Transformação da energia solar em energia química.
A fotossíntese é o processo através do qual os vegetais produzem os alimentos, o combustível indispensável para a vida da planta, do homem e outros animais. É na fotossíntese realizada pelas plantas que ocorre o primeiro e principal processo de transformação de energia no ambiente terrestre. Os vegetais que possuem clorofila absorvem energia solar e gás carbônico do ar e realizam reações químicas produzindo material orgânico como açúcares, gorduras e proteínas e liberam oxigênio.
A reação química que ocorre na fotossíntese poderia ser esquematizada da seguinte forma:
Gás carbônico + água > glicose + oxigênio
A energia dos alimentos
Os alimentos, dos quais a energia é liberada (carboidratos, lipídeos e proteínas) são convertidos no corpo em glicose, ácidos graxos e aminoácidos. A energia liberada pela desintegração dos alimentos não é utilizado prontamente para realizar trabalho, e sim, utilizada para fabricar outro composto químico, o ATP (adenosina trifosfato). Ele é um nucleotídeo composto de adenina, ribose e três radicais fosfato (dos quais dois são adicionados por meio de ligações ricas em energia), que pode ser liberado rapidamente no trabalho mecânico, síntese de componentes químicos, etc. O ATP é considerado como a energia corrente da célula, pois pode ser gasto e refeito várias vezes.
Diariamente ingerimos alimentos cuja energia é utilizada na realização de nossas atividades. Veja abaixo, a taxa de utilização de energia medida em quilocalorias por hora em algumas atividades.
Atividade kcal/h
Dormir 78 kcal/h
Ficar sentado 108 kcal/h
Assistir aula ou estudar 180 kcal/h
Trabalhar 180 kcal/h
Ficar em pé 120 kcal/h
Andar 228 kcal/h
Metabolismo
Estrutura do trifosfato de adenosina, um intermediário central no metabolismo energético.
Metabolismo é o conjunto de transformações que as substâncias químicas sofrem no interior dos organismos vivos. O termo "metabolismo celular" é usado em referência ao conjunto de todas as reações químicas que ocorrem nas células. Estas reações são responsáveis pelos processos de síntese e degradação dos nutrientes na célula e constituem a base da vida, permitindo o crescimento e reprodução das células, mantendo as suas estruturas e adequando respostas aos seus ambientes.
As reações químicas do metabolismo estão organizadas em vias metabólicas, que são sequências de reações em que o produto de uma reação é utilizado como reagente na reação seguinte. Diferentes enzimas catalisam diferentes passos de vias metabólicas, agindo de forma concentrada de modo a não interromper o fluxo nessas vias. As enzimas são vitais para o metabolismo porque permitem a realização de reações desejáveis mas termodinamicamente desfavoráveis, ao acoplá-las a reações mais favoráveis. As enzimas regulam as vias metabólicas em resposta a mudanças no ambiente celular ou a sinais de outras células.
O metabolismo é normalmente dividido em dois grupos: anabolismo e catabolismo. Reações anabólicas, ou reações de síntese, são reações químicas que produzem nova matéria orgânica nos seres vivos. Sintetizam-se novos compostos (moléculas mais complexas) a partir de moléculas simples (com consumo de ATP). Reações catabólicas, ou reações de decomposição/degradação, são reações químicas que produzem grandes quantidades de energia livre (sob a forma de ATP) a partir da decomposição ou degradação de moléculas mais complexas (matéria orgânica). Quando o catabolismo supera em atividade o anabolismo, o organismo perde peso, o que acontece em períodos de jejum ou doença; mas se o anabolismo superar o catabolismo, o organismo cresce ou ganha peso. Se ambos os processos estão em equilíbrio, o organismo encontra-se em equilíbrio dinâmico ou homeostase.
O metabolismo envolve um vasto conjunto de reações químicas, mas a maioria cai dentro de alguns tipos básicos de transferências de grupos funcionais. Esta química comum permite às células usarem um conjunto relativamente pequeno de intermediários metabólicos no transporte de grupos químicos de uma reação para a seguinte. Estes intermediários de transferência de grupos são as coenzimas. Cada classe de reação de transferência de grupos corresponde a uma determinada coenzima, servindo de substrato para um conjunto de enzimas que a produz e que a consome. Assim, as coenzimas são continuamente produzidas, consumidas e então recicladas.
A coenzima mais central é o trifosfato de adenosina (ATP), a moeda de troca energética universal das células. Este nucleótido é utilizado para transferir energia química entre diferentes reações químicas. Existe uma pequena quantidade de ATP permanentemente presente nas células, mas como é constantemente regenerado, o corpo humano é capaz de utilizar o seu peso em ATP por dia. O ATP atua como uma ponte entre catabolismo e anabolismo, tendo a s reações catabólicas como produtoras de ATP e as anabólicas como consumidoras. Também serve como um transportador de grupos fosfato em reacções de fosforilação.
Termodinâmica de sistemas vivos
Os sistemas vivos têm de obedecer às leis da termodinâmica. A grande complexidade dos organismos aparentemente contradiz a segunda lei da termodinâmica, que enuncia que a entropia de um sistema fechado tende a aumentar; no entanto, os sistemas vivos são sistemas abertos que trocam energia e massa com o seu exterior. Assim, os organismos não se encontram em equilíbrio termodinâmico, sendo antes sistemas dissipativos, pois mantêm a sua ordem ao aumentar a entropia do seu ambiente. O metabolismo celular faz o acoplamento entre o processo espontâneo de catabolismo e o processo não espontâneo de anabolismo para obter este efeito. Em termos termodinâmicos, o metabolismo mantém a ordem ao criar desordem.
A energia que vem dos alimentos
É fácil entender que as máquinas funcionam à custa do consumo de combustível. Afinal se está familiarizado com postos de gasolina, que vendem o combustível que mantém os carros funcionando, utilizando a energia liberada no processo de combustão.
O ser humano também precisa de combustível para "funcionar" e aproveita a energia liberada no processo de combustão dos alimentos, de modo similar ao que acontece nos carros, isto é, através de reação com oxigênio e produção de substâncias mais simples, geralmente gás carbônico e água. A gasolina é uma mistura de hidrocarbonetos, substâncias compostas apenas de hidrogênio e carbono, em diferentes quantidades e proporções. O principal componente é o octano, C8H18. A reação envolvida é:
C8H18(g) + 12½ O2(g) 8 CO2(g) + 9 H2O(l)
A principal fonte de energia do ser humano são os alimentos, compostos basicamente de carboidratos, proteínas e gorduras. Aliás, cerca de 50% do que ingere é de carboidratos, mas boa parte não sofre o processo de digestão e, portanto a energia que está armazenada nestas substâncias não é aproveitada. Por exemplo, a celulose, que é o material estrutural da madeira, é uma fonte primária de fibras na dieta do homem. As fibras são necessárias e auxiliam no movimento de material através dos intestinos, mas não fornecem energia porque não são digeridas.
Os carboidratos digeríveis são os açúcares e amidos. O organismo transforma estas substâncias em glicose, que se dissolve na corrente sanguínea e pode ser transportada até as células. Nos animais, inclusive humanos, a glicose passa por reação de combustão e fornece a energia necessária para o organismo.
C6H12O6(aq) + 6 O2(g) 6 CO2(g) + 6 H2O(l)
O calor liberado durante este processo é igual a 16 mil joules (ou 16 kilojoules) por grama de glicose queimada. O número parece assustadoramente alto, principalmente para quem deseja emagrecer! Este calor é suficiente para aquecer 1 litro de água em 4ºC. O ser humano queima 1 grama de glicose em um minuto andando de bicicleta ou em 2 minutos estudando química. Uma batida do coração consome a energia de aproximadamente 1 joule. Na média considera-se que a queima dos açúcares e amidos no organismo libera a energia correspondente de 17 mil joules (ou 17 kJ) por grama do carboidrato.
Habitualmente o conteúdo energético dos alimentos é descrito em calorias alimentares, que na verdade são quilocalorias (kcal). Passando para esta outra unidade, observa-se que o calor liberado pela queima dos carboidratos é de cerca de 4 kcal por grama. Outro combustível alimentar importante são as proteínas que são substâncias compostas principalmente de carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio, formadas por enormes seqüências de unidades simples, os aminoácidos.
As proteínas desempenham várias e importantes funções nos seres vivos e também são usadas como fonte de energia. Boa parte das proteínas que se come é decomposta em partes durante o processo de digestão e estas partes são aproveitadas para a construção de outras proteínas, como músculos, por exemplo, no próprio organismo.
Entretanto, uma parte é queimada, isto é, reage com oxigênio e tem como produto final a uréia CO(NH2)2. Neste processo, a energia liberada, em média, é de 17 mil joules por grama, aproximadamente a mesma quantidade de energia liberada com a queima dos açúcares.
As gorduras são a principal fonte de energia.
Estes compostos têm longas cadeias do grupo CH2 e, neste aspecto, são similares aos hidrocarbonetos que compõem a gasolina, comportando-se de modo parecido. Por exemplo, a tristearina, C57H110O6, componente da gordura da carne bovina, consiste de três longas cadeias do grupo CH2 ligadas entre si em uma das extremidades por grupos que contém oxigênio. A queima desta substância libera 38 mil joules por grama, ou seja, 9 kcal por grama, mais do que o dobro do calor liberado pelos carboidratos e proteínas, e próximo do calor liberado na queima da gasolina que é de 48 mil joules por grama (12 kcal por grama).
As gorduras contêm uma proporção muito pequena de átomos de oxigênio e durante a combustão liberam mais calor do que as proteínas e os carboidratos. Quando se come mais combustível do que se utiliza, o excesso é armazenado na forma de gordura para uso futuro. Animais e máquinas precisam ser muito eficientes em estocar combustível para uso futuro. O acúmulo de gordura no corpo humano exerce o mesmo papel dos depósitos de petróleo na Terra. Ambos correspondem a energia armazenada de modo altamente compacto, à espera de utilização.
Entretanto, a quantidade de combustível necessária para um indivíduo depende das suas atividades e do seu preparo físico. Quanto mais ativos for, mais combustível necessita. Uma pessoa muito ativa pode consumir o dobro da energia de uma pessoa sedentária. Além de simplesmente consumir energia, a atividade física viabiliza a construção de músculos e a diminuição de gordura no corpo. Como o tecido muscular requer mais energia para a sua própria manutenção do que o tecido gorduroso, a pessoa ativa e com musculatura bem desenvolvida, apenas respirando, queima mais combustível do que a pessoa sedentária e isto também colabora para evitar o ganho de peso.
2,5 x 106 / 7,5 x 1013 = Qa
Qa = 3,3 x 10-8 cal por célula.
η=1-Qb
Qa
0,42 = 1-Qb
3,3 x 10-8
13,86 x 10-9 = 3,3 x 10-8 - Qb
1,38 x 10-8 - 3,3 x 10-8 = -Qb
-1,92 x 10-8 = -Qb
Qb = 1,9 x 10-8 cal
Assim como uma máquina não,a célula não aproveita toda a quantidade de energia recebida,sempre terá uma porcentagem que será desperdiçada.
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