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X X X
X X X
X X X
Placas condutoras:
diferena de
potencial =
Ecr
Fluorescente
X X X
X X X
X X X
Seleco de
velocidades
Fonte
inica
X X X
X X X
Placa
fotogrfica
BIOFISICA
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FACULDADE DE CIENCIAS DA UNIVESIDADE DO PORTO BIOQUIMICA
2 BIOFISICA I
Transies de fase: O esquema apresentado no
mais do que uma sucesso de transies de fase em
que cada diminuio da temperatura h
possibilidade de se dar origem a novas partculas.
ORIGEM DA MATERIA VIVA
actualmente aceite que o Universo surgiu aps o Big Bang e h cerca de mil
milhes de anos apareceu vida superfcie do Planeta. Para tal concorreram dois grandes
factores: transies de fase e simbiose.
No incio do Universo, quando houve o
Big Bang, havia temperaturas na ordem dos
(1). Com temperaturas to
elevadas, tudo o que se conhece hoje de
matria estava sob a forma de partculas
elementares, dispersas pelo Universo.
medida que a temperatura foi
baixando, as primeiras partculas (muito
elementares) os quarks e os glues2 -
colam-se umas s outras e comeam a formar
pequeninas partculas, cada uma constituda
por 3 quarks; d-se aqui a primeira transio
de fase: est tudo num estado de vapor,
desce a temperatura, aparecem estas
partculas que se juntam em grupos de trs,
formando as partculas elementares.
medida que a temperatura desce,
estas partculas que se comearam a juntar
vo dar origem aos protes e aos neutres
que so as primeiras verdadeiras partculas
que aparecem no Universo. Portanto h uma
primeira transio de fase em que se vem de um Universo de apenas energia e se passa para
um Universo de matria, coisas com massa, slidas, que so os primeiros gros de
partculas que se formam a temperaturas na ordem dos milhares de milhes de graus Clsius.
Mais tarde, com a continuao do abaixamento da temperatura, estas partculas
comeam a juntar-se e a formar os ncleos dos tomos que hoje se conhecem. Esta a
segunda transio de fase que culmina com a formao de ncleos.
1 A temperatura do Sol muito menor o que esta temperatura: cerca de 6.000C. 2 Do ingls glu cola.
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3 BIOFISICA I
No centro do Sol, os nicos elementos que existem so o hidrognio ( ) e o hlio ( )
devido s to elevadas temperaturas que ali se fazem sentir. Estas temperaturas
impossibilitaram os tomos de (que s tm um proto) e os tomos de (que tm dois
protes e dois neutres) de se condensarem para originar tomos maiores.
Assim, s aps as temperaturas descerem abaixo das temperaturas do Sol, pde-se
comear a juntar electres e ncleos, originando plasma.
Os tomos aparecem a temperaturas mais baixas em relao aquelas em que electres
andavam a passear desligados dos tomos. Aps a formao dos tomos puderam-se formar
micro-molculas e daqui outras molculas.
Na formao do planeta Terra (e possivelmente daquilo que ser vida), o grande
conceito que essencial perceber o de condensao atravs de transies de fase que
acontecem medida que no Universo vai baixando a temperatura. Sem transies de fase,
nunca haveria nem tomos, nem molculas nem a possibilidade de novas molculas se
juntarem e originarem estruturas mais complexas (como o DNA, clulas, tecidos, os
organismos com vida que se conhecem).
Portanto, nada do que existe hoje
existiria se no houvesse durante mil
milhes de anos uma sucesso de transies
de fase que permitissem s partculas mais
simples e elementares juntarem-se para
formarem estruturas cada vez mais complexas
e mais condensadas.
Sem transies de fase, nunca se poderia ter chegado criao dos elementos da Tabela
Peridica, a qual identifica os elementos que parecem estar envolvidos na vida.
H elementos que so fundamentais para a vida, existindo em maiores quantidades,
como o hidrognio ( ), o sdio ( ), o potssio ( ), o clcio ( ), azoto ( ), carbono ( )
oxignio ( ), enxofre ( ), etc.
Outros elementos, que se sabe, serem essenciais, esto presentes em quantidades
muito reduzidas: ferro ( ), cobre ( ), crmio ( ), nquel ( ), zinco ( ), selnio ( ), iodo
( ) etc. Outros h que no se sabe ao certo se fazem ou no parte da vida e se lhe so ou no
fundamentais como o brmio ( ), arsnio ( ) e o estanho ( ).
Todos os elementos que aparecem na Tabela Peridica s apareceram aps a
temperatura ter baixado bastante, possibilitando mesmo o aparecimento dos planetas.
Mesmo os prprios planetas tm uma constituio invulgar.
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4 BIOFISICA I
Pelo quadro pode-se observar que a
vida alterou a composio da atmosfera
existente no planeta Terra. Passou-se de
quase s para quase nenhum e de ter
apenas vestgios de para , fazendo
com que a temperatura baixasse3.
Simbiose
Vida:
Energia solar;
H2O
CO2
Energia armazenada ATP; NADH/NADHP
A vida s possvel porque se consegue usar a energia solar mais a e o na
fotossntese para produzir acares (amido) e . O aparecimento deste superfcie da Terra
foi a maior catstrofe de todos os tempos no nosso planeta. Quando apareceu o , 99% do
que vivia nessa altura morreu, uma vez que um potentssimo oxidante.
Com o aparecimento do apareceram mecanismos de produo de energia que so
muito mais eficientes do que aqueles que existiam anteriormente. Assim, foi possvel fazer a
reaco inversa convertendo-se a energia solar em energia til o .
Tudo isto est relacionado com mecanismos de simbiose. A primeira e mais importante
simbiose que no sistema solar h um objecto que no tem vida, s produz luz e h um outro
posto no sistema solar que consegue baixar a sua temperatura o que permite, com
mecanismos que evoluram durante milhes e milhes de anos, utilizar as energias do ar e
produzir energia.
Esta uma das simbioses mais antigas e que tem a ver com a possibilidade de o
Universo estar continuamente a arrefecer, conseguindo-se separar as funes que so
essenciais h uma fonte de energia e uma outra de converso dessa energia.
3 Toda a discusso em torno da energia fssil para no aumentar as emisses de CO2 para que as temperaturas se mantenham baixas.
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5 BIOFISICA I
Unidades de converso
A caloria, tal como o joule ( ), uma unidade de energia:
caloria ( ) joule ( );
watt4 joule por segundo ( ).
Uma lmpada, por exemplo, de quer dizer que consome e produz joule de
energia por segundo. Um ser humano que pese o equivalente a uma lmpada de cerca
de 80w (este valor aumenta em exerccio) sendo por isso que numa sala fechada com vrias
pessoas, a temperatura sobe. . Uma criana de 3 anos pode
chegar aos enquanto o Sol apenas consegue chegar aos 20 nano watt por grama
(1nano=10-9). Isto significa que um ser humano produz centenas de milhes de vezes mais
energia do que aquela que produzida no Sol (certas bactrias podem chegar a produzir cerca
de 100w.g-1).
Resumindo, foi esta simbiose entre um planeta que fornece energia (Sol) e outro capaz
de a captar e a utilizar energia (Terra) que possibilitou ao planeta Terra ter vida. A simbiose
tem a ver com o facto de haver uma separao de funes: uma fonte de energia (Sol), e uma
estrutura (Terra) na qual foi possvel haver condensao sucessiva de, primeiro, protes e
neutres, mais tarde de tomos, e depois de molculas e microestruturas de vrias dimenses.
Mas como que esta energia se recebe todos os dias?
recebida do Sol (7.200.000.000.000.000.000.000 joule por
dia: quantidade de energia vinda do Sol que chega ao Planeta Terra todos os dias)
O que acontece a toda esta energia?
Metade reflectida: atravs de satlites que mostram imagem da Terra pode-
se observar que esta est coberta de grandes zonas com nuvens brancas que reflectem o sol.
rea dos continentes de do total dos planetas
Fotossntese: 6% eficiente: a fotossntese o principal mecanismo de
converso do anidrido carbnico da gua em amido (acar):
bem como sendo muito ineficiente; este
um dos grandes desafios da comunidade cientfica: aumentar a eficincia da fotossntese. S
6% da energia recebida pelas plantas reflectida em material vivo.
4 Unidade de produo de energia por unidade de tempo.
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6 BIOFISICA I
(apenas) 10% aproveitada para alimentao: a outra parte da energia
aproveitada para produzir tempestades, aumentar a temperatura dos mares, criar os ventos,
etc.
dos solos arveis: este nmero tem vindo lentamente a diminuir medida
que os solos so explorados para a produo de comida uma vez que os solos so de tal forma
empestados de fertilizantes que se tornam menos produtores.
partilhada com os animais: esta metade est a aumentar porque medida
que, em pases emergentes (como a ndia, Brasil, China) onde o nvel de vida est a aumentar,
as pessoas esto a passar de dietas vegetarianas para dietas mais base de carne e produtos
animais.
Deste modo,
em alimentao.
(apenas uma quantidade muito pequena convertida em alimentao)
Se todos fossem vegetarianos e
comessem como os Portugueses (15.500KJ.d-1)
dava para uma populao superior actual.
Se a populao mundial comesse a
quantidade de calorias que os portugueses5
consomem e se fossem todos vegetarianos, esta
quantidade de energia daria para termos uma populao sete vezes superior actual.
Mas, medida que se deixa de ser vegetariano, a gua para irrigao diminui e os solos
deixam de produzir tanto, entra-se em situao de insustentabilidade.
So necessrias quase vinte vezes mais calorias para produzir de carne de porco do
que para produzir de milho ou trigo. Isto significa que, se a pouco e pouco a populao do
Planeta se vai tornando mais omnvora e se ainda por cima se assumir que a gua usada para a
irrigao est a diminuir (h pases que tm falta de gua e so precisamente esses que esto
mais rapidamente a aumentar a sua populao) tudo leva a que os solos deixem de produzir
tanto entrando-se numa situao de insustentabilidade.
5 Os portugueses so o quarto pas mundial que mais calorias consome per capita.
Energia consumida por Kg de produo ( )
Milho Galinha Leite Ovos Carne - vaca Carne - porco
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7 BIOFISICA I
Processos de converso de energia
H essencialmente dois mecanismos de converso de energia: (a) a fotossntese em que
duas molculas de so convertidas numa molcula de , com libertao de 4 electres e
4 protes (4 tomos de hidrognio) e (b) a respirao, em que acontece o contrrio: h
reduo do a duas molculas de , indo-se neste processo buscar 4 hidrognios (4
electres e 4 protes).
Tanto nas plantas (produo de ) como nos animais (consumo de ) h
essencialmente produo ou consumo de electres e protes. Os electres que saem da gua,
na fotossntese, vo ser usados para reduzir o a , enquanto na cadeia de
transporte de electres os 4 electres usados para reduzir o a H2O vo ser retirados ao
que existe nas clulas.
A membrana externa essencialmente protectora e tem alguma regulao na entrada e
sada de ; a membrana interna muito maior e mais complexa; nesta membrana
(que nos cloroplastos se chamam tilacoides enquanto na mitocndria se chama membrana
interna da mitocndria) que se d a fotossntese/respirao. Estas estruturas tm protenas
que tiram/retiram electres e transportam-nos (para ir do para o fotossntese,
ou desde o ao cadeia de transporte de electres).
O transporte dos electres, tanto nos tilacoides como na membrana interna da
mitocndria, feito por protenas que tm no seu centro activo metais (particularmente e
) havendo sequencialmente processos de oxidao-reduo: se recebem um electro ficam
reduzidos, se doam um electro ficam oxidados. Ambos tm dois estados de oxidao: e
e e .
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8 BIOFISICA I
Ciclo de Calvin
A converso de energia
solar em alimentao est
relacionada com o processo
que se passa nas plantas, em
que a energia solar
convertida e utilizada para
converter o e o em
amidos e acares: o
condensado em molculas de 3
ou 6 carbonos ciclo de Calvin.
De uma forma muito
simplificada, o ciclo de Calvin
vai buscar trs molculas de
(cada uma tem um s )
pondo-as num ciclo em que h
uma molcula principal que
tem : no incio do ciclo esta molcula aceita os e a dado momento doa uma
molcula que tem que a base da glucose e dos amidos. Da mesma forma que h
mecanismos de transporte de electres e protes, h tambm mecanismos de condensao
de e de partir molculas com carbono.
Este ciclo ento vai buscar e expele uma molcula com 3 carbonos. A molcula
central do ciclo vai sofrer algumas transformaes: para receber os trs tem trs
molculas, cada uma com 5 carbonos que, ao receberem cada uma um carbono, passam a
uma molcula de seis carbonos. Portanto, trs molculas com , partem-se em seis
molculas com , percorrem o ciclo que no final d trs molculas com , que reinicia o
ciclo novamente.
Para se fazer a condensao de trs molculas de numa nica molcula de h
um gasto de 9 e 6 . Este um processo deveras ineficiente: h um grande gasto
de energia apenas para condensar trs carbonos.
Mas como que se sabe que o carbono consumido pelas plantas o carbono do
que se vai condensar para produzir as tais molculas com 3 ou 6 carbonos?
3CO2 (3x1C)
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9 BIOFISICA I
Usa-se carbono marcado, ou seja, a utilizao de um istopo6 do carbono; este tem
vrios istopos: o elemento carbono aparece com o peso de (o normal), ou ; o 14
um dos utilizados, pois radioactivo. Sendo introduzido numa cmara com plantas a crescer,
espera-se que o carbono radioactivo introduzido no atmosfrico v desaparecendo do ar
e aparea no amido que produzido pelas plantas.
Uma vez que o 12 no radioactivo enquanto o 14 sim, necessrio bombardear o 12
com neutres (e no protes, uma vez que se passava de um elemento com um nmero
atmico 6 para um de , e portanto deixaria de ser carbono7) para o transformar em 14 , ou
seja, de forma que ele condense neutres para produzir 14 .
O ciclo de Calvin mostra, ento, o a ser convertido em glicose ou amido, mas
tambm mostra que produz, no mesmo processo, uma quantidade enorme de energia
reservada e acumulada ( e ).
Para fixar tomos de que esto em 3 molculas de so necessrios
.
Como que na fotossntese feito o processo de produo do e de ?
Este processo de fixao do carbono requer energia. Ao contrrio do que possa parecer,
este ciclo no necessita de luz uma vez que a energia necessria provm da partir da energia
armazenada.
Para reduzir um a so necessrios dois electres. Para reduzir esta
grande quantidade de molculas redutoras (so molculas que contm e fornecem electres)
necessrio que elas, atempadamente, sejam reduzidas e ao produzir tem de se ir
buscar electres . Durante este processo da fixao do carbono, vo-se produzindo
grandes quantidades de tendo de ir buscar electres a outro local para que possam
fazer a converso do em ; estes electres viro da gua:
Esta retirada de electres da gua feita nos cloroplastos, atravs de dois
fotossistemas: I e II.
6 tomos de um elemento qumico cujos ncleos tm o mesmo nmero atmico mas diferentes massas atmicas. 7 O objectivo que ele no altere caractersticas elementares; continue a ser carbono e a ter as suas propriedades, mas passando a ser radioactivo e, como tal, poder-se ver onde entrou na clula, em que stio da clula est a ser convertido, todos os seus intermedirios, e saber onde sai.
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10 BIOFISICA I
O esquema
representa a parte
interna e a parte
externa de uma das
membranas do
tilacoide; tem lpidos e
pptidos que so
transportadores de
electres seguidos de
transportadores de
hidrognios, seguidos de transportadores de electres. Um transportador de hidrognio no
mais do que um transportador de um proto mais um electro. Na membrana h uma parte
que s transporta electres e outra parte que s transporta hidrognio inteiros. O l men a
parte do interior dos folhos, enquanto a parte de cima representa a parte exterior da
membrana interna.
Embora o cloroplasto e a mitocndria sejam muito semelhantes o primeiro tem dois
centros: fotossistema II e fotossistema I. So dois grandes complexos que absorvem a luz solar.
O fotossistema II responsvel pela quebra da e sua passagem a O2: retiram-se da
gua dois electres que so transportados ao longo de uma srie de protenas, existentes no
tilacoide, que os vai levar a um receptor que oxida o em .
Para os electres que vm da chegarem ao para produzir , eles
tm que voltar parte interna da membrana para serem novamente estimulados, para que a
sua energia os possa fazer subir em direco ao . Como normal, a no ser que
sejam estimulados ao contrrio, os electres querem ir de um local muito reduzido para um
local oxidado: partida, eles iriam de baixo para cima (na figura); para fazer o trajecto inverso,
eles precisam de um estmulo (energia) 8.
Na figura, na seta para baixo, no h transportadores de electres, apenas de
hidrognios; para os electres voltarem para o interior tm que ir buscar protes que
ao combinar-se os fazer combinar com os electres produzem hidrognio e assim possam ser
transportados para o lmen. Ao chegar ao fotossistema , h novamente incidncia de luz que
faz com que o tomo de hidrognio se parta, deite para fora o proto e que o electro suba
fazendo com que o se reduza a .
8 O foto no tem carga, apenas energia.
s transporta
electres s
transporta
hidrognio
Membrana do tilacoide do
cloroplasto
a gua partida
H = H+ + e
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Cargas positivas (muito importante
para produzir ATP)
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11 BIOFISICA I
Quando o electro chega ao fotossistema recebe novamente fotes de luz, fazendo
com que os electres sigam para o lado oposto da membrana onde vai ser consumido.
Durante este processo (seja nos cloroplastos, seja, o inverso, nas mitocndrias) para alm de
transportar electres, por cada electro que faz o caminho vai buscar um proto ( ) ao lado
oposto e transporta para o lmen.
A membrana tambm capaz de realizar um gradiente elctrico de fora para dentro:
consegue ir buscar cargas positivas fora e pass-las para o lado de dentro. Isto leva a que o
lado de fora fique mais negativo do que o lado dentro. Ao bombear um proto de cima para
baixo (na figura) est-se a tornar a parte de cima (na figura) mais negativa do que dentro da
membrana tiram-se cargas positivas. O simples processo de transporte do proto de um para
o outro lado essencial, uma vez que estes protes vo ser usados na sntese do .
Os fotes so absorvidos pelo fotossistema e pelo : o para partir a gua e o para
dar o pontap ao electro. Seria mais fcil se o electro da quebra da gua fosse
imediatamente bombeado para a formao do . No entanto, o no o nico
necessrio, tambm o e da os electres irem buscar os para passarem a membrana
para posteriormente formar .
Este um processo que necessita da energia dos fotes de luz que, primeiro, partem a
gua e, depois, empurram-na para o lado oposto: o lado de fora vai ficar mais negativo do que
o lado de dentro, sendo por isso que necessria energia para fazer com que o electro, que
devia ser repelido pela carga negativa de fora, v para fora.
Estes processos de transporte de protes so essenciais uma vez que so usados para a
sntese do . As cargas positivas ( ) so extremamente importantes para criar um
ambiente carregado de protes no interior. Assim, a energia solar usada neste mecanismo
havendo dois princpios muito simples: (a) partir a gua e (b) conduzir o electro. Por um
outro processo h transporte de electres para a clula para que haja um gradiente de
membrana. No final deste processo vai ser produzido .
Para partir duas molculas de gua, que so necessrias para produzir uma molcula de
oxignio, so necessrios quatro fotes (luz azul avermelhada) a incidirem no fotossistema II.
So necessrios quatro pacotes de energia (4 fotes de luz) para partir a gua.
Para que os quatro electres que saram do fotossistema consigam chegar a produzir
o so necessrios fotes incidentes no fotossistema . Uma vez que a luz incidente
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12 BIOFISICA I
no fotossistema mais avermelhada, as molculas envolvidas na atraco da luz do
fotossistema ou no so as mesmas do fotossistema , ou esto organizadas de forma
diferente.
Assim, so necessrios 8 fotes para produzir NADPH e ATP
fotes NADPH ATP
Na condensao de uma molcula com trs carbonos ( ), com fotes consegue-se
produzir e .
fotes quase tudo o que necessrio para a condensao do ; ficam a faltar
apenas ! Atravs do fotossistema a planta vai usar as protenas que transportam os
electres e os protes: continua-se a ter energia, uma vez que o electro est a ser
empurrado para uma rea negativa trazendo hidrognio9 para o interior (por cada ciclo traz
). Assim, s so necessrios mais protes que viro da ATP sintetase para produzir ATP.
Como faltam , so necessrios 6 fotes
adicionais, incidente s no fotossistema para que seja
possvel produzir os . A planta absorve a luz dos
fotes para produzir a energia necessria,
armazenando-a sob a forma mais permanente
glicose.
Assim, para condensar trs carbonos, so
necessrios 30 fotes.
fotes produzem ATP NADPH
fotes fazem circular electres
que bombeiam protes
que produzem ATP
Para fixar na glucose so necessrios fotes10
Mas qual a quantidade de energia de luz necessria para armazenar uma certa energia
de alimentao eficincia da fotossntese?
9 Um tomo de hidrognio composto por um proto mais um electro, sendo por isso que neutro. Na figura, um das linhas s transporta proto, a outra (para cima) s transporta electro. 10 Pretende-se saber qual a quantidade de energia de luz necessria para armazenar uma certa quantidade de energia de alimentao eficincia da fotossntese.
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13 BIOFISICA I
Energia de cada foto (azul avermelhado)
(11)
Uma mol de fotes
mol ( )
Mas apenas da energia luminosa incidente que azul + vermelha. Para produzir
uma mole de glucose ( energia livre) so necessrios
de luz.
Para produzir a energia armazenada na glucose (quando se queimar a glucose para
libertar energia) so necessrios de fotes, de luz visvel.
Eficincia mxima
.
Na melhor das hipteses, se toda a energia fosse convertida, apenas seria utilizada
na fotossntese.
11 Multiplicar 3x10-19 por 6,02 1023 (nmero de Avogadro).
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14 BIOFISICA I
Como que a energia ( ) que foi armazenada sob a forma de acar e amido
convertida, nos animais (que no tm fotossntese), em alimentao?
Transporte alternativo de e electres
Este sistema pode ser
considerado como o processo
inverso daquele que ocorre
nas plantas, a fotossntese, e
reflecte a membrana interna
da mitocndria.
A membrana interna da
mitocndria contm uma srie
de protenas (pptidos) que
tm uma funo semelhante
s da fotossntese, com a
diferena de que actuam de
forma inversa: na mitocndria h um sistema de transporte de tomos de hidrognio seguido
de transporte de electres, seguido de hidrognio etc., at chegar formao de gua12.
Cada uma das setas (do interior da membrana) corresponde uma srie de protenas que
so transportadoras, como que carroas, que transportam os electres (de cima para baixo)
e hidrognios (de baixo para cima).
Os transportadores de electres so protenas que tm ou os quais podem
aceitar e doar electres. Quando se tem uma cadeia de tomos de , estes vo receber um
electro e passar de a , doando-o ao tomo seguinte, que tambm o transfere.
12 H um n mero superior destes vaivns: na fotossntese era apenas um e meio.
Protenas
(pptidos)
Membrana
interna da
mitocndria
Espao
positivo
Molcula
altamente
redutora
Contm
muito
e
: converso de energia em acares
Outros processos
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15 BIOFISICA I
As setas de transporte de hidrognio so uma
srie de pptidos que actuam na membrana interna,
de forma semelhante do transporte de electres.
Nesta srie alternativa, o transporte conduz a energia
armazenada no NADH produzido na gliclise, que
altamente redutora e que ao ser oxidada (passar a
NAD+), fornece, primeira srie de protenas
transportadora, um tomo de hidrognio. Este
transportado para o outro lado da membrana e,
como a seguir o transporte exclusivo para os
electres, vai ter de se ver livre do proto ( )
expelindo-o para o lado de fora da membrana.
O espao extra-membranar positivo, uma vez
que para l que o bombeado. Este processo s
pode continuar transportando apenas um electro do
lado oposto de onde o proto foi bombeado,
havendo um outro proto que vai ser injectado: deste
lado vai encontrar os transportadores de hidrognios
a seguir e, para continuar, tem de ir buscar um proto
matriz mitocondrial, juntar um electro e formar
um hidrognio, sendo assim transportado para o lado
de fora da membrana interna da mitocndria. Este
processo acontece vrias vezes, at que o electro chega ao final da cadeia transportadora de
electres. No final h consumo de e produo de .
Esta cadeia praticamente inversa fotossntese: nesta, o mecanismo comea com a
quebra da molcula de , sendo que nesta primeira fase saem electres; pelo contrrio,
nos animais, o que se transporta so electres, comeando com a quebra do em
, este que provm dos mecanismos do ciclo de Krebs e dos mecanismos extra-
celulares por detrs da gliclise (utilizao dos compostos elementares).
Na mitocndria, consumindo-se na respirao13, por um lado oxida-se
(produzido atravs da alimentao) e, por outro lado, consome-se . As mitocndrias,
13 Daqui vem o nome de cadeia respiratria. Em termos fisiolgicos, respirar isto mesmo: o O2 receber os electres e os protes com formao de H2O. Portanto, a respirao, em sentido restrito, um processo que se passa nas clulas e no nos pulmes: nos pulmes ventila-se ar e difundem-se gases, para possibilitar a entrada de O2 no sangue, de modo que ele alcance todas as clulas e assim se possibilite a respirao celular.
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16 BIOFISICA I
enquanto oxidam o , ao reduzir o a e ao transportar electres ao longo da
membrana, bombeiam protes ( ) do interior da matriz para o seu exterior.
Este processo no mais do que converter energia qumica (armazenada no ) em
energia elctrica, separando-se cargas, o que vai fazer com que o interior da matriz
mitocondrial fique muito mais negativo e o exterior muito mais positivo. Neste modelo de
realar que, ao mesmo tempo que se transportam electres ao longo da membrana,
transportam-se tambm protes de um lado para o outro da membrana.
Entre o que acontece nas plantas (fotossntese) e nos animais (cadeia de transporte de
electres ou cadeia respiratria) h semelhanas: em ambos os processos bombeiam-se
protes; contudo, h uma (grande) diferena: na fotossntese so bombeados de fora para
dentro, na cadeia de transporte de electres, de dentro para fora. Ainda assim, em ambos os
processos, h um transporte elctrico de cargas ao longo da membrana: cargas positivas no
primeiro caso, negativos no caso da cadeia de transporte de electres. Deste modo, ao ser
consumido , faz-se das mitocndrias pequenas baterias em que h mais cargas positivas de
um lado e mais cargas negativas no outro.
Em resumo, esta teoria mostra que o
, ao ser oxidado produz um gradiente
elctrico e a seguir este gradiente elctrico
convertido noutra energia qumica, mas numa
energia de fosforilao em que se produz
no processo. Assim, h um intermedirio em que o sistema funciona para produzir .
A sintetase um complexo proteico com
muitas protenas (pptidos: e ) que esto organizadas
volta de um tubo pelo qual os protes ( ) atravessam
a membrana. Na parte interior h uma outra enzima de
grandes dimenses em que os protes, ao entrarem, vo
produzir . A cadeia de transporte de electres no
se limita a bombear protes da matriz para o espao
inter-membranar, mas tambm a utilizar estes para
sintetizar .
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17 BIOFISICA I
A sintetase constituda basicamente por
duas partes: que uma espcie de tubo que deixa
passar os ; e uma grande enzima ( ) que sintetiza
.
O proto ( ) entra por um tubo e circula
pela e passa para a fazendo com que esta gire
rapidamente; ao girar que vai fazer com que seja
armazenada energia suficiente na bola para
produzir . Assim, o filamento de actina gira
medida que o est a ser utilizado.
Ambos processos cadeia de transporte de electres e esta enzima situam-se na
membrana interna da mitocndria. No entanto uma coisa o que se passa na cadeia de
transporte de electres (cadeia respiratria) e outra diferente o que se passa no complexo
proteico. Estes processos decorrem em diferentes locais da membrana interna da mitocndria.
O primeiro, decorre na membrana interna da mitocndria sempre que haja oxignio e que haja
falta de energia; o segundo processo passa-se (praticamente) no lado oposto da membrana
interna da mitocndria em que se pode armazenar protes durante um certo tempo e s os
usar quando forem precisos e no necessita de oxignio.
Mitchell props tambm, para que todo este
processo funcionasse, uma terceira condio: ter
que se manter o gradiente de protes ( ) para
que mais tarde possa vir a ser utilizado para
produzir . A membrana interna da mitocndria
no pode ser permevel aos , pois caso
contrrio eles saem livremente no se criando nenhum gradiente.
Nota:
Mas como que se conserva energia elstica para produzir ?
O , ao passar, faz com que a bola ( ) gire a alta velocidade, no entanto no se sabe
como se conserva energia elstica para produzir . Para mostrar este processo, foi
necessrio isolar a protena inteira, ligando o a uma lmina do microscpio e ao ligar ao
um filamento proteico de actina, de forma a fornecer , tendo ela comeado a girar. Este
processo mostra que com o consumo de se constri um gradiente de protes com o qual se
produz : consumo de produo de .
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18 BIOFISICA I
(carga) pH
(concentrao)
Esta teoria composta por trs ideias/condies chave: (a) haver um mecanismo de
bombeamento dos (da respirao), (b) mecanismo capaz de mant-los durante um certo
tempo em gradiente (membrana interna da mitocndria) e (c) haver na membrana interna
uma protena ( sintetase) capaz de usar os para produzir .
Todo o est a ser fabricado no interior da mitocndria onde ele no utilizado;
ele apenas usado fora da mitocndria, na clula. Cerca de 2/3 de todo o utilizado para
manter o gradiente ; este gradiente ocorre na clula, fora da mitocndria, portanto
tem de haver um outro processo mediante o qual, quando o sai, entre . Esta a
forma pela qual o produzido e depois posto no local onde vai ser utilizado.
Como h muito que est a ser produzido dentro da mitocndria e ele usado fora
da mitocndria, h uma outra protena que troca o por (necessrio para formar
dentro da mitocndria).
Sendo o gradiente de protes uma forma de armazenar energia, primeiro tm de ser
bombeados para fora e depois usados para produzir outra forma de energia. Isto serve para
conservar e produzir energia dentro das clulas.
Na realidade, a sintetase no s produz usando gradiente de protes, como
pode tambm faz o processo inverso: hidrolisar o e troca sdio por potssio.
Ao serem bombeados para fora cria-se um gradiente ( ):
por um lado elctrico ( ) em que h mais cargas positivas fora do
que dentro, e ao mesmo tempo cria-se um gradiente de
concentrao ( ) que apenas est relacionado com os gradientes
de .; ao serem bombeados para fora, o exterior fica mais
acdico e o interior mais bsico.
Nota:
Dizer que h um gradiente elctrico e um gradiente de parece uma redundncia,
mas no: pode-se juntar um cido a uma soluo, mas se a soluo estiver muito bem
tamponada14 o no se altera (muito). Como as mitocndrias esto muito bem tamponadas,
o gradiente principal ( ) quase s constitudo pelo gradiente elctrico ( ) uma vez que o
gradiente de ( ) no tem significado relevante. No cloroplasto acontece o inverso: est
muito pouco tamponado e portanto basta que muito poucos protes passem de um para o
outro lado para se criar um elevado gradiente de ( ).
14 O tampo da soluo permite que se junte um acido sem alterao substancial do ; portanto, o nvel de depende do nvel de tamponamento do meio.
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19 BIOFISICA I
Na realidade, no est correcto dizer-se que o gradiente elctrico de dentro para fora
nem o inverso uma vez que o gradiente, por definio, uma diferena de cargas. O que se
pode dizer que est menos positivo fora do que dentro. O que se afecta o gradiente
elctrico. No grfico anterior, o que est representado que no h uma parte que carga e
uma parte que .
NADH vs. FADH
O tem algumas semelhanas com o embora entre eles haja uma diferena
chave: enquanto o entra no princpio da cadeia de transporte de electres, o
entra mais frente. Isto vai fazer com que por cada que oxidado apenas so
bombeados, ao passo que quando o oxidado so bombeados. A sua utilizao
depende das necessidades energticas da clula. O mecanismo subjacente aos dois
precisamente o mesmo.
Na cadeia respiratria:
Por cada electro que vai do ao so bombeados (protes) (no
caso de serem so apenas );
Para reduzir o a so necessrios 4 electres (era o que acontecia na
fotossntese: para partir a em eram tambm libertados 4 electres);
Se forem necessrios para sintetizar , por cada molcula de
consumida (consome-se 2 ) so produzidos 6 .
Gliclise
A glucose, ao ser consumida na gliclise, produz piruvatos, 2 e 2 15; este
um processo muito pouco eficiente.
15 Na verdade so produzidos , no entanto dois deles foram utilizados na primeira fase da gliclise (fase de activao).
1 glucose
2 piruvatos
2 (citosol)
2
piruvato
glucose
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20 BIOFISICA I
Daqui se pode ver com clareza a simbiose que h nos sistemas vivos: se no houvesse
mitocndrias, a quantidade de energia ( ) formada seria diminuta; havendo mitocndrias16,
h degradao de uma molcula de glucose formando a .
Este sistema de produo de na mitocndria um sistema quase totalmente
reversvel:
respirao : os electres saem do e atravs da cadeia
de transporte de electres chegam ao ;
: medida que o consumido e que o convertido em
est-se a utilizar um intermedirio de energia ( ) o qual pode ser usado para sintetizar
;
respirao : a mitocndria, para funcionar de forma
normal, no faz mais do que usar o , reduzir o a criando um gradiente
electroqumico ( )17 o qual vai ser usado noutro local para sintetizar a partir do ;
calor; ; transporte de ies: as mitocndrias no se limitam a
produzir ; os msculos tm um sistema complexo de armazenamento de clcio ( )
utilizando o retculo sarcoplasmtico; nas restantes clulas que no tm retculo
sarcoplasmtico, o armazenado nas mitocndrias. O fundamental no
metabolismo celular uma vez que como que um mensageiro. Para que ele seja armazenado
dentro da mitocndria necessita de energia; sendo um io positivo (catio), quando so
bombeados para fora, o ambiente dentro da mitocndria fica negativo indo-se deste modo
buscar ao citoplasma e armazen-lo no interior. Assim, com este gradiente elctrico ( )
no s h possibilidade de produzir como tambm se pode armazenar (transporte
16 As nicas clulas do corpo que no tem mitocndrias so os eritrcitos; no necessitam delas uma vez que praticamente no tm funo do ponto de vista metablico; apenas transportam o e carregam o bicarbonato. No tm nenhuma funo de sntese nem de reparao, no necessitando por isso de mitocndrias; por isto tm tempos de semi-vida muito curtos. 17 Gradiente de protes: .
Sistema reversvel
Respirao
Transporte
de ies Calor
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21 BIOFISICA I
do io ). Alm disso, as mitocndrias do tecido adiposo produzem tambm calor: o
gradiente elctrico pode ser usado para dissipar o calor produzido.
Portanto, na mitocndria, ao ser consumido (a) pode ser produzido , (b)
podem ser armazenados ies, ou (c) pode ser produzido calor, dependendo das necessidades.
Como se pode ver pelo esquema anterior, quase todas as operaes so reversveis: assim
como se pode usar o gradiente para produzir , tambm se pode hidrolisar o para
produzir um gradiente elctrico para produzir calor.
A proposta de Mitchell para a cadeia de transporte de electres j previa que o sistema
pudesse andar numa ou noutra direco ainda que com algumas nuances: no se pode usar
calor para produzir energia nem realizar fotossntese. No entanto, tudo o resto tem duas
direces.
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22 BIOFISICA I
Tempo mdio de Vida
ESCALAS
O grfico mostra que diferentes animais com pesos
diferentes tm diferentes velocidades metablicas18:
quanto maior o animal, menor a energia que consume por
unidade de peso e por unidade de tempo.
Um grfico semelhante mostra tambm que quanto
menor for a taxa metablica do animal maior o seu
tempo mdio de vida (nmero de anos que vive).
Igualmente, quanto menor for a quantidade de energia
(consumo de oxignio) que esse animal consome por
unidade de tempo e por unidade de massa (por clula),
maior ser o nmero mdio de anos de vida.
Mas, porque que, na Natureza, quanto maior o animal menos oxignio esse animal
consome por clula?
Quanto menor a taxa metablica, menos consumido, e portanto quanto menos
consumir cada clula desse animal maior o tempo mdio de vida desse animal. O , apesar
de ser essencial vida, tambm de certa forma prejudicial: oxidante19.
Assim, apesar de o ser fundamental e apesar de as clulas terem mitocndrias para
produzir energia, desenvolveram-se sistemas muito mais eficientes de converso de energia
que podem atingir complexidades muito elevadas; no entanto o preo que os organismos
pagam por utilizar o muito elevado uma vez que tambm causa danos ao sistema, para os
quais, apesar de tudo os animais conseguiram desenvolver mecanismos de proteco ao
(vitaminas, antioxidantes, etc.).
H tambm enzimas muito eficientes que tambm protegem contra os danos do
por exemplo a catalase: quando uma pessoa se corta e desinfecta com gua oxigenada, no
local da ferida comea a borbulhar; isto devido ao facto de a gua oxigenada ser perxido de
hidrognio ( ) e tendo o sangue quantidades muito elevadas de catalase, esta enzima
converte em que sai para a atmosfera.
O altamente txico porque medida que se converte o em (adicionam-se
electres ao ) vo produzindo espcies de que so altamente oxidantes.
18 Quantidade de energia que consomem por unidade de tempo. 19 H diversos exemplos de oxidaes na Natureza: o vinho, depois de aberto, estraga-se, uma ponte ao fim de 40 anos precisa ser pintada novamente porque enferruja, etc.
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23 BIOFISICA I
Adies sequenciais de um electro ao oxignio molecular
(anio radical superoxido)
(peroxido de hidrognio)
(radical hidroxil)
O primeiro electro que se junta ao produz radical perxido que bastante txico. O
ser humano tem uma enzima especfica para combater a formao do radical perxido, no
entanto no eficiente e portanto h inevitavelmente algum que circula, que escapa.
Se a este for juntado um segundo electro e se se for buscar dois protes (por exemplo gua)
produzido perxido de hidrognio; juntando-se a este um terceiro electro produz-se a
espcie mais txica que se conhece na oxidao nos seres vivos: o radical hidroxil. Para lutar
contra isto, as clulas do corpo humano tm grandes quantidades, particularmente de duas
enzimas: uma que destri imediatamente o radical perxido e outra para destruir o perxido
de hidrognio com vista reduzir o mais possvel a hiptese de se produzir o radical hidroxil.
Na mitocndria, no fim da cadeia de transporte de electres (assim como h no incio da
fotossntese onde o convertido a ) h um sistema complexo que faz com que os
quatro electres sejam juntos (ou separados no caso da fotossntese) quase de uma s vez ao
para produzir .
Assim, a formao de radicais de oxignio ocorre ao longo da cadeia respiratria onde
um deles apanhado por uma molcula de oxignio que se converte numa das trs espcies.
O facto de consumir menos oxignio por clula, vivendo em mdia mais tempo, devido
ao facto de ter menor acumulao de danos por clula; cada uma das clulas est menos
exposta a processos de oxidao.
H seres vivos extremamente pequenos e outros extremamente grandes: no primeiro
caso est por exemplo o micoplasma com um peso na ordem dos 1x10-3g e no segundo caso a
baleia azul com cerca de 1x108g. Entre estes dois h 21 escalas de grandeza.
Ao comparar dimenses
relao entre volume e dimenses
lineares obtm-se que, quando uma
dimenso linear aumenta para o
dobro, o seu volume ser elevado
potncia trs ( ) enquanto a sua
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24 BIOFISICA I
rea de superfcie ser proporcional ao quadrado do volume ( ).
Imaginando um cubo com lado , a sua superfcie ser e portanto a superfcie ser
proporcional s dimenses lineares do quadrado do cubo em questo. Em relao ao volume,
este proporcional a .
Um cubo de lado igual a ,
a superfcie igual a
o volume igual a
Semelhante tambm o que se passa numa esfera:
No caso de uma esfera de dimetro
em que a superfcie da esfera
em que
a volume da esfera
Pode-se concluir ento que h relaes entre as dimenses lineares e as dimenses de
superfcie e volume dos corpos em geral. Nos seres vivos passa-se o mesmo. Isto
comprovado com a utilizao de uma transformao matemtica,
em que refere-se ao volume e dimenso linear; no entanto, por esta curva no se
consegue determinar qual a relao: se ,
,
, etc.
[o declive desta recta fornece o valor de ]
Veja-se um exemplo concreto: se para as salamandras de diferentes tamanhos se
comparar uma rea de superfcie ( ), tem-se que,
[em que o exponencial o declive da recta do grfico]
[na Natureza, a maioria dos animais no tem uma massa proporcional superfcie to linear]
Massa proporcional,
ou
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25 BIOFISICA I
A massa proporcional a e
proporcional a
e por sua vez
(superfcie) proporcional a
.
Um outro exemplo aplicado ao
tamanho da perna de uma barata em
funo da sua massa: o comprimento
da perna (em escala logaritmica)
tambm proporcional sua massa:
[em que o declive, inclinao, da recta)
Num ser vivo,
Produo de calor consumo de
Produo perda de calor20 [superfcie]21
Consumo de [superfcie]
Consumo de calorias [superfcie]
O consumo de e a perda de calor no so proporcionais ao nmero de clulas que o
ser vivo tem (volume) mas sim rea exposta por essas clulas e por isso que quanto maior
for o volume, como a superfcie cresce mais devagar, a quantidade de calor produzida por cada
clula cada vez mais pequena, logo os animais vivem mais tempo.
Por isso,
Produo de calor
20 Para animais homeotrmicos a relao perda e produo de calor semelhante; a variabilidade da temperatura para estes animais muito pequena. 21 Um ser vivo perde calor atravs da pele, ou seja, tem de ser proporcional superfcie corporal desse animal (perda de calor por irradiao).
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26 BIOFISICA I
Assim, uma vez que a superfcie
proporcional
, a produo de
calor vai ser proporcional a
.
Daqui se percebe que medida
que a massa aumenta a produo de
calor e o consumo de no
aumentam de forma proporcional:
aumenta, mas de forma mais lenta (se
aumentasse proporcionalmente a
produo de calor seria proporcional
massa total e no a
).
Resumindo, sendo a pele o nico local pelo qual o corpo perde calor, esta perda tem de
ser proporcional superfcie e, portanto, para no se alterar a temperatura interna (em
animais homeotrmicos) a produo de calor tem de ser proporcional superfcie e no ao
volume (nmero total de clulas).
Para o consumo de , tendo este a ver com a produo de calor, no se podendo
alterar a temperatura, a velocidade de perda de calor tem de ser igual velocidade de
produo de calor; como esta proporcional superfcie, o consumo vai ser proporcional
superfcie, caso contrrio, aumentar-se-ia a temperatura.
Apesar de ser contra-intuitivo (o facto de 100
clulas no consumirem 100x mais do que 1 clula),
explicado pelo facto de quanto maior for o nmero
total de clulas, menos oxignio cada uma delas
produz e portanto, nos animais muito grandes, como
cada clula est sempre a produzir um pouco menos
de , h menor acmulo de danos e portanto vivem
mais tempo. medida que as clulas se acumulam
num volume maior, para manter a sua temperatura,
a sua produo de calor por cada clula diminui logo,
o consumo de decresce uma vez que o consumo de comida tende a diminuir portanto, em
termos de nmero de seres vivos que o sistema ecolgico consegue manter, quanto maior o
animal mais come, mas, proporcionalmente ao seu tamanho, come menos do que um animal
mais pequeno.
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27 BIOFISICA I
Por exemplo, um colibri22 tem um movimento de asas to rpido que quase no se vem
vista desarmada; alm disso, voa a grande velocidade. Deste modo, ele tem de estar
continuamente a sugar o nctar das folhas para ter energia suficiente para manter a
velocidade de consumo de por unidade de clula, que muito elevado. Logo, vai ter um
tempo mdio de vida muito pequeno.
Nota:
medida que os animais aumentam de tamanho, o nmero de clulas diferentes que
so necessrias no organismo aumenta tambm de forma relativamente constante; uma
baleia, por exemplo, tem muitas mais clulas diferentes do que uma lagarta ou do que um
gafanhoto. H especializao das clulas, a qual est relacionada com a complexidade que vai
tambm aumentando de animal para animal.
Como se sabe, na atmosfera (ao
nvel do mar), h cerca de de
; esta quantidade fundamental para
haver vida: se se aumentasse a
quantidade de na atmosfera isso
tornava-a altamente txica23. Os cerca de
de que existem na atmosfera
so a quantidade suficiente para se
desenvolver vida e a concentrao
suficiente para que seja com o mnimo de
toxicidade possvel.
H muitas espcies no planeta com
dimenses muito diferentes, as quais
mantm a sua temperatura volta dos
. Mas, porque que a
temperatura ideal do corpo para grande
parte dos animais homeotrmicos?
22 Ave normalmente presente nos trpicos. 23 Antigamente, quando os bebs nasciam prematuros e no tinham os pulmes bem desenvolvidos, eram postos em cmaras onde a concentrao de O2 era muito elevada; veio-se a perceber que isso era uma forma de manter o beb vivo, porque o seu pulmo no estava muito desenvolvido, mas tinha um preo muito alto: alguns dos sistemas dos sentidos no se desenvolviam de forma correcta: alguns bebs, depois desse tipo de tratamento, ficavam cegos, uma vez que a retina do olho, ao desenvolver concentraes muito alta de O2, era destruda.
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28 BIOFISICA I
No se sabe se foram as enzimas que se adaptaram aos ou se foram os que
levaram as enzimas a funcionar de forma mais eficiente. Apenas se sabe que parte das enzimas
est optimizada a funcionar a esta temperatura. H certos organismos que vivem em
ambientes extremos, alguns deles de calor, que possuem enzimas a funcionar a .
Portanto, resumindo, (a) medida que um animal fica mais pequeno, a superfcie em
relao massa, aumenta, (b) a velocidade metablica (consumo de ou de calorias por
unidade de tempo) medida por unidade de massa, vai aumentando com a diminuio do
animal: quanto mais pequeno for o animal maior a taxa metablica por unidade de massa, e
(c) relacionando a velocidade metablica por unidade de superfcie o valor quase constante.
Assim, os animais, no geral, evoluram no sentido de o local por onde perdem calor
superfcie da pele e a quantidade de energia, de calor e de oxignio que consomem, por
unidade de superfcie, tem de ser constante, para que a temperatura seja mantida tambm
constante.
Mas, estranhamente, comparando experimentalmente duas dimenses lineares em
ossos de antlopes,
?!?!?! [ comprimento; dimetro]
Uma possibilidade
[ = volume (observado teoricamente); relao para o cilindro]
No planeta Terra, devido fora da
gravidade24 h uma necessidade metablica
maior, no s para manter as clulas vivas,
mas tambm para resistir e manter-se de p.
Assim, todas as relaes de tamanho tm de
ter em considerao a fora de gravidade.
Comparando-se duas dimenses
lineares em animais de grandes dimenses,
para os quais a gravidade importante,
interfere mais, v-se que as suas relaes no
24 Um dos efeitos que sofrem os astronautas aps terem estado sem gravidade perda de massa muscular; os msculos e ossos degeneram, uma vez que no tm de suportar peso algum (o mesmo acontece com as pessoas acamadas).
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29 BIOFISICA I
so directamente proporcionais. Por exemplo, compare-se, nos antlopes, o comprimento do
mero e a espessura deste osso; o dimetro mais pequeno comparado com o comprimento
do osso: a inclinao desta recta cerca de 2/3:
Isto deve-se ao facto de que, para suportar o peso, o dimetro tem de crescer mais
depressa do que o comprimento: tem de haver uma base maior para suportar o peso sendo
por isso que o dimetro proporcional ao comprimento elevado a 3/2.
H ento uma relao entre o dimetro e o
comprimento, a qual no totalmente proporcional
devido gravidade. Isto verdade no s para os
antlopes (animais) como tambm para as rvores; para
todos os sistemas que tm de suportar peso obtm-se
uma relao que no linear o dimetro no
proporcional altura e o factor de correco tem a ver
com a gravidade.
Nota:
Buckling25 ponto de suporte mximo em que,
quando se pressiona, por exemplo um pau, ele dobra e
parte. um clculo terico e est relacionado com a
elasticidade do sistema ao peso. No caso de uma rvore
com dimetro pode-se aumentar a altura da rvore at
um ponto mximo (buckling): at este ponto a rvore no
parte, para alm deste ponto ela quebra; est relacionado com elasticidade da madeira (neste
caso) de resistir ao peso. Ainda para o caso da rvore, no possvel encontrar uma rvore
que esteja do lado direito da recta acima representada no grfico.
Portanto, em termos geomtricos, o dimetro e o comprimento deviam ser
proporcionais massa elevado a 1/3; mas, como existe gravidade, o dimetro cresce mais
rapidamente do que o comprimento.
Assim, geometricamente, observa-se que,
25 Na engenharia, o termo buckling refere-se a uma falha caracterizada por uma falha sbita de um membro estrutural sujeito a um grande stress de compresso, onde o efectivo stress de compresso no ponto de quebra menor do que o stress compressor a que o material capaz de resistir. Esta falha tambm descrita como uma falha devido instabilidade elstica.
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30 BIOFISICA I
e
[ refere-se ao dimetro e distncia]
no entanto, experimentalmente, por existir fora da gravidade, observa-se que,
Por exemplo, para o caso de um cilindro, por definio o seu volume dado pela rea da
base a multiplicar pela altura; sendo a massa proporcional ao volume, a massa tambm vai ser
proporcional rea da base que multiplica pela altura. Experimentalmente observou-se que o
comprimento, a altura e o dimetro no so proporcionais linearmente: um cresce mais
depressa do que o outro; isto devido ao factor gravidade. A massa cresce mais rapidamente
do que o dimetro e o comprimento; mas a diferena maior para o comprimento do que
para o dimetro por causa da gravidade.
Nota:
O planeta Neptuno foi descoberto antes de ser visto. At data de ser descoberto, os
cientistas astrnomos conheciam os planetas at Saturno. No entanto, Norberie, ao fazer
clculos da orbita de Saturno viu que algo no batia certo; umas vezes atrasava, outras
adiantava. Fazendo os clculos pensou que significaria que tinha de haver outro planeta o qual
estava a atrair Saturno. Chegou, teoricamente, concluso de que se se apontasse um
telescpio a certa hora, numa certa direco, ver-se-ia o planeta em falta. Na prtica foi
visvel e descoberto.
Portanto, por clculos puramente tericos, foi possvel prever um outro ponto celeste
com uma dada dimenso e numa dada posio a interferir com um outro planeta.
Produo de calor ao metabolismo rea transversal dos msculos ao dimetro ao
quadrado massa elevado a
Consumo de O2
Densidade populacional
A razo metablica proporcional ao consumo de e produo de calor e
proporcional superfcie; alm disso, esta proporcional a
. Devido gravidade, h uma
correco a fazer a qual est relacionada com o facto de uma parte da energia ser usada
exclusivamente para suportar o peso do sistema vivo e, portanto, o dimetro cresce
ligeiramente mais depressa do que o comprimento uma vez que h uma quantidade de
energia que usada no s para produzir calor como tambm para suportar o peso.
Densidade populacional proporcional a
A massa cresce mais rapidamente do que ambas, mas a diferena
maior para a porque cresce mais rapidamente do que por causa da
gravidade
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31 BIOFISICA I
O suporte do peso por um animal estar
relacionado com a espessura dos msculos dos
membros inferiores (de suporte); a capacidade do
msculo e a fora que este consegue exercer
directamente proporcional espessura do msculo e,
portanto, deveria ser proporcional sua rea
transversal. Mas, como visto anteriormente, a
produo de calor proporcional ao metabolismo
(principalmente ao metabolismo dos msculos) sendo
este ento proporcional rea de seco transversal
do msculo; esta vai ser proporcional ao dimetro ao
quadrado ( ) o qual proporcional a
.
Medindo a densidade populacional de
vrias espcies em funo da rea que ocupam
num sistema ecolgico verifica-se que a
evoluo da sua massa de animais diferentes
varia com a uma curva de inclinao
. Isto
devido ao consumo de dos animais ser
proporcional
. A densidade populacional
do sistema ecolgico proporcional a
de cada uma das espcies; ou
seja, quanto maior o consumo de de um
animal, menor ser a sua densidade populacional no sistema ecolgico. Portanto, se a
densidade populacional inversamente proporcional ao consumo de de cada indivduo, a
densidade populacional ser proporcional a
.
Nota:
Dimetro proporcional ao comprimento, mas
experimentalmente observou-se que a proporcionalidade entre dimetro e
massa diferente da proporcionalidade do comprimento e massa!!!
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32 BIOFISICA I
ISTOPOS E RADIOACTIVIDADE
Ao contrrio da Qumica, que trabalha essencialmente com os electres de valncia, a
Fsica Nuclear olha mais para o interior do tomo. Comea-se a perceber que h uma enorme
quantidade de energia escondida no interior dos n cleos dos tomos. Enquanto nos
mecanismos de combusto, rpida e lenta, h um nvel energtico no muito elevado, na
Fsica Nuclear observam-se quantidades de energia produzida vrias ordens de grandeza
superiores.
Energia libertada (1kg de matria) gua (energia hidrulica)
Queda de 50m 5 segundos
Energia produzida necessria para
acender uma lmpada de 100w
Carvo (energia qumica)
Combusto 8 horas
enriquecido (32%)
Fisso num reactor 690 anos
235 (puro)
Fisso completa 3x104 anos
Matria/antimatria Aniquilamento 3x107 anos
O quadro d uma ideia das energias que se conseguem obter com a utilizao de vrias
fontes de energia. A queda de de de gua liberta energia suficiente para fazer
funcionar uma lmpada de durante cinco segundos; a energia (gravtica) libertada uma
vez que o potencial da gua desce, libertando-se a mais pura das energias renovveis.
Ao consumir de carvo, por combusto, libertada uma quantidade de energia
suficiente para manter acesa a mesma lmpada durante oito horas, havendo aqui j uma
diferena aprecivel para a energia produzida pela queda da gua por fora da gravidade26.
Se se passar para os reactores nucleares, que utilizam urnio enriquecido (xido de
urnio), fazendo a fisso num reactor (partir urnio nos seus componentes), d para manter a
lmpada acesa durante cerca de 690 anos com apenas de urnio enriquecido.
Se algum dia for possvel, em reactores nucleares de 4 gerao, fazer a fisso completa
de 235 , liberta-se energia suficiente para manter a lmpada acesa durante 30 mil anos.
Igualmente, se tambm algum dia for possvel extrair energia de mecanismos de
combinao de matria com antimatria (acontece permanentemente no corpo humano)
consegue-se manter a lmpada acesa durante 30 milhes de anos.
H diferenas enormes entre as energias libertadas: pela fora gravtica (a energia
potencial de uma massa liberta quantidades muito pequenas de energia), pela energia qumica
contida nas ligaes entre tomos j liberta um pouco mais, mas a energia nuclear que
liberta quantidades enormssimas de energia.
26 A libertao de energia do carvo provm da separao dos seus tomos que ao ser oxidado liberta energia qumica.
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33 BIOFISICA I
A energia nuclear aparece com a descoberta das propriedades dos ncleos atmicos e
das suas caractersticas o facto de alguns ncleos no serem estveis. A descoberta da
radioactividade desperta para o facto de haver ncleos instveis.
Ncleos instveis
Ncleo ( , nmero de massa) = Protes ( , nmero atmico) + Neutres ( )
O ncleo dos tomos constitudo por dois tipos de partculas (que se julgavam
elementares mas que na verdade no o so): protes e neutres. O nmero total de protes e
neutres so os nuclees sendo, normalmente, par. Os elementos distinguem-se no s pelo
nmero total de nuclees como tambm se distinguem quimicamente pelo nmero total de
protes. Assim, as caractersticas qumicas dos elementos so dadas essencialmente pelo
nmero de protes (so eles que do o nmero de electres e portanto definem as orbitais
preenchidas de cada tomo), enquanto os neutres no tm um efeito (muito significativo)
sobre as suas propriedades qumicas; mas, porque os tomos tm pesos diferentes, nas
reaces qumicas reagem mais devagar por serem mais pesados. Se se comparar a velocidade
de reaco do 16 e a do 18 , em geral, o mecanismo em que intervm o 18 mais lento uma
vez que mais pesado, embora o mecanismo seja exactamente igual27.
Istopos mesmo Z; diferente N; diferente A
Para cada um dos ncleos que se conhecem pode existir um nmero muito grande de
istopos. Istopos de um elemento, por definio, so o mesmo elemento mas com um
nmero de neutres diferente e um nmero de protes exactamente igual; quimicamente so
idnticos mas em termos de peso so diferentes.
As dimenses de um ncleo de um tomo so extremamente pequenas. O raio do
ncleo ( ) dado pela expresso,
[ constante, nmero de nuclees, fentmetro:1x10-15
]
27 tambm por esta razo que se usa 14C uma vez que substitui perfeitamente o 12C e a qumica no alterada, apenas mais lenta.
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34 BIOFISICA I
As dimenses lineares de um raio so proporcionais ao volume com o expoente
. Para o
hidrognio, em que , o raio do seu ncleo cerca de 1,2 (fento metros)28. Deste
modo, pode-se dizer que um tomo essencialmente espao vazio: tem ncleos muito densos
e electres apenas a uma distncia muito grande.
O ncleo constitudo por neutres e protes. O nmero total de nuclees dado pelo
nmero de massa ( ), o nmero de protes o nmero atmico ( ) e o refere-se ao
nmero neutres. Para cada elemento da Tabela Peridica existem istopos com o mesmo
mas tm diferentes e . O raio do ncleo muito pequeno:
. medida que
aumenta o nmero de protes aumenta ainda mais o nmero de neutres. Assim surgem os
istopos radioactivos ou no.
Os istopos radioactivos so em maior nmero, mas quando a velocidade de
desintegrao muito alta eles j no existem quando chegam superfcie, uma vez que so
instveis, o que os distingue dos istopos no radioactivos, que so estveis. Os istopos,
especialmente os radioactivos, so usados para seguir o percurso de um elemento num
processo qumico ou biolgico sendo tambm designados como marcadores.
Podem-se caracterizar os istopos em dois tipos: os estveis (como 12 , 14 , 1 entre
outros) e os instveis, que se decompem, que se partem e ao partirem-se emitem radiao,
por isso se chamam radioistopos. So conhecidos hoje em dia cerca de 100 elementos e cerca
de 300 istopos.
Assim, quando se fala em transies de fase, em que as partculas se condensam quando
mudam de fase primeiro em ncleos e depois em tomos num dos casos o nmero de
portes junta-se ao nmero de neutres de quantidades diferentes e portanto, pode-se ter o
mesmo oxignio com 7, 8 ou 9 neutres associados, mas tinham pesos diferentes.
1896 Becquerel descobre a Radioactividade: Incio da Fsica Nuclear
Pierre e Marie Currie purificam o Polnio ( ) e Rdon ( ): ambos muito
radioactivos
Becquerel descobriu, quase por acaso, a radioactividade em 1896 e assim se inicia a
Fsica Nuclear. Mas tarde, Marie Curie29 e Pierre Curie isolaram o Rdon ( ) e o polnio
( ).
28 Isto significa que, em termos de uma escala humana , seria como ter um tomo de hidrognio na mo (visvel ao olho humano), os seus electres estariam a girar volta dele at perto da Casa da Msica. 29 Primeira pessoa a ganhar dois prmios Nobel: Fsica e Qumica.
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35 BIOFISICA I
H essencialmente trs tipos de radiao:
(+) Ncleos de
Partculas pesadas; so essencialmente ncleos de (dois protes + dois
neutres); carga positiva.
(-) Electres No os que circulam volta do ncleo mas os que saem do ncleo; carga
negativa.
(o) Raios , energias
muito altas No tm massa nem carga, mas tm energia muito elevada.
Rutherford (1903) conseguiu a converso de um elemento noutro.
[libertao de um ; perdeu 4 A e 2 Z]
Istopos de e : radioactivos e no radioactivos
Foi Rutherford o primeiro a distinguir trs tipos de radiaes diferentes: . A
primeira tem radiao positiva, a segunda tem maioritariamente negativa, enquanto a terceira
essencialmente sem carga. A radiao essencialmente ncleos de Hlio (tem nmero de
massa 4 e nmero atmico 2 uma vez que tem dois protes e dois neutres) que so partculas
muito estveis que tm duas cargas positivas. A radiao essencialmente electres,
enquanto a radiao constituda por fotes. Os istopos instveis de alguns dos elementos,
quando decaem (passa de um radioistopo instvel para estvel), emitem estes trs tipos de
radiao (podem emitir um, dois ou trs deles).
Comea ento a perceber-se que os tomos no tm apenas electres nas orbitais mas
tambm nos ncleos. Destes pode sair energia pura (fotes, radiao ), podem sair electres
(radiao ) e/ou podem sair bocados do ncleo, uma vez que uma partcula so dois
protes e dois neutres.
Quando saem partculas , o nmero atmico (a carga do ncleo) altera-se, h
converso de um elemento noutro, o que j no acontece quando emitida radiao , em
que o elemento fica o mesmo.
Por aqui se percebe que o sonho dos alquimistas no pode ser satisfeito uma vez que
apenas por processos qumicos no possvel obter um elemento novo ou transformar
elementos: nas reaces qumicas o que est envolvido so os electres volta do ncleo,
portanto no se altera a constituio do ncleo. Rutherford mostrou que, quando o urnio
radioactivamente emitia uma partcula , ou seja, quando decaa, ele perdia quatro nmeros
de massa (passava de para ) e perdia dois protes passando a .
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36 BIOFISICA I
As foras da gravidade so muito pequenas comparadas com as foras elctricas;
deste modo que uma nuvem de electres produz um campo elctrico volta quase
impenetrvel.
Desintegrao perodo de semi-vida ( )
0
T
2T
3T
() ()
Se numa amostra for o nmero de tomos que ainda no se desintegraram e a
alterao deste nmero num espao de tempo tem-se que,
[o sinal negativo uma vez que est a diminuir]
Quando se utiliza um radioistopo instvel, ele tem um certo tempo de semi-vida que
no mais do que o tempo que leva uma certa quantidade de um elemento a decair. Se, numa
amostra, for o nmero de tomos que ainda no se desintegraram, aqueles que ainda so
radioactivos, e se for alterao de um ncleo num espao de tempo , o nmero de
tomos que se desintegraram no s proporcional quantidade de tempo que passa (quanto
maior o tempo que passar, maior o nmero de tomos que se desintegram), como tambm
proporcional ao nmero de tomos que l ficou. Assim, num tempo inicial ( =0s) um elemento
tem tomos radioactivos; passado um tempo ( ) o nmero de tomos radioactivos
; passados , tem-se
e aos tem-se
e assim sucessivamente. Deste
modo, o nmero de tomos que se desintegram proporcional ao valor dos tomos que o
elemento tinha inicialmente
Ento,
para
esta a equao que define o mecanismo de desintegrao: quanto mais pequeno, mais
devagar o tomo se desintegra. Cada istopo radioactivo caracterizado por um diferente:
pode ir de milhes de anos a fentmetros (1x10-15s). Quanto maior for o valor de , mais
depressa o elemento decai.
A equao anterior define desta forma a quantidade de material que permanece
radioactivo depois de ter passado um determinado tempo .
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37 BIOFISICA I
Cada um dos pontos do grfico ao lado representa um
elemento. A Tabela Peridica constituda por cerca de 100
elementos. Cada elemento tem istopos estveis e
instveis. medida que a massa dos tomos vai
aumentando, para ter um tomo que no se desintegre tem
de se aumentar mais rapidamente o nmero de neutres do
que o nmero de protes, uma vez que estes tm todos
carga positiva e portanto repelem-se; se se tiver muitos protes, o tomo deixa de ser estvel
e tem de ter muitos neutres para servirem de massa agregante. De facto, os neutres servem
para estabilizar um ncleo at um certo ponto e um nmero demasiadamente elevado de
neutres tambm pode proporcionar instabilidade.
Assim, quanto maior for o nmero de massa de um tomo na Tabela Peridica, maior
o nmero de neutres em comparao com o nmero de protes.
Hidrognio
Nota: trtio e X: elementos formados pelo Homem com recurso a tecnologia.
Para os istopos do hidrognio h dois estveis (que no se desintegram) e um instvel
(hbrido). Um dos istopos, o hidrognio ( ), possui um proto e nenhum neutro; o deutrio
( ) contm um proto e um neutro enquanto o tritio (
) tem um proto e dois neutres.
Carbono
Istopo (percentagens na Terra)
Nmero atmico (Z)
Nmero de neutres (N)
Nmero de massa (A)
Estabilidade
12C (98,99%) 6 4 10 Instvel
13C (1,11%) 6 5 11 Instvel
6 6 12 V 6 7 13 V 6 8 14 Instvel 6 9 15 Instvel 6 10 16 Instvel 6 11 17 Instvel
Istopo (percentagens na Terra)
Nmero atmico (Z)
Nmero de neutres
(N)
Nmero de massa (A)
Estabilidade
Hidrognio (99,985%)
1 0 1 V
Deutrio (0,015%)
1 1 2 V
Trtio 1 2 3 Instvel X 1 3 4 No existe
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38 BIOFISICA I
Para o carbono ( ), h 9 istopos
diferentes. Cada um tem um nmero crescente de
neutres dos quais s dois so estveis (o 12C e o
13C)30.
Outros istopos: 14
N 99,635 16 99,759
15N 0,365
17 0,037 18 0,204
Em termos de abundncia natural, os
istopos estveis esto em muito maior quantidade do que os instveis da serem utilizados
no balanceamento de equaes qumicas.
Nota:
Com a excepo do hidrognio, que tem nomes diferentes para cada um dos seus
istopos, os istopos dos elementos so identificados pelos seus nmeros de massa: -235
(235 ). Assim, os istopos do mesmo elemento tm propriedades qumicas semelhantes
formando o mesmo tipo de compostos e reactividades semelhantes.
30 O 14C muito utilizado para datar material orgnico. O 13C, o 15N e o 17O so muito utilizados em ressonncia magntica.
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39 BIOFISICA I
MASSAS NUCLEARES/ENERGIA DE LIGAO
Quando se trabalha com massas muito pequenas usa-se uma unidade de peso muito
pequena que vai falar a mesma linguagem que um proto: a unidade de medida da massa
atmica ( ).
Fala-se em unidade de massa atmica ( ) e em mega electres volt ( )31. A grande
diferena entre a Fsica Nuclear e a Qumica que as reaces em Qumicas so mais ou
menos exotrmicas/endotrmicas; so, em geral, da ordem dos milhares de electres volt. Em
Fsica Nuclear as quantidades de energia envolvidas podem chegar aos milhes de electres
volt. Deste modo, a descoberta do que acontecia com um ncleo e as reaces que se davam
num ncleo foi uma surpresa, uma vez que se passou a falar em ordens de grandeza muito
mais elevadas.
= unidade de massa atmica = kg
Energia associada ( ) = =
Segundo Einstein, massa e energia so a mesma coisa; deste modo pode-se transformar
uma dada massa numa certa quantidade de energia. Multiplicando a massa pela velocidade da
luz obtm-se que uma unidade de massa atmica corresponde a , este o valor
correspondente energia contida num proto (ou num electro).
A unidade de massa atmica foi definida a partir da massa do carbono ( ). A massa do
istopo mais importante do carbono o 12 igual, por definio, a 12 unidades de massa
atmica.
Massa 12 12,000 [por definio]
Uma das leis fundamentais (particularmente da Qumica) que quando se juntam vrias
coisas com massas diferentes a soma da massa dos constituintes igual massa do conjunto
Lei da Conservao da Massa.
Soma das massas do Carbono
+ + =
diferena 0,0989 energia de ligao
Energia de ligao por nucleo para o 12C
Se se pegar na massa dos constituintes (6 protes, 6 neutres, 6 electres) do tomo de
carbono, a soma das suas massas maior do que a massa do carbono.
31 particularmente usado em Qumica reaces qumicas onde intervm centenas de massas de tomos.
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40 BIOFISICA I
Mas, porque que a soma das massas dos constituintes no igual massa total do
objecto em estudo?
A diferena entre a massa do carbono, por definio, e a soma das massas dos
constituintes uma diferena pequena (no chega a unidades de massa atmica), mas em
termos de corresponde a , algo j considervel. Esta energia que falta e que
equivale a uma determinada massa est conservada na energia de ligao dos protes e dos
neutres do ncleo.
No fcil pegar em 6 protes, todos eles com cargas positivas, e 6 neutres, que no
tm carga nenhuma, e sabendo que as cargas positivas se repelem, coloc-las num ncleo com
dimenses muito reduzidas (na ordem dos fentometros: 1x10-15) s possvel por haver uma
outra fora que seja oposta fora elctrica dos protes para manter os nuclees juntos.
Com as foras que se conheciam gravidade e electricidade no era possvel explicar
como se podiam pr 6 protes todos juntos a distncias to pequenas. Para os protes
estarem no n cleo, tem que haver uma cola, uma fora de atraco destas partculas, a qual
consome a quarta parte da energia das partculas. Para todos os elementos que se conhecem
h uma certa quantidade de energia que est armazenada no ncleo das partculas e que faz
com que aqueles nuclees possam estar juntos.
Como a energia de ligao do carbono pode-se dizer que, por cada nucleo
(no carbono so 12) a energia de ligao MeV (
). Isto quer dizer que, em princpio,
se se retirar do ncleo um dos nuclees, provavelmente esta energia vai ser libertada e por
isso que, quando h desintegrao do ncleo, em geral, h libertao de energia32.
A energia de ligao diferente
de elemento para elemento; se se pegar
em todos os elementos da Tabela
Peridica e se se fizer um grfico da
energia de ligao por nucleo em
ordem massa do elemento, obtm-se
uma curva caracterstica: para os elementos muito pequenos, baixas energias de ligao;
medida que crescem, as energias de ligao vo aumentando; a certa altura atinge o mximo
(com o ) e posteriormente vo diminuindo. Esta curva mostra que o elemento que tem
a energia de ligao maior, sendo o elemento mais estvel do Universo; isto devido ao facto
dos seus nuclees estarem mais fortemente ligados uns aos outros.
32 por isso que as bombas atmicas bem como que os reactores nucleares, podem ser to perigosos.
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41 BIOFISICA I
Considere-se a fuso clssica:
(33)
Energia de ligao por nucleo:
Massa
Massa
[em ambas, tem de se subtrair a energia de ligao dos nuclees; a massa dos electres pode ser
desprezada uma vez que eles contribuem muito pouco para a massa total34
]
Se se fundir 3 ncleos de hlio obtm-se um ncleo que tem 12 nuclees (3x4) e com 6
protes (3x2). Mas as energias de ligao por nucleo no so iguais para o hlio e para o
carbono: a do hlio mais pequena do que a do carbono. Logo, o carbono ligeiramente mais
estvel do que o hlio. A massa do tomo de hlio igual soma da massa dos (2) protes, da
massa dos (2) neutres mais a massa dos (2) electres menos o produto da energia de ligao
por nucleo pelo nmero de nuclees: como so 4 tem de se subtrair quatro vezes a energia
de ligao ( ). Para o carbono, a sua massa ser seis vezes a massa dos protes, mais
seis vezes a massa dos neutres, mais seis vezes a massa dos electres menos doze vezes a
energia de ligao dos nuclees do carbono ( ).
A soma da massa dos protes, neutres e electres ser maior do que 6 vezes a energia
de ligao dos nuclees. Portanto, se se determinar a soma das trs massas (protes, neutres
e electres) e subtrair a massa do carbono, como as massas totais do hlio e do carbono so
dadas pelas expresses anteriores, as diferenas destas massas no zero mas sim .
Portanto, na fuso de trs tomos de hlio, para produzir um tomo de carbono, liberta-
se uma quantidade muito significativa de energia que estava armazenada nas energias de
ligao dos tomos: . No tendo desaparecido nenhuma partcula nem tendo-se criado
nenhuma nova partcula (continua-se com o mesmo nmero de neutres, protes e electres,
quando se juntam trs ncleos mais leves para se formar um ncleo mais pesado h uma certa
libertao de energia neste processo. Isto quer ento dizer que a fuso de trs hlios para a
fuso de um carbono uma reaco exotrmica, que produz e liberta energia.
33 Quando o Sol comear a arrefecer os tomos de hlios vo-se comear a fundir uns com os outros; provavelmente, foi da fuso do hlio que apareceu o carbono. 34 O peso de um electro cerca de 2000x mais pequeno do que o do proto e do neutro.
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42 BIOFISICA I
Pegando-se em dois elementos pequenos para produzir um elemento maior, h
libertao de energia; pegando-se num elemento maior e se parte em dois mais pequenos h
tambm libertao de energia. Pelo grfico anterior, sabe-se quais os elementos a utilizar para
que haja libertao de energia de uma e de outra forma.
pela compreenso deste processo (fuso de trs hlios para dar um carbono) que
possvel perceber-se o funcionamento do Sol: todas as reaces que nele se realizam so de
fuso e libertam grandes quantidades de energia35.
Reactor nuclear
235 + 140 + 94 + 2 liberta [em que radioistopo]
Esta a reaco que, por um reactor nuclear, se pode fazer libertar energia para ser
consumida. O 235 (reactivo) um radioistopo (elemento muito instvel) e volta e meia
liberta um neutro. Quando um desses neutres que colide noutro urnio passa-se a reaco
acima apresentada.
Um neutro que veio doutro radioistopo, ao incidir sobre um tomo 235 parte-o em
dois (140 e 94 - elementos mais pequenos) e neste processo libertam-se dois neutres; se
cada um destes dois neutres for fazer o mesmo a um tomo de urnio, tem-se uma reaco
em cadeia que cada vez vai aumentando mais de velocidade de cada uma das reaces36.
Exemplos de reaces de:
Fuso Fisso
Na fuso (que exemplo o Sol), quando se fundem dois elementos para produzir outro
elemento h libertao de energia. Na fisso de um elemento para dois outros elementos de
menor dimenso tambm se liberta energia. Isto est relacionado com o facto de a energia
mxima de ligao estar no elemento maior.
Tanto na fuso como na fisso tem que se comear o processo; para a fuso, para o
processo comear tem de haver temperaturas muito altas (e esta temperatura muito alta
que fornece energia para que haja a fuso de elementos) na fisso comea-se com uma
primeira reaco que liberta energia.
Todas as reaces consomem e produzem energia; a diferena entre elas que a soma
do que consomem e produzem s vezes negativa ou positiva (endotrmicas e exotrmicas).
35Foi esta constatao que levou a que, com muito pequenas quantidades de massa obter quantidades enormes de energia atravs de reactores nucleares que produzem electricidades, por exemplo. 36Isto uma reaco em fisso (partir) que o oposto da fuso. Este o princpio subjacente na Bomba Atmica em que este processo no controlado uma vez que esta reaco em cadeia ocorre em fraces de segundo.
1n 2n
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43 BIOFISICA I
Para se criarem condies de fuso de trs hlios num carbono, tem de haver temperaturas
muito elevadas. No momento em que a fuso acontece, a libertao de energia to grande
que se recupera toda a que se colocou l dentro ( por esta razo que est na moda a fuso
nuclear).
Para que estas reaces sejam eficientes e para que se possa usar esta energia (para que
no seja uma exploso) tem que se retardar este processo, fazer com que decorra devagar.
Um dos mecanismos para retardar grafite ou gua pesada37.
Reactores us