TERMODINAMICA BIOLOGICA SAU BIOENERGETICA

CONSERVAREA ENERGIEI Living things succeed if they reproduce new generations- Charles Darwin Pentru a reusi sa supravietuiasca, un organism viu trebuie sa fie dotat cu :Un mecanism de conservare si transmitere a informatiei geneticeAbilitatea indivizilor de a trai suficient de mult pentru a se putea reproduce.

CONSERVAREA ENERGIEI: MECANISMEBazele moleculare ale transformarii si conservarii energiei: structura complexelor proteice care catalizeaza majoritatea proceselor energetice.Reactiile fotochimice si procese de transfer de electroni in lantul respirator. Mitocondria si rolul ei in supravietuirea celulara.Fotosinteza, ecologie si incalzire globala. Cicluri majore in biosfera.

Cicluri majore in biosfera; All matter cycles...it is neither created nor destroyed... CICLUL BIO-GEO- CHIMIC

Sistemul terestru se divide in: atmosfera hidrosfera litosfera biosfera

Miscarea materiei intre componentele sistemului terestru Macronutrienti : carbon, hidrogen,oxygen,nitrogen, fosfor, sulf, potasiu, calciu,fier,magneziu. Micronutrienti: bor (plante verzi, cupru (enzime), molibden (bacterii care fixeaza azotul).

Ciclul Biogeochimic generalizat

Ciclul hidrologicRezervoare - km3, %

Atmosfera 12 700, 0.001%Oceane 1 230 000 000 97.2%Lacuri 123 000 0.009 % Rauri, fluvii 1 200 0.0001 %Apa subterana 4 000 000 0.31% Ghetari 28 600 000 2.15% Populatia utilizeaza 12% din apa de suprafata!!!!

Ciclul global al carbonului

Cresterea CO2 in atmosfera: Fluxul inspre atmosfera: Respiratia plantelor + respiratia solului + arderea combustibililor fosili + despaduriri + degajare din oceane + efecte climatice... 60+60+6+2+103+0.6 = 231.6 mld tone/an Fluxul dinspre atmosfera: Fotosinteza plantelor + dizolvat in oceane... 120 + 107 = 227 mld tone/an Diferenta de 4 mld tone/an este degajata in atmosfera.

Ciclul azotului

Azotul este necesar ca nutrient pentru plante

Exista un procent foarte mare de azot in atmosfera (N2 = 80%), dar in aceasta forma nu poate fi utilizat de catre plante. E nevoie de fixarea lui. Fixarea azotului = Conversia chimica a N2 in forme mai reactive cum sunt NH 3 (amoniac) or NO3 (nitrati). Denitrificare = Converia chimica a nitratilor inapoi la forma N 2 . Poluarea cu oxizi de azot (SMOG)= N02produs de automobile si alte surse de combustie ( o culoare maro carcteristica). NO 2 conduce la producerea de ozon in troposphere. Ozonul este necesar in stratosfera pentru a proteja suprafata terestra de radiatia UV, dar in troposfera este poluant.

Ploaia acidaProducerea acidului nitric in atmosfera NO 2 + OH ---> HNO 3

Producerea dioxidului de sulf in atmosfera SO 2 ( din arderea carbunilor) care duce la formarea acidului sulfidric. Acesti acizi sunt solubili in apa si produc ploaia acida.

Primul principiu al termodinamiciiContine principiul general de conservare si transformare a energiei.Energia interna a unui sistem contine energiile cinetice(de vibratie, translatie, rotatie) a microparticulelor (molecule, atomi, particule subatomice) care compun sistemul si energiile potentiale de interactiune reciproca dintre microparticule.Energia interna (U) este o functie de stare.

U= Q - LIn decursul proceselor dintr-un sistem, variatia energiei lui interne este egala cu caldura primita minus lucrul mecanic efectuat.Q>0 (caldura primita de sistem) proces endoterm.Q

functie de stare care caracterizeaza fenomenele termice si chimice care se produc in conditii de presiune constanta.H = U + pVdH = dU+pdV+VdpIzobar dp=0, deci dH = dU+pdVSau H = Qp adica variatia entalpiei intr-un proces desfasurat in conditii izobare este egala cantitativ cu caldura schimbata in decursul procesului.H>0 endotermeH

Legea lui HESSEste o consecinta a principiului I al termodinamicii.Enunt: Daca din anumite substante initiale se obtin, pe cai diferite, anumiti produsi finali, atunci, indiferent de calea urmata, efectul termic total va fi unul si acelasi.Efectul termic total ETT = QV= U in procese izocore ETT= QP= H in procese izobare

Bilantul energetic al unui organism viu si determinarea luiOrganismele vii pot fi asimilate unor masini termice care functioneaza in conditii izoterm izobare.Bilantul energetic BE= AE CE ( aport de energie cheltuiala de energie).Bilant echilibrat AE = CE , BE=0 caracteristic starii stationare.BE>0, AE >CE , organisme tinere in crestere. Caz patologic obezitate.BE

Coeficientii izocaloriciMarimi termo- chimice introduse pentru a se putea calcula aportul energetic al unui organism viu prin principii alimentare.Principii alimentare= principalele trei clase de substante nutritive furnizoare de energie: glucide, lipide , proteine.Reactiile de oxido-reducere sunt furnizoare de energie primara (reactii de combustie).

Coeficienti izocaloriciReprezinta cantitatea de caldura care se pune in libertate prin combustia (oxidarea) unitatii de masa dintr-un principiu alimentar, in conditii determinate.

Ci = H/m [Kcal/g]Coeficienti izocalorici fizici fiziologici practici

Caloria- unitate de masura tolerata1 cal = 4.1855 J Caloria reprezinta caldura nesara unui gram de apa pura pentru a-si ridica temperatura cu 1 grad Celsius printr-o incalzire izobara la presiunea de 1 atmosfera.

Coeficienti izocalorici fiziciReprezinta cantitatea de caldura pusa in libertate prin combustia unitatii de masa dintr-un principiu alimentar, in conditii de laborator. Ei pot fi determinati prin metode calorimetrice.Produsi finali de ardere: CO2, H2O- pentru glucide si lipide CO2, H2O si N2 pentru proteine

Coeficienti izocalorici fiziologiciReprezinta cantitatea de caldura eliberata prin oxidarea unitatii de masa dintr-un principiu alimentar, pana la produsi finali de metabolism.In conditii fiziologice, pentru proteine, produsii finali de metabolism sunt CO2,H2O si substante organice complexe:ureea, acidul uric, creatina, creatinina.Deci combustia proteinelor este incompleta.In cazul proteinelor, coeficientul fiziologic este mai mai mic decat cel fizic.

Coeficienti izocalorici practiciReprezinta cantitatea de caldura eliberata prin oxidarea unitatii de masa dintr-un principiu alimentar, pana la produsi finali de metabolism, tinandu-se cont de gradul de digestibilitate si de absorbtie al alimentelor.Grad de digestibilitate (%) = (mabs/ ming)x 100 cp= . CfizValoarea lui depinde de factori individuali, natura alimentelor(animala, vegetala) si gradul lor de preparare.

Valorile coeficientilor izocaloriciCalculul aportului energetic zilnic (AEZ): AEZ = HZ= mgluccp,gluc +mlipidcp,lipid + mpcp prot, Regula septimilor pentru un regim alimentar echilibrat: 4/7 glucide, 2/7 lipide si 1/7 proteine.

Calculul cheltuielilor energetice Deoarece oxigenul nu se stocheaza, intensitatea reactiilor de combustie la un moment dat este proportionala cu consumul de oxigen in unitatea de timp.Echivalentul caloric al litrului de oxigen EQO2 reprezinta cantitatea de energie eliberata prin consumarea in reactiile de combustie a unui volum de 1 litru de oxigen, masurat in conditii standard.Valoarea lui este intre 4,7 Kcal/litru si 5,05 Kcal/litru

Reactia generala pentru combustia metabolica a unui amestec de alimente: Principii alimentare + n1O2 n2CO2 + n3H2O + alti metaboliti, unde n1, n2 si n3 sunt numarul de moli respectivi.

Coeficient respirator= raportul dintre volumul de CO2 expirat si volumul de oxigen consumat, in acelasi interval de timp. QR= VCO2 / VO2 = n2/ n1 Valoarea maxima a coeficientului respirator este 1 si corespunde metabolizarii exclusive a glucidelor. Valoarea minima este 0.7 ceea ce corespunde metabolizarii exclusive a lipidelor.Cheltuiala energetica a organismului pentru o zi : CEZ = EQO2 x VO2

Repartitia cheltuielilor energetice

MB= metabolism bazal= minimul de energie necesar intretinerii functiilor vitale (respiratie, circulatie, activitate nervoasa etc) 60%ADS= actiune dinamica specifica a alimentelor= efortul biochimic de prelucrare a alimentelor dupa absorbtie 5%TR= termoreglare = cheltuiala energetica pentru stabilirea confortului termic, 10%EM= efort muscular= activitate cu un necesar energetic variabil depinzand de munca fizica prestata , 25%

Cheltuieli energetice zilniceMunca de birou 2800 - 3000 Kcal/ziMunca fizica grea 4500 - 5000 Kcal/zi

Tema individualaCalculati aportul energetic pentru un produs alimentar la alegere ( biscuiti, paste, ciocolata, etc) utilizand informatiile nutritionale de pe ambalaje.

Aspecte practice; fluide biologice

Fluide biologiceFluidele biologice sunt lichidele care provin din organismele vii .Acestea includ fluide excretate (sau secretate) de organism, dar si apa care este integrata in tesuturi.Aproximativ 60-65% din apa organismului viu este continuta in interiorul celulelor ( fluid intracelular) .Restul de 35-40% este distribuit inafara celulelor ( fluid extracelular). Acesta include fluidul dintre celule (interstitial ), limfa si sangele.In organismul viu se afla intre 6 si 10 L de limfa , dar numai 3.5 - 5 L de sange.

Clasificarea fluidelor biologice: Dupa tipul lor:Fluid intracelular -cytosol sau matricea citoplasmatica= lichidul din interiorul celulelor.Fluid extracelularFluid intravascular (plasma) Fluid interstitial (continut in tesuturi)Fluid Lymphatic circula in sistemul limfaticFluid transcelular- portiunea din continutul total de apa al organismului care se gaseste in tesutul epitelial.

Proprietatile mecanice ale fluidelor biologiceDensitateaViscositateaTensiunea superficiala

Apa- proprietati generale

Proprietati generaleMolecula polaraCoeziune si adeziuneCaldura specifica mareDensitate maxima la 4oCSolvent universal

Polaritatea moleculei de apaIn molecula de apa doi atomi de hidrogen formeaza o legatura polara covalenta cu atomul de oxigen.Apa este mai structurata decat alte lichide :Regiunea din jurul oxigenului este incarcata negativ.Regiunea in jurul celor doi atomi de H este incarcata pozitiv.Molecula de apa este un dipol avand capetele opuse incarcate cu sarcini electrice de semn contrar.

Apa are unele proprietati speciale datorita atractiei dintre aceste molecule polare.Regiunea incarcata negativ ale unei molecule este atrasa de regiunea pozitiva ale unei molecule vecine, formand legaturi de hidrogen.Fiecare molecula de apa poate forma legaturi de hidrogen cu patru molecule vecine.Copyright 2002 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin CummingsFig. 3.1

Legaturile de hidrogenPastreaza moleculele de apa legate impreunaTaria acestor legaturi este este slaba comparativ cu legaturile covalente ( aprox. 1/20 din taria unei legaturi covalente)Aceste legaturi se formeaza, se distrug si se refac cu o frecventa mare.Proprietati speciale conferite de aceste legaturi:CoeziuneRezistenta se modifica cu temperaturaCaldura mare de vaporizareSe dilata la inghetVersatilitate ca si solvent

*2 corners are orbitals with unshared electrons and a weak negative charge2 are occupied by hydrogen atoms that have polar covalent bonds