, trabalho é realizado sobre o sistema pelo meio externo.Trabalho (W)
 Sistema: é uma porção definida do Espaço.
 Entorno: tudo o que envolve o sistema, e com ele se
relaciona. Não tem limite.
Entorno ou ambiente
PROCESSOS TERMODINÂMICOS
• Forma de transferência de energia.
• O calor, assim como o trabalho, é uma outra via (ou forma) de que o
sistema se vale para transferir energia nos processos termodinâmicos.
Calor
Convenção: quantidade Q de calor absorvido pelo sistema.
- Se Q tiver sinal positivo: esta é a quantidade líquida de calor absorvida pelo sistema.
- Se Q tiver sinal negativo: esta é a quantidade líquida de calor cedido pelo sistema ao meio externo.
Trabalho e calor são grandezas distintas, porém a relação entre temperatura e calor é 
importante do ponto de vista experimental, sobretudo devido à noção de calor específico –
permite relacionar a variação de temperatura com o calor absorvido ou cedido.
PROCESSOS TERMODINÂMICOS
• São os processos que dão à área da termodinâmica o “direito” de conter o
termo “dinâmica”.Processo
 Ocorre continuamente nos sistemas biológicos
Seres vivos estão em permanente troca de matéria e energia com o meio
ambiente.
Célula
Compartimento 
celular
Indivíduo
Sistema
Trocas de calor, 
substâncias químicas 
e movimentos 
mecânicos
Leis que regem os 
processos 
termodinâmicos
1ª LEI DA TERMODINÂMICA
 Refere-se ao princípio geral de conservação de energia.
 Lavoiser (século XVIII):“na natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma”.
Termodinâmica: estudo e interpretação das várias formas de energia e das leis que 
regem suas transformações e formas de transferência, através de uma formulação 
matemática rigorosa e precisa.
 Formas de energia que comporta o sistema em estudo
 Limites físicos do sistema e possíveis trocas com o ambiente externoCLASSES DE SISTEMAS TERMODINÂMICOS
 Sistemas isolados
 Não trocam energia nem matéria com o
mundo externo.
 Sistemas fechados
 Podem trocar energia com o meio
circundante, nas formas de transferência por
calor ou por trabalho, mas não trocam
matéria com o mundo externo, conservando
sua massa total.
 Sistemas abertos
 Podem trocar energia e matéria com o meio
circundante.
PRINCÍPIOS DA 1ª LEI
 Energia não pode ser criada ou destruída, mas somente convertida de uma forma em outra.
 Toda transformação de energia se acompanha da produção de energia térmica (calor).
 Os seres vivos produzem calor em todo e qualquer processo biológico. Alguns perdem o calor gerado para o ambiente, e
possuem a temperatura ambiental.Outros conservam parte desse calor, e regulam sua temperatura.
 A energia do Universo é constante
EXEMPLO
Na fotossíntese, a energia luminosa é transformada em energia química pelos cloroplastos.
- Energia luminosa = fonte de calor
- Cloroplasto = sistema fechado (antes de realizar outras trocas com a célula ou com o meio ambiente).
Como a 1ª Lei da 
Termodinâmica justifica a 
variação de energia 
interna (ΔQ) no 
cloroplasto?
A energia luminosa absorvida 
em forma de calor deverá ser 
exatamente igual ao 
acréscimo de energia interna 
ΔU = ΔQ
RESUMINDO...
 A 1ª Lei da Termodinâmica mostra como determinar a variação da energia interna de um sistema em função do
balanço entre duas possíveis formas de transferência de energia: calor e trabalho.
 A transformação pode ocorrer em qualquer sentido, desde que o calor e o trabalho envolvidos nela sejam
computados corretamente, num sentido e no outro.
 Na experiência diária, muitas transformações ocorrem em apenas um sentido: o calor se transfere de um sistema para
outro a uma dada temperatura. Ex: barra de gelo se transforma em água líquida a 25 °C. O inverso nunca ocorre.
2ª Lei da Termodinâmica
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
 “Todo sistema isolado tende à máxima desordem possível, isto é, à máxima entropia compatível com seu estado
termodinâmico. O estado final de máxima desordem corresponde ao Equilíbrio Termodinâmico”.
 Entropia (grandeza): mede a desordem de um sistema molecular e pode ser interpretada como uma medida
probabilística.
 Em um sistema fechado, existem inúmeras possibilidades de movimentos moleculares (estado microscópico) que
correspondem a um único estado macroscópico termodinâmico,caracterizado por sua energia interna.
Devido aos inúmeros choques moleculares, o sistema não se mantém em um único estado microscópico, mas
muda continuamente, de tempos em tempos, para outro.
Medidas macroscópicas que permitem determinar as variáveis termodinâmicas são
realizadas em tempos extremamente longos e são, na realidade medidas tomadas sobre
todas as possibilidades de movimentos moleculares.
ENTROPIA (S)
 Entropia é energia/temperatura incapaz de realizar trabalho.
 Presença constante em todos os sistemas, processos e mudanças que ocorrem no Universo. No Universo, a
entropia aumenta sempre = entropia máxima = quando toda energia capaz de realizar Trabalho tiver sido
utilizada.
 Mais possibilidades de movimentos moleculares correspondem a uma maior desordem.
ENTROPIA
 Toda transformação é acompanhada de uma mudança na entropia (ΔS), 
sempre no sentido de aumento global da Entropia.
 De modo geral, a entropia aumenta com a elevação da temperatura.
 Ex: a febre (hipertermia corporal) acarreta em um aumento da entropia nos 
sistemas biológicos.
“NÃO HÁ DOENÇA, HÁ ENTROPIA”
Estado patológico Linguagem biológica Linguagem termodinâmica
Arterosclerose Depósito de gordura e cálcio nas artérias que causam alterações
estruturais, endurecimento da parede e hipertensão.
Aumento da Entropia na circulação devido à
desorganização da fina estrutura das artérias.
Cárie Corrosão das camadas dentárias Aumento da Entropia por desaparecimento de
estruturas dentárias.
Drepanocitose Presença de hemoglobina mutante, com anemia, afoiçamento das
hemácias que leva ao entupimento e alterações circulatórias graves.
Aumento da Entropia na molécula de hemoglobina que
causa distúrbio da circulação.
Diabetes Lesões das células beta pancreáticas que leva à deficiência de
insulina ou utilização defeituosa. Causa hiperglicemia, glicosúria,
polidipsia, entre outros.
Aumento da Entropia na utilização da glicose,
triacilgliceróis e outros metabólitos, por perturbação no
mecanismo de controle metabólico dependente da
insulina.
ENTALPIA (H)
 É o conteúdo de calor (trocas caloríficas) em um sistema. Está sempre presente nas transformações que
ocorrem.
 Energia contida em uma determinada substância que sofre reação
 Entalpia de formação (ΔHf) → aparece nas sínteses de compostos
 Entalpia de solução (ΔHs) → ocorre quando uma substância é dissolvida
 Entalia de reação (ΔHr) → ocorre quando uma reação se passa
Há uma entalpia para cada mudança que ocorre no Universo.
• Quando a mudança libera calor.
• - ΔH
• Ex: Combustão do etanol
Reações exotérmicas
• Quando a mudança absorve calor
• + ΔH
• Ex: Dissolução do NH4NO3 (nitrato de amônio) é acompanhada de resfriamento que se percebe pelo tato.
Reações endotérmicas
ENTALPIA LIVRE OU ENERGIA LIVRE DE GIBBS (ΔG)
 A entalpia e entropia podem ser combinadas em uma reação que fornece a energia livre (ΔG) de um 
processo ou reação:
 ΔG é capaz de realizar trabalho a volume, pressão e temperatura constantes.
 Importante para o estudo das transformações químicas.
Energia livre = (entalpia) – (entropia)
• Processos ou mudanças que desprendem Energia Livre (energia pra fora).
• - ΔGProcessos exergônicos
• Processos ou mudanças que absorvem Energia Livre (energia para dentro)
• + ΔGProcessos endergônicos
ΔG ΔH TΔS
METABOLISMO
 Soma de todas as reações químicas na célula.
 Obter energia
 Converter moléculas
 Polimerização de moléculas
A CÉLULA
 Sistema isotérmico
 Troca matéria e energia com o ambiente
 Necessita de fonte de energia livre
ATP
 Principal moeda energética das células
 ATP →ADP + Pi
HIDRÓLISE DO ATP
 Três posições de possível hidrólise do ATP
(energia pra fora)
SISTEMAS BIOLÓGICOS
 Sistemas abertos, em constante troca de energia e matéria com o meio circundante.
 Nenhum indivíduo sobrevive sem uma troca permanente com o meio ambiente.
 Cabe salientar a importância da energia de Gibbs para as reações bioquímicas.
A transformação de reagentes em produtos é um processo espontâneo e 
irreversível que se dá fora do equilíbrio termodinâmico.
REAÇÕES ESPONTÂNEAS – ACOPLAMENTO DE REAÇÕES
 Quando a reação tem -ΔG, ela ocorre espontaneamente.
 Se tem +ΔG, a reação só ocorre se receber energia do ambiente.
 Reações acopladas: se ambas reações ocorrem em um sistema, estas estão acopladas. A reação 1 começa a 
ocorrer e, antes que ela termine, a reação 2 inicia utilizando um dos produtos da reação 1.
Reação 1: A + B = C + D ΔG = -7 kcal
Ocorre espontaneamente e libera 7 kcal.
Reação 2: D + E = F + G ΔG = +3 kcal
Não é espontânea e só ocorre se receber uma injeção de 3 kcal.
EX: SÍNTESE DO ATP
 PEP + H2O = Piruvato + Pi ΔG = - 14,8 kcal/mol
-1
 ADP + Pi = ATP + H2O ΔG = + 7,1 kcal/mol
-1
 PEP + Pi = Piruvato + ATP ΔG = - 7,2 kcal/mol-1
ENERGIA DE ATIVAÇÃO (EA)
 Mesmo em reações com ΔG negativo, ou seja, que são prováveis e espontâneas, nenhuma reação ocorre 
sem que que seja fornecida uma energia inicial que irá desencadear o processo.
 Essa energia inicial → energia de ativação (EA)
A + B + (EA) = (AB)* = C + D -ΔG
A e B: reagentes
(AB)*: complexo ativado
C + D: produtos
- ΔG: energia livre capaz de realizar trabalho
EA pode ser alta (temperatura
elevada para queimar a madeira) ou
baixa (faísca no caso da pólvora).
Reações ocorrem mais facilmente quando a EA é baixa.
CATÁLISE
 A partir da modificação da EA é possível interferir na velocidade de uma reação (ou mudança).
 Agente catalisador positivo: diminui a EA e aumenta a velocidade Agente catalisador negativo: aumenta a EA e diminui a velocidade
 Reações com catálise têm EA menor e terminam mais rapidamente do que as sem catálise.
Agentes catalisadores
CATÁLISE BIOLÓGICA
 Sem catálise não há vida.
 Enzimas: moléculas cuja finalidade é 
realizar a catálise.
AUTO-ORGANIZAÇÃO EM SISTEMAS FORA DO EQUILÍBRIO
TERMODINÂMICO
 Organização das formas vivas no planeta → possível pelo fato de a Terra receber continuamente energia
proveniente do Sol e ao mesmo tempo, irradiar essa energia de volta ao espaço.
 Cada ser vivo ou cada célula → sistemas abertos, que trocam continuamente energia e matéria com o
meio circundante.
Equilíbrio termodinâmico
Organização de um sistema se dá pela 
diminuição de sua entropia
Ex: formação de cristais de gelo a 0 graus –
manutenção dessa estrutura se a temperatura 
for mantida
Organização do ser 
vivo
Mantida por trocas contínuas com o 
meio ambiente
Isolá-lo ou diminuir sua temperatura não 
resulta em maior organização
CONCLUSÃO
 Conceitos de ordem, desordem utilizados pela Termodinâmica (entropia e energia livre de Gibbs) auxiliam na 
compreensão dos processos fundamentais que ocorrem nos sistemas biológicos
 Ao contrário dos sistemas inertes, a organização dos sistemas biológicos está relacionada com as contínuas trocas 
com o meio circundante, em processos fora do equilíbrio termodinâmico.
REFERÊNCIAS
 OLIVEIRA, J. R. (org). Biofísica para ciências biomédicas. 4 ed. Porto Alegre: EDIPUCRS, 2016.
 WEISSMÜLLER, G. Biofísica – vol. 1. Rio de Janeiro: Fundação CECIERJ, 2009.
PROFª DRª THAÍS DALZOCHIO