Termodinâmica dos Seres Vivos

• A termodinâmica (TD) estudava a princípio, a transformação do calor (energia térmica)

em trabalho e vice-versa. Hoje, a TD abrange toda e qualquer mudança que ocorre no

Universo, inclusive com os seres vivos.

• Relação Sistema x Entorno:

Sistema é uma porção definida no espaço, pode ser uma solução, uma molécula, o ser

humano, etc.

Entorno é tudo o que envolve o sistema, relacionando-se com o mesmo; desta forma, é

comumente denominado o entorno do ambiente com o qual o sistema se correlaciona.

• O sistema pode ser classificado como aberto e fechado segundo variações de volume,

temperatura e energia.

• A termodinâmica clássica usualmente é apresentada em termos de sistemas fechados

(bastante divergentes quando comparado aos sistemas orgânicos ou abertos).

• Sistemas sob ponto de vista termodinâmico:

1) Sistema Termodinâmico Inanimado: são relativamente simples quando

comparados aos sistemas vivos. Caracterizados por apresentarem poucas

substâncias, interações químicas bem conhecidas e perfeitamente identificadas

em suas variáveis de estado (temperatura, pressão, volume, entalpia, etc.).

TRANSFORMAÇÕES QUE OCORREM NO 1:

a) ACÍCLICA: “estado inicial (A) difere do final (E)”:

A → B→C→D→E

b) CÍCLICA E REVERSÍVEL: “estado inicial (A) = ao final (A) e, os intermediários”:

A↔B↔C↔D↔E

2) Sistemas Vivos vistos pela Termodinâmica: aqui, as transformações são complexas

e se processam de forma cíclica e irreversíveis (as características cíclicas das

transformações são comuns nos sistemas vivos). É um sistema aberto onde ocorre

troca contínua de matéria e energia com o meio envolvente, sendo estas

transformações ocorrentes no ciclo metabólico de um ser vivo.

TRANSFORMAÇÕES QUE OCORREM NO 2:

a) CÍCLICA E IRREVERSÍVEL: estado inicial (A) = Estado final (A), embora os intermediários

não sejam os mesmos.

A → B → C

↖ E ← D ↙

1º Princípio da termodinâmica ou Lei da Conservação de Energia

• Foi formulada por Julius Robert Von Mayer (1842), quando investigava em nativos da

ilha de Java, a influência do calor sobre os gases do sangue.

• Observou-se uma equivalência entre a quantidade do trabalho produzido e o calor

consumido (artigo: “O Princípio da Conservação da Energia”).

Princípios da Conservação de Energia:

1) A energia não pode ser criada ou destruída, mas somente convertida de uma forma

em outra. A soma de todas essas formas de energia (a que foi criada e as posteriores

convertidas) é constante. Ex.: energia gravitacional da água em queda (transforma-se

em cinética, mecânica, elétrica, etc).

2) Toda transformação de energia se acompanha de produção de energia térmica (calor).

Lembrando que esse calor, segundo 1ª Lei da TD pode ser convertido em trabalho e

vice-versa.

3) Qualquer forma de energia ou trabalho pode ser convertida em calor. Todavia, o calor

não pode ser convertido integralmente em trabalho ou outra forma de energia porque

uma parte sempre continuará como calor, vital para qualquer processo, inclusive para

os seres vivos; assim, esse calor presente contínuo dá origem à entropia (grau de

desorganização molecular), que ocorre em todos os processos universais.

4) A Energia do Universo é Constante. O universo se encontra em constante movimento,

trocando energia com os diversos pontos inseridos no próprio universo, segundo

gradiente de conservação energética.

• A demonstração prática destes princípios foi realizada por Joule (1878), quando provou

que a redução de energia mecânica equivale à quantidade de calor apresentada no

calorímetro (1 joule = 0,24 cal):

Experimento de Joule

Dois corpos de massas M1 e M2

desprezíveis caiam de uma altura h.

Os corpos eram ligados por fios

inextensíveis a um eixo que faziam girar

palhetas dentro da água de um

calorímetro.

A diminuição da energia mecânica

dos corpos é indicada pelo aquecimento da

água, registrada no calorímetro.

O aquecimento da água era

equivalente a ter sido transferida, para ela,

a energia (Q=m.c.∆t).

Onde: c é a capacidade calorífica da água;

m é a massa da água e ∆t a elevação da

temperatura.

Desta forma, provou que a redução de energia mecânica equivale a quantidade

de calor apresentada no calorímetro (1 joule = 0,24 cal).

1º princípio da Termodinâmica e suas aplicações:

• Todos os sistemas vivos, independente do nível de complexidade, necessitam de

energia;

• A energia da luz visível (sol) é utilizada pelos vegetais na fotossíntese, fornecendo

calor e trabalho;

• Na visão, a luz visível sensibiliza os cones e os bastonetes, produzindo energia

elétrica;

• Na audição, energia sonora é convertida em elétrica no ouvido interno (cóclea).

Calorimetria

• Calorimetria direta é um método de medida do calor desprendido por um animal; • A energia interna (U) de um animal sofre constante diminuição, sendo reposta pela

alimentação, o que permite ao mesmo se manter em atividade; • A atividade corresponde à energia mecânica na forma de trabalho (W) e a parte que é

convertida em calor (Q) desprendido pelo animal:

=

Equivalente calórico e taxa metabólica

• Na alimentação básica (carboidrato, proteína e lipídeo), um adulto jovem consome cerca de 1 litro de oxigênio para produzir em torno de 4,8 Kcal de energia. Essa relação corresponde ao equivalente calórico.

• O desprendimento de calor eleva a temperatura da corrente de água que circula na serpentina que contorna o calorímetro, indicando a quantidade de calor produzida;

• Assim, a quantidade de calor produzida representa o metabolismo energético, isto é, a taxa metabólica (TM) em kilocaloria por superfície corporal e por hora (Kcal/m2/h). O valor da TM depende da situação em que o indivíduo se encontre: - Deitado e em repouso corresponde a 40 Kcal/m2/h - De pé corresponde a 60 Kcal/m2/h - Realizando um exercício moderado 140 Kcal/m2/h - Realizando um exercício vigoroso 600 Kcal/m2/h

Segunda Lei da Termodinâmica

“Para a conversão de calor em trabalho se faz necessário duas fontes com temperaturas diferentes”.

• Parte do princípio de transferência de energia, cujos postulados dizem:

1) A energia é deslocada de níveis mais altos para mais baixo espontaneamente, seja seu conteúdo energético ou matéria.

2) É possível transferir energia de um nível mais baixo para um mais alto mediante realização de trabalho (W).

3) Todo o sistema que realizou trabalho tem a sua energia diminuída.

• Como a primeira lei da TD diz que a quantidade de Energia é constante, é forçoso concluir, pela segunda lei da TD, que após cada mudança, a qualidade da Energia piorou: a cada mudança aparece uma espécie de Energia degradada, incapaz de realizar trabalho. A esta energia, dá-se o nome de entropia.

• Entalpia, Entropia e Energia Livre e sua correlação: Entalpia (H) é o conteúdo de calor de um sistema. Ela sempre se apresenta como variação de entalpia (ΔH), sendo cada um para uma mudança de fase do sistema. Quando a mudança libera calor, diz-se que a reação é exotérmica, logo ΔH é negativo (-ΔH); exemplo: dissolução de NaOH em água (solução apresenta-se quente, alta liberação de calor). Quando a mudança absorve calor então a reação é endotérmica, logo a entalpia é positiva (+ΔH); por exemplo, a dissolução de nitrato de prata é acompanhada de resfriamento (absorção de calor), sentido pelo tato. A maioria das reações é exotérmica, apesar de muitas reações em sistemas biológicos serem endotérmicas. Entropia (S): é uma qualidade energética presente em todos os sistemas do universo incapaz de realizar trabalho. A entropia do universo tende ao máximo. A entropia negativa (-ΔS) corresponde à diminuição da energia, enquanto que entropia positiva (+ΔS) corresponde ao aumento dessa energia. De um modo geral, a entropia aumenta com a elevação da temperatura. Numa reação (ou qualquer mudança), o produto da entropia (ΔS) pela temperatura absoluta (T) dá a quantidade de entropia que acompanha essa reação: Quantidade de entropia = TΔS.

A entalpia e a entropia podem ser combinadas numa reação que fornece Energia Livre (ΔG) de um processo ou reação:

Energia livre = Entalpia – Entropia ΔG = ΔH – TΔS

- A energia livre (ΔG) é capaz de realizar trabalho a volume e pressão constantes, assim como temperatura.

• O emprego do segundo princípio não encontra restrição alguma quando o sistema é

fechado (não há afluxo de energia livre). • A sucessiva realização de trabalhos leva a degradação de sua energia livre (aumento da

entropia, levando a desordem do sistema), tornando impossível a realização de um novo trabalho.

• Sob o ponto de vista da termodinâmica, o ser vivo é um sistema capaz de controlar a desordem. Logo, por ser um sistema aberto, este tem a capacidade de incorporar energia livre vinda de uma fonte externa, permitindo ao ser vivo manter a ordem, isto é, uma situação de relativo equilíbrio termodinâmico durante o período de seu ciclo vital.

• A vida depende da contínua troca de substâncias e das transformações de energia utilizadas na realização dos trabalhos vitais.

• O ser vivo, independente do nível de complexidade direta ou indiretamente, dependem da energia solar. Assim, a energia é fundamental para a preservação das características morfológicas e funcionais, e em especial garantir a continuidade das espécies.

• Nenhuma forma de trabalho pode ocorrer sem a participação da energia! Por exemplo, uma lâmpada incandescente produz luz e calor (trabalho), porque recebe energia elétrica; para o funcionamento de qualquer máquina é necessário a existência de uma diferença de energia livre (segundo princípio).

• Desta forma, o ser vivo, não diferente dos outros sistemas, necessita também de energia para ocorrência de trabalho para que possa realizar suas funções vitais.

• Alguns exemplos de realização de trabalho no ser vivo mediante requerimento de energia é o transporte de substâncias para fora ou para dentro da célula (diferença de concentração), transmissão do impulso nervoso (diferença de elétrons – energia livre entre dois pontos de um nervo), circulação sistêmica (fluidez do sangue do VE para o AD, diferença de pressão entre estas câmaras do coração), etc.

A desordem aumenta em qualquer sistema?

• São muitos os desafios na compreensão dos processos biológicos sob o ponto de vista da termodinâmica;

• Não existe contradição entre o segundo princípio e a evolução biológica; • O segundo princípio não proíbe a evolução do simples para o complexo. • Vários exemplos são vistos na natureza aonde se chega a um estado mais ordenado a

partir de um estado menos ordenado (mediante complexidade): Complexidade

Estado menos ordenado Estado mais ordenado

Gases (vapor de água) Condensação em líquido (chuva)

Congelamento de líquido Sólido cristalino (gelo)

Únicas células (zigoto) Complexo multicelular (embrião)

Como as células mantêm a ordem?

• As células mantém uma relativa ordem pela contínua importação de energia livre, na forma de nutrientes, e exportação de entropia (resíduos desordenados e calor);

• A importação de nutrientes é seletiva através da membrana semipermeável; • O metabolismo celular converte nutrientes em ATP e biomoléculas (a fim de manter a

manutenção, auto reprodução e crescimento celular);

• Esta conversão mantém um estado de maior ordenação interna (baixa entropia) em relação ao ambiente externo, que se apresenta em altas quantidades residuais, com alto valor de entropia, e calor.

Segundo princípio da termodinâmica e biologia evolutiva (manutenção da ordem a nível celular)

A energia livre em forma de nutrientes (como glicose, aminoácidos) é convertida em calor e outros nutrientes (como gás carbônico e ureia), através do metabolismo celular, convertendo esses nutrientes em ATP e biomoléculas (como visto anteriormente). Esses nutrientes chegam à célula através da membrana semipermeável e são transportadas para a mesma através de proteínas transmembrana na camada bilipídica da célula, relativamente permeável.

Biologia Evolutiva e Obtenção de Energia • Pode-se considerar que não há contradição entre a biologia evolutiva e a segunda lei

da termodinâmica. • Especulam-se alguns processos de obtenção de energia utilizados pelo sistema

primitivo de vida, que é a fotossíntese, fermentação, e respiração interna. Em síntese, os três processos são esquematizados abaixo: Fotossíntese: 673 Kcal (luz) 6 H2O + 6 CO2 → C6H12O6 + 6 O2 (equação reduzida) Clorofila Respiração interna: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Energia (38 ATPs) Fermentação: - Láctica (bactérias e alguns protozoários): C6H12O6 →2C3H6O3 + Energia (2ATPs) - Alcoólica (bactérias e leveduras): C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + Energia (ATPs)

• Algumas evidências (através de fosseis com cerca de 3,5 Bilhões de anos) mostraram que os primeiros sistemas vivos eram de procariontes heterotróficos anaeróbios. O seu processo elementar de obtenção de energia era semelhante ao processo de fermentação a partir de substâncias orgânicas presentes no ambiente; esta descoberta permitiu que a transição do ser inanimado para o vivo.