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2.2: Energia - Biologia

2.2: Energia - Biologia


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Praticamente todas as tarefas realizadas por organismos vivos requerem energia. Por exemplo, a energia é necessária para a síntese e quebra de moléculas, bem como para o transporte de moléculas para dentro e para fora das células. Além disso, processos como ingestão e decomposição de alimentos, exportação de resíduos e toxinas e movimento celular requerem energia.

Cientistas usam o termo bioenergética para descrever o conceito de fluxo de energia através de sistemas vivos, como células. Os processos celulares, como a construção e a quebra de moléculas complexas, ocorrem por meio de reações químicas graduais. Algumas dessas reações químicas são espontâneas e liberam energia, enquanto outras requerem energia para prosseguir. Juntas, todas as reações químicas que ocorrem dentro das células, incluindo aquelas que consomem ou geram energia, são chamadas de metabolismo.

De onde e de que forma vem essa energia? Como as células vivas obtêm energia e como a usam? Esta seção discutirá as diferentes formas de energia e as leis físicas que governam a transferência de energia.

Energia

Termodinâmica refere-se ao estudo da energia e transferência de energia envolvendo matéria física. O assunto relevante para um caso particular de transferência de energia é chamado de sistema, e tudo fora dessa matéria é chamado de ambiente. Por exemplo, ao aquecer uma panela com água no fogão, o sistema inclui o fogão, a panela e a água. A energia é transferida dentro do sistema (entre o fogão, a panela e a água). Existem dois tipos de sistemas: abertos e fechados. Em um sistema aberto, a energia pode ser trocada com seus arredores. O sistema de fogão está aberto porque o calor pode ser perdido para o ar. UMA Sistema fechado não pode trocar energia com seu entorno.

Os organismos biológicos são sistemas abertos. A energia é trocada entre eles e seus arredores à medida que usam a energia do sol para realizar a fotossíntese ou consumir moléculas armazenadoras de energia e liberar energia para o meio ambiente, trabalhando e liberando calor. Como todas as coisas no mundo físico, a energia está sujeita às leis físicas. As leis da termodinâmica governam a transferência de energia em e entre todos os sistemas do universo. Em geral, energia é definido como a capacidade de trabalhar ou de criar algum tipo de mudança. A energia existe em diferentes formas: energia elétrica, energia luminosa, energia mecânica e energia térmica são todos tipos diferentes de energia. Para apreciar a maneira como a energia flui para dentro e para fora dos sistemas biológicos, é importante compreender duas das leis físicas que governam a energia.

o primeira lei da termodinâmica afirma que a quantidade total de energia no universo é constante e conservada. Em outras palavras, sempre houve, e sempre haverá, exatamente a mesma quantidade de energia no universo. A energia existe em muitas formas diferentes. De acordo com a primeira lei da termodinâmica, a energia pode ser transferida de um lugar para outro ou transformada em diferentes formas, mas não pode ser criada ou destruída. As transferências e transformações de energia ocorrem ao nosso redor o tempo todo. As lâmpadas transformam a energia elétrica em luz e calor. Os fogões a gás transformam a energia química do gás natural em energia térmica. As plantas realizam uma das transformações de energia mais úteis biologicamente na Terra: a conversão da energia da luz solar em energia química armazenada nas moléculas orgânicas (Figura ( PageIndex {2} ) abaixo).

O desafio para todos os organismos vivos é obter energia de seus arredores em formas que sejam utilizáveis ​​para realizar o trabalho celular. As células evoluíram para enfrentar esse desafio. A energia química armazenada nas moléculas orgânicas, como açúcares e gorduras, é transferida e transformada por meio de uma série de reações químicas celulares em energia dentro das moléculas de ATP (trifosfato de adenosina). A energia nas moléculas de ATP é facilmente acessível para trabalhar. Exemplos dos tipos de trabalho que as células precisam fazer incluem construir moléculas complexas, transportar materiais, impulsionar o movimento dos cílios ou flagelos e contrair os músculos para criar movimento.

As principais tarefas de uma célula viva de obter, transformar e usar energia para trabalhar podem parecer simples. No entanto, o segunda lei da termodinâmica explica por que essas tarefas são mais difíceis do que parecem. Todas as transferências e transformações de energia nunca são completamente eficientes. Em cada transferência de energia, alguma quantidade de energia é perdida de uma forma inutilizável. Na maioria dos casos, essa forma é energia térmica.

Termodinamicamente, energia termica é definido como a energia transferida de um sistema para outro que não funciona. Por exemplo, quando uma lâmpada é ligada, parte da energia sendo convertida da energia elétrica em energia luminosa é perdida como energia térmica. Da mesma forma, parte da energia é perdida como energia térmica durante as reações metabólicas celulares.

Um conceito importante em sistemas físicos é o de ordem e desordem. Quanto mais energia é perdida por um sistema para seus arredores, menos ordenado e mais aleatório o sistema é. Os cientistas se referem à medida de aleatoriedade ou desordem dentro de um sistema como entropia. Alta entropia significa alta desordem e baixa energia. Moléculas e reações químicas também têm entropia variável. Por exemplo, a entropia aumenta à medida que as moléculas em alta concentração em um local se difundem e se espalham. A segunda lei da termodinâmica diz que a energia sempre será perdida na forma de calor nas transferências ou transformações de energia. Os seres vivos são altamente ordenados, exigindo um consumo constante de energia para serem mantidos em um estado de baixa entropia.

Energia Potencial e Cinética

Quando um objeto está em movimento, há energia associada a esse objeto. Pense em uma bola de demolição. Mesmo uma bola de demolição lenta pode causar muitos danos a outros objetos. A energia associada a objetos em movimento é chamada energia cinética. Uma bala em alta velocidade, uma pessoa que anda e o movimento rápido das moléculas no ar têm energia cinética. Agora, e se a mesma bola de demolição imóvel for levantada dois andares acima do solo com um guindaste? Se a bola de demolição suspensa não estiver se movendo, há energia associada a ela? A resposta é sim. A energia necessária para levantar a bola de demolição não desapareceu, mas agora é armazenada na bola de demolição em virtude de sua posição e da força da gravidade atuando sobre ela. Este tipo de energia é chamado energia potencial (Figura ( PageIndex {3} ) abaixo). Se a bola cair, a energia potencial será transformada em energia cinética até que toda a energia potencial se esgote quando a bola pousa no solo. As bolas de demolição também balançam como um pêndulo; através do balanço, há uma mudança constante de energia potencial (mais alta no topo do balanço) para energia cinética (mais alta na parte inferior do balanço). Outros exemplos de energia potencial incluem a energia da água mantida atrás de uma represa ou uma pessoa prestes a saltar de paraquedas de um avião.

A energia potencial não está apenas associada à localização da matéria, mas também à estrutura da matéria. Mesmo uma mola no solo tem energia potencial se for comprimida; o mesmo acontece com um elástico esticado. Em um nível molecular, as ligações que mantêm os átomos das moléculas juntos existem em uma estrutura particular que tem energia potencial. O fato de que a energia pode ser liberada pela quebra de certas ligações químicas implica que essas ligações têm energia potencial. Na verdade, há energia potencial armazenada nas ligações de todas as moléculas de alimentos que comemos, que é aproveitada para uso. O tipo de energia potencial que existe dentro das ligações químicas e é liberada quando essas ligações são quebradas é chamado energia química. A energia química é responsável por fornecer às células vivas a energia dos alimentos. A liberação de energia ocorre quando as ligações moleculares dentro das moléculas dos alimentos são quebradas.


Energia CH 2-1,2-2

Use esses flashcards para ajudar a memorizar informações. Olhe para o cartão grande e tente se lembrar do que está do outro lado. Em seguida, clique no cartão para virá-lo. Se você sabia a resposta, clique na caixa verde Saber. Caso contrário, clique na caixa vermelha Não sei.

Depois de colocar sete ou mais cartas na caixa Não sei, clique em "repetir" para tentar essas cartas novamente.

Se você acidentalmente colocou o cartão na caixa errada, basta clicar no cartão para retirá-lo da caixa.

Você também pode usar o teclado para mover os cartões da seguinte maneira:

  • BARRA DE ESPAÇOS - vira o cartão atual
  • SETA PARA A ESQUERDA - move a carta para a pilha de Não sei
  • SETA PARA A DIREITA - mova a carta para a pilha de conhecimento
  • BACKSPACE - desfaz a ação anterior

Se você estiver conectado à sua conta, este site lembrará quais cartões você conhece e quais não sabe, para que eles estejam na mesma caixa na próxima vez que você fizer o login.

Quando precisar de uma pausa, tente uma das outras atividades listadas abaixo dos flashcards, como Matching, Snowman ou Hungry Bug. Embora possa parecer que você está jogando um jogo, seu cérebro ainda está fazendo mais conexões com as informações para ajudá-lo.


Todas as coisas vivas são capazes de manter um ambiente interno mais ou menos constante. Independentemente das condições ao seu redor, eles podem manter as coisas relativamente estáveis ​​por dentro. A condição em que um sistema é mantido em um estado mais ou menos estável é chamada homeostase . Os seres humanos, por exemplo, mantêm uma temperatura corporal interna estável. Se você sair de casa quando a temperatura do ar estiver abaixo de zero, seu corpo não congela. Em vez disso, por tremores e outros meios, ele mantém uma temperatura interna estável.

Figura 2.2.2 Homeostase da temperatura corporal.


2.2) Níveis de organização

A maioria das células, quando terminam de se dividir e crescer, tornam-se especializadas.

  • Eles fazem um trabalho específico
  • Eles desenvolvem uma forma distinta
  • Tipos especiais de mudança química ocorrem em seu citoplasma.

‘Divisão de trabalho’ - a especialização das células para realizar funções particulares em um organismo.

Células do mesofilo da paliçada e fotossíntese # 8211

Células nervosas & # 8211 condução de impulsos

Reprodução de espermatozoides e óvulos & # 8211

Tecido é um grupo de células com estruturas semelhantes, trabalhando juntas para desempenhar uma função compartilhada.

Por exemplo. Osso, nervo, músculo, epiderme, xilema

Órgão é uma estrutura formada por um grupo de tecidos, trabalhando juntos para desempenhar uma função específica.

Por exemplo. Estômago, coração, pulmões, intestinos, cérebro, olhos

Sistema de órgão é um grupo de órgãos com funções relacionadas, trabalhando juntos para realizar uma função corporal.


Atividade física: efeitos benéficos

Glossário

O custo total de energia para manter as condições constantes no corpo mais o custo de energia das atividades físicas.

Atividade física regular, planejada e estruturada com o objetivo de melhorar ou manter um ou mais aspectos da aptidão física.

Um estado de completo bem-estar físico, mental e social e não apenas a ausência de doença ou enfermidade.

Qualquer movimento corporal produzido pelos músculos esqueléticos que resulte em gasto de energia.

Uma medida da capacidade do corpo de lidar com atividades físicas ou exercícios.


Estrutura dos carboidratos

Monossacarídeos
Todos os carboidratos são formados a partir dos elementos carbono (C), hidrogênio (H) e oxigênio (O). A fórmula de um carboidrato é sempre (CH2O)n. O n representa o número de vezes que o CH básico2A unidade é repetida, e. onde n = 6, a fórmula molecular é C6H12O6. Esta é a fórmula compartilhada pela glicose e outros açúcares simples como a frutose. Esses açúcares simples são conhecidos como monossacarídeos.

A fórmula molecular, C6H12O6, não indica como os átomos se ligam. Ligados aos átomos de carbono estão vários grupos -H e -OH. Diferentes posições desses grupos na cadeia de carbono são responsáveis ​​por diferentes propriedades das moléculas. As fórmulas estruturais da glicose α e β são mostradas abaixo.

A glicose é tão pequena que pode passar pelas vilosidades e capilares até a corrente sanguínea. As moléculas posteriormente liberam energia como resultado da respiração. As moléculas de glicose simples são capazes de muito mais. Eles podem se combinar com outros para formar moléculas maiores.

Dissacarídeos
Cada unidade de glicose é conhecida como um monômero e é capaz de conectar outras pessoas. Este diagrama mostra duas moléculas de β glicose formando um dissacarídeo.

Em seus exames, procure diferentes monossacarídeos sendo administrados, como frutose ou α glicose. Você pode ser solicitado a mostrar como eles se relacionam. O princípio será exatamente o mesmo.

UMA condensação A reação significa que, quando duas moléculas de carboidratos se unem, uma molécula de água é produzida. A ligação formada entre as duas moléculas de glicose é conhecida como um ligação glicosídica.

Uma ligação glicosídica também pode ser quebrada para liberar unidades monoméricas separadas. Este é o oposto da reação mostrada acima. Em vez de a água ser liberada, uma molécula de água é necessária para quebrar cada ligação glicosídica. Isso é chamado hidrólise porque a água é necessária para dividir a molécula maior.

Polissacarídeos
Como os dissacarídeos, eles consistem em unidades monoméricas ligadas pela ligação glicosídica. No entanto, em vez de apenas duas unidades monoméricas, eles podem ter muitos. As cadeias dessas unidades de "açúcar" são conhecidas como polímeros. Essas moléculas maiores têm importantes funções estruturais e de armazenamento.

O amido é um polímero do açúcar, glicose. O diagrama abaixo mostra parte de uma molécula de amido.

A tabela classifica carboidratos

Quão úteis são os polissacarídeos?

  • Amido é armazenado em organismos como uma futura fonte de energia, por ex. a batata tem um alto teor de amido para fornecer energia para os botões crescerem em um estágio posterior.
  • Glicogênio é armazenado no fígado, que libera glicose para energia em momentos de baixo açúcar no sangue.

Tanto o amido quanto o glicogênio são insolúveis, o que permite que permaneçam dentro das células.

  • Celulose tem longas cadeias e ramos que ajudam a formar uma camada protetora resistente ao redor das células vegetais, a parede celular.
  • Pectinas são usados ​​junto com a celulose na parede celular. Eles são polissacarídeos que são unidos pelo pectato de cálcio. As pectinas ajudam as células a se ligarem.

Juntas, a celulose e as pectinas proporcionam uma resistência mecânica excepcional. A parede celular também é permeável a uma ampla gama de substâncias.


2.2.U2) A ligação de hidrogênio e a dipolaridade explicam as propriedades coesivas, adesivas, térmicas e solventes da água.

Propriedade Explicação em termos de ligações de hidrogênio e dipolaridade Exemplo de benefício para organismos vivos
Coesão A capacidade de moléculas semelhantes de se unir à água é fortemente coesiva devido às muitas ligações de hidrogênio formadas entre elas (arranjo tetraédrico). Tensão superficial : Ligações de hidrogênio coesivas resistem a objetos que tentam penetrar na superfície. Permite que organismos, como patinadores de lagoas, se movam na superfície da água.
Adesão A capacidade das moléculas diferentes de se unirem à dipolaridade das moléculas de água faz com que elas grudem em superfícies polares e, portanto, hidrofílicas. Ação capilar : As forças adesivas entre a água e a celulose (em vasos de xilema) permitem que a água seja transportada pelos caules das plantas através do fluxo de transpiração.
Térmico Devido à extensa ligação de hidrogênio entre as moléculas de água, as ligações de hidrogênio precisam ser quebradas antes que possam mudar de estado, o que requer a absorção de energia significativa (calor). A água, portanto, tem altos pontos de fusão e ebulição e uma alta capacidade de calor específico. As propriedades térmicas da água fazem com que ela seja líquida na maioria dos habitats da Terra, tornando-a adequada para organismos vivos. A alta capacidade de calor específico faz com que sua temperatura mude de forma relativamente lenta, o que o torna um habitat estável.
Solvente Muitas substâncias se dissolvem na água por causa de sua polaridade, incluindo aquelas compostas de íons ou moléculas polares. As reações metabólicas quase sempre acontecem na água, pois a água nas células dissolve os reagentes / substratos.


A Química da Respiração Celular

A seguir, é mostrada a equação química da respiração celular com símbolos para os reagentes e produtos da reação.
Identifique o diagrama abaixo e pinte-o.

/> Glicose (roxo) /> Oxigênio (vermelho) /> ATP (laranja)
/> Dióxido de carbono (verde) /> Água (azul)

8. Produtos são o que é criado durante uma reação. Quais são os três produtos da respiração celular?

9. Os reagentes são o que entra na reação, quais são os dois reagentes necessários para que a respiração ocorra?

10. O que aconteceria se o oxigênio não estivesse disponível?

11. Consulte suas notas ou livro para escrever a equação para FOTOSSÍNTESE.

12. Como a fotossíntese e a respiração celular são semelhantes?

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Quando a quebra das ligações químicas libera energia?

A quebra de ligações químicas nunca libera energia para o ambiente externo. A energia só é liberada quando as ligações químicas são formado. Em geral, uma reação química envolve duas etapas: 1) as ligações químicas originais entre os átomos são quebradas e 2) novas ligações são formadas. Essas duas etapas às vezes são agrupadas em um evento para simplificar, mas na verdade são dois eventos separados. Por exemplo, quando você queima metano (gás natural) em seu fogão, o metano está reagindo com o oxigênio para formar dióxido de carbono e água. Os químicos geralmente escrevem isso como:

Esta equação química balanceada resume a reação química envolvida na queima do metano. Os reagentes estão à esquerda, os produtos estão à direita e a seta representa o momento em que ocorre a reação. Mas há muitas coisas interessantes acontecendo que estão escondidas atrás dessa flecha. Uma equação mais detalhada seria mais ou menos assim:

A primeira linha da equação contém os reagentes originais: moléculas de metano e moléculas de oxigênio. A primeira seta representa a quebra dos laços, o que requer energia. Na linha do meio estão os átomos, agora separados das moléculas e livres para reagir. A segunda seta representa a formação de novos vínculos. Na última linha estão os produtos finais. É preciso um pouco de energia, como a faísca da ignição do fogão, para iniciar a reação. Isso ocorre porque as ligações devem ser quebradas antes que os átomos possam ser formados em novas ligações, e sempre é preciso energia para quebrar as ligações. Uma vez iniciada a reação, a energia de saída de uma molécula de metano queimada torna-se a energia de entrada para a próxima molécula. Parte da energia liberada por cada ligação formada na produção de dióxido de carbono e água é usada para quebrar mais ligações nas moléculas de metano e oxigênio. Dessa forma, a reação se torna autossustentável (desde que o metano e o oxigênio continuem a ser fornecidos). A ignição pode ser desligada. Se quebrar ligações não exigisse energia, os combustíveis não precisariam de um dispositivo de ignição para começar a queimar. Eles simplesmente começariam a queimar por conta própria. A presença de velas de ignição em seu carro atesta o fato de que quebrar ligações químicas requer energia. (Observe que a combustão do metano na verdade envolve muitas etapas menores, então a equação acima pode ser expandida em ainda mais detalhes.)

O livro Advanced Biology de Michael Roberts, Michael Jonathan Reiss e Grace Monger afirma:

Os biólogos costumam falar sobre a disponibilização de energia pela quebra do açúcar, o que implica que a quebra das ligações químicas nas moléculas do açúcar libera energia. E ainda assim, na química, aprendemos que a energia é liberada, não quando as ligações químicas são quebrado, mas quando eles são formado. Na verdade, a respiração fornece energia, não pela quebra de ligações no substrato, mas pela formação de fortes ligações nos produtos. No entanto, o resultado geral do processo é a produção de energia, e é nesse sentido que os biólogos falam sobre a quebra da energia geradora do açúcar.

A energia total de entrada ou saída de uma reação é igual à energia liberada na formação de novas ligações menos a energia usada para quebrar as ligações originais. Se demorar mais energia para quebrar as ligações originais que é liberada quando as novas ligações são formadas, então a energia líquida da reação é negativa. Isso significa que a energia deve ser bombeada para o sistema para manter a reação em andamento. Essas reações são conhecidas como endotérmicas. Se se tirar menos energia para quebrar as ligações originais que é liberada quando novas ligações são formadas, então a energia líquida da reação é positiva. Esse fato significa que a energia fluirá para fora do sistema à medida que a reação prossegue. Este fato também significa que a reação pode prosseguir por conta própria, sem qualquer energia externa, uma vez iniciada. Essas reações são conhecidas como exotérmicas. (As reações endotérmicas também podem ocorrer por conta própria se houver energia externa suficiente na forma de calor ambiente para ser absorvida.) As reações exotérmicas tendem a aquecer o ambiente circundante, enquanto as reações endotérmicas tendem a resfriá-lo. A queima de combustíveis é exotérmica porque há uma liberação líquida de energia. Cozinhar um ovo é endotérmico porque há uma ingestão líquida de energia para cozinhá-lo. O resultado final é que Ambas As reações endotérmicas e exotérmicas envolvem a quebra de ligações e, portanto, ambas requerem energia para começar.

Faz sentido que quebrar laços sempre consome energia. Uma ligação química mantém dois átomos juntos. Para quebrar o vínculo, você tem que lutar contra o vínculo, como esticar um elástico até que se rompa. Fazer isso requer energia. Como analogia, pense nos átomos como bolas de basquete. Pense na paisagem energética das ligações químicas como um terreno acidentado sobre o qual as bolas de basquete estão rolando. Quando duas bolas são colocadas perto de um buraco redondo, a gravidade as puxa para o fundo, onde se encontram e param. As duas bolas agora ficam próximas por causa do formato do buraco e da força da gravidade. É como a ligação química que une os átomos. Para afastar as bolas umas das outras (para quebrar as amarras), você tem que enrolá-las em lados opostos do buraco. É necessária a energia de sua mão para empurrar as bolas para fazê-las subir pelas laterais do buraco e afastá-las uma da outra. A energia que você coloca no sistema para separar as bolas agora é armazenada como energia potencial nas bolas. Os átomos não rolam literalmente para cima e para baixo nas colinas, mas agem como se estivessem se movendo em uma paisagem de energia muito semelhante a colinas reais.


Assista o vídeo: Biología Nivelación - La Célula (Dezembro 2022).