Лекция Биофизика наука о физических процессах в биологических системах
 Скачать 108.5 Kb.
| Образовательный портал Как узнать результаты егэ Стихи про летний лагерь 3агадки для детей |
| Лекция 1. Биофизика - наука о физических процессах в биологических системах Физические явления происходят повсюду: в космосе и микромире, в неорганических и органических веществах, в неживой и живой природе. Физика - наука о свойствах и строении материи, об общих формах движения материи и об их взаимных превращениях. Физика изучает строение и конкретные свойства видов материи - веществ и полей и формы существования материи - пространство и время. Понятия и законы физики лежат в основе всего естествознания. Материя есть объективная реальность, которая дается человеку в его ощущениях и отображается в человеческом сознании независимо от человека. Как известно, способом существования материи является движение, неразрывно связанное с материей. Термин “движение” подразумевает любое изменение в пространстве и во времени, т.е. все происходящие процессы связаны с движением. Формы движения материи многообразны, однако, условно их можно подразделить на 4 основных вида: физическую, химическую, биологическую и социальную. Согласно законам диалектики, жизнь как биологическая (высшая) форма движения материи включает в себя низшие формы движения материи, химическую, физическую, через которые она и проявляется. Биологическую форму движения материи невозможно обьяснить исходя только из законов низших форм движения, законов физики, химии. Однако, не принимая во внимание физические и химические процессы, происходящие в живых системах, невозможно понять и механизмы функционирования этих систем, т.е. механизмы проявления жизни. Таким образом, применение законов, понятий, методов точных наук является необходимым, но не достаточным условием для познания любых биологических явлений. Поэтому на стыке биологии, физики, химии возникла новая наука - биологическая физика. Таким образом, биофизика изучает физические, физико-химические процессы в биологических системах на всех уровнях их организации и влияние различных физических факторов на эти системы. По выражению известного биофизика М.В. Волькенштейна, биофизика - это физика явлений жизни на всех уровнях - от молекул до биосферы. По изучаемым объектам биофизика близка к биологии, по области исследуемых явлений и применяемым методам - к физике. В настоящее время биофизика является быстро развивающейся наукой, которая тесно связана с биохимией, молекулярной биологией, физикой, химией, математикой. Как самостоятельная отрасль науки биофизика официально была оформлена в 1961 году по решению 1 Международного биофизического конгресса. Согласно классификации принятой на этом конгрессе , биофизика включает следующие разделы: Молекулярная биофизика изучает строение и свойства макромолекул, молекулярных комплексов, составляющих основу живых организмов, а также происходящие в этих системах превращения энергии. Биофизика клетки исследует структуру клетки, органоидов, происходящие в них физико-химические процессы, электрические свойства клетки, энергетику и термодинамику клетки. Биофизика органов чувств изучает механизмы перехода энергии внешних раздражителей в электрические импульсы в рецепторах, кодирование импульсов в процеесе передачи информации. Биофизика сложных систем занимается изучением и моделированием внутренних связей в биологических обьектах, проблемами регулирования саморегулирования этих объектов. В этот раздел также входит биомеханика, исследующий механизмы работы органов кровообращения, движения, дыхания у организмов. К биофизике относятся и разделы науки, исследующие влияние физических факторов ( температура, ультразвук, электромагнитные излучения и др.) на живые организмы. Задачей биофизики является познание закономерностей протекания физико-химических процессов в живых системах и перехода их на качественно новые, физиологические явления. Исследование физико-химических основ физиологических процессов сопряжено с большими трудностями. Физические и химические процессы протекают в организмах в особых, своеобразных условиях, которые отсутствуют в неживой природе и поэтому обладают рядом специфических закономерностей, подлежащих специальному исследованию. Вторым фактором, обуславливающим сложность этой проблемы , является исключительная специфичность, гетерогенность и динамичность биологических систем. История развития биофизикиПрогресс в области теории всегда связан с прогрессом в технике. Появление биофизики как самостоятельной науки в большей степени обусловлено спецификой используемых в данной области методических подходов. Эксперименты определением количествееных показателей являются характерным элементом физического изучения той или иной проблемы. И поэтому, всякий раз, когда в биологию внедрялись измерения можно говорить о биофизическом подходе, дополняющем описательный метод, являющийся фундаментальным методом биологии до середины 20 века. Разработка физических методов и теорий явились предпосылкой к развитию биофизики. Именно физические эксперименты исследователей побуждали некоторых ученых -биологов проводить измерения и расчеты с целью углубить эксперименты и обосновать свои гипотезы. Одним из первых таких ученых был Вильям Гарвей (1578 - 1675 гг.), который рассчитав количество крови проходящей за 1 час через аорту установил, что оно несколько раз превышает объем крови в организме. Отсюда возникла идея о циркуляции крови в организме, очевидная в наше время и вовсе не очевидная в ту эпоху. Стефан Халес (1617-1761 гг.) измерил перепады давлений сока в корнях и ветвях различных растений, а также изменения давления крови в артериях и венах в зависимости сокращений сердца. Нужно отметить, что манометр был изобретен в 1705 году, незадолго до исследований С.Халеса. Эволюция идей по проблеме дыхания живых организмов свидетельствует о важности физических теорий для понимания биологических процессов. В 1769 году швейцарский исследователь Шарль Бонне (1720- 1793 гг.) обнаружил, что листья растений в воде выделяют газовые пузырьки. Далее англичанин Джозеф Пристли (1733-1804гг.) показал, что данные пузыри состоят из воздуха, которыми дышат животные. Ему удалось установить, что газовый обмен - основа дыхательного процесса у всех организмов. Наряду с Д. Пристли, исследования значения воздуха и солнечного света в жизни растений проводили также голландский врач Ян Ингенхауз (1730 - 1790 гг.) и швейцарский ботаник Жан Сенебье (1742 - 1809 гг.). Они предположили, что дыхание растений и животных носят противоположный характер. Основным результатом этих исследований стало создание учения о фотосинтезе как о процессе воздушного питания растений под действием света. Работы франзуцкого ученого Антуана Лорана Лавуазье (1743 - 1794 гг.) внесли принципиально новый вклад в решение данной проблемы. Этот исследователь является основоположником биоэнергетики. Прежде всего он однозначно установил, что горение любого вещества в воздухе обусловлено соединением его с кислородом. Даллее в сотрудничестве с французским физиком Пьером Симоном Лапласом (1749-1827гг.), он измерил тепло, выделяемое морскими свинками, помещенными в калориметр со льдом (калориметр был изобретен ими в ходе данного эксперимента). Исследователи пришли к выводу, что выделяемое организмами тепло, связано с дыханием, которое представляет собой “весьма медленное горение, во всех других отношениях совершенно идентичное горению угля. Теплота возникающая в ходе этого горения передается крови, которая проходит через легкие и передается всему организму”. Итальянский физик-медик Луиджи Гальвани (1737-1798) является основателем электрофизиологии. Его эксперименты по исследованию “животного электричества” легли в основу широкого изучения электрических явлений у живых организмов. Параллельно аналогичные опыты проводил и другой итальянский ученый Алессандро Вольта (1745 - 1827 гг.). Научный спор между Л. Гальвани и А. Вольта о природе “животного электричества” привел к открытию нового принципа получения электричества: созданию электрических батарей ( гальванических элементов). Первые прямые измерения биопотенциалов с помощью гальванометра были проведены Карло Маттеуччи (1811 -1868 гг.). Систематическое изучение биопотенциалов начал Эмиль Дюбуа Реймонд (1818-1896), показавший существование между внутренним содержимым нервных и мышечных клеток в покое и наружным раствором стационарной разности потенциалов (потенциал покоя), которая закономерно изменяется при возбуждении. Э.Д. Реймондом были также проведены эксперименты, доказывающие общность биоэлектрических явлений у животных и растений. В это время были выполнены первые исследования, положившие начало электрофизиологии центральной нервной системы. Первые опыты в этой области провел английский врач Ричард Катон (1842 -1926 гг.), который в 1875 году измерил электрические потенциалы головного мозга обезьян. В 1924 году Ганс Бергер провел аналогичные опыты на человеке, положив начало электроэнцефалографии. Убедительное доказательство возникновения в мышечных и нервных клетках колебаний потенциалов при раздражениях получил Николай Евгеньевич Введенский (1852 - 1922 гг.) в 1880 году с помощью незадолго до этого изобретенного телефона. Дальнейший прогресс в изучении биопотенциалов связан с успехами электронно-усилительной техникии применением в физиологическом опыте безынерционных осциллографов . Изучение биопотенциалов в отдельных волокнах и клетках стало возможным с разработкой методики микроэлектродного внутриклеточного отведения потенциалов. Большое значение для выяснения механизмов генерации биопотенциалов имело использование гигантских нервных волокон кальмаров. Изучение зависимости проницаемости этих волокон для ионов Na+ и K+ от мембранного потенциала позволило Александру Ходжкину, Альберту Хаксли и Бенжамину Кацу ( 1947-1952 гг.) расшифровать ионный механизм возникновения потенциалов действия и сфрмулировать мембранную теорию биопотенциалов. Параллельно исследованиям электрогенеза животных клеток велось изучение биопотенциалов растений. Д.Ч. Бос (1926) году установил, что биопотенциалы и электрические ответы на раздражители присущи всем растениям. Сконструированные им высокочувствительные записывающие гальванометры позволили впервые получить специфические электрические ответы растений при действии на них химических и физических раздражителей. В начале 19 века возникла наука термодинамика, исследующая общие закономерности превращения различных видов энергии в системах, в т.ч. и в биологических системах. Термодинамика как наука сформировалась благодаря исследованиям таких ученых как Никола Карно (1796-1832 гг.), Рудольф Готтлиб (Клаузис) (1822-1888 гг.), Джеймс Джоуль (1817-1892 гг.), Уильям Томсон ( Кельвин) (1817-1889 гг.). Исключительное значение для биологии и естествознания в целом имело открытие закона сохранения энергии, осуществленное немецкими учеными: врачом Робертом Майером (1814 - 1878 гг.), физиком-врачом Германом Людвигом Гельмгольцем (1821 - 1894 гг.) и англичанином Д. Джоулем. Благодаря трудам этих ученых, живой организм стали рассматривать как физико-химическую систему, которая функционирует в соответствии с законом сохранения энергии. 40 -е годы 19 века ознаменовались в биологии фундаментальным обобщением, получившим название клеточной теории. Основоположниками клеточной теории являются немецкий ботаник Маттиас Шлейден (1804 -1881 гг.) и его соотечественник гистолог-физиолог Теодор Шванн (1810 - 1882 гг.). Дальнейшее развитие клеточная теория получила в трудах другого немецкого исследователя Рудольфа Вирхова (1821-1902 гг.). В 1895 году австрийский физик Конрад Вильгельм Рентген обнаружил неизвестное излучение, характеризующееся высокой проникающей спосбностью, которое он назвал “неивестные лучи” (Х-лучи). Впоследствии эти лучи получили название по имени открывателя - рентгеновское излучение. За это открытие В. Рентгену была присуждена первая в истории Нобелевская премия в области физики. Значение открытия В. Рентгена трудно переоценить. В течение более 100 лет рентгеновский метод диагностики остается одним из самых точных и объективных методов в медицинской практике и широко используется в современной медицине. В 1979 году за разработку компьютерного рентгеновского томографа была присуждена Нобелевская премия Г. Хуансфилду и Мак-Кормаку. Приборы с использованием рентгеновских лучей широко применяются и в многих областях науки и практической деятельности (рентгеноструктурный анализ, рентгеноскопия). Буквально через несколько месяцев после открытия К. Рентгена , в 1896 году, профессор Парижского института Анри Беккерель открыл явление естественной радиоактивности. В 1898 Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри получили первые радиоктивные элементы ( полоний и радий) и стали пионерами изучения природы радиоактивности. Первый элемент был назван в честь родины Марии - Польши, а слово радий означает «лучистый». Термин «радиоактивность» имеет свое происхождение от слова «радий». В 1903 году всем первооткрывателям радиоактивности были присуждены Нобелевские премии. В 1911 году Мария Кюри получает вторую Нобелевскую премию. В 1935 году за открытие явления искусственной радиоактивности Нобелевская премия была присуждена дочери Марии - Ирен Кюри и ее мужу - Фредрик -Жолио-Кюри. Открытия В.Рентгена, А. Беккереля и супругов Кюри положили начало систематическим исследованиям действия ионизирующих излучений на живые организмы, в т.ч. и на человека. Так возникла наука радиобиология, исследующая действие ионизирующих излучений на живые системы и на отдельные их компоненты. Интенсивное развитие радиобиологии обусловило появление и применение атомного оружия массового уничтожения. Сравнительно недавно, в 40-ые годы 20 века, в биологии и в медицинской практике начали широко использоваться радиоактивные меченые соединения. (добавить) Термодинамика биологических процессовТермодинамика- раздел науки, исследующий общие закономерности превращения различных видов энергии в системах. Эта наука возникла в начале 19 века, когда появились первые тепловые двигатели, и потребовалось изучить превращения энерги в этих машинах счисто практическими целями. Вначале термодинамика занималась изучением взаимопревращений тепловой энергии ( “термодинамика” - движение тепла). Однако, законы термодинамики оказались настолько универсальными, что их можно применять при исследовании свойств газов, жидкостей, твердых тел, химических реакций, электрических и магнитных явлений и т.д. Более того, законы термодинамики оказались и приемлимыми и для описания самых сложных систем- биологических. Как известно, важнейшее и универсальное свойство живых организмов заключается в их способности улавливать, преобразовывать, запасать различные формы энергии. Общие законы, описывающие превращение энергии в живых системах, изучаются биологической термодинамикой. Законы термодинамики универсальны для живой и неживой природы, и формулируя их, мы не исследуем сущности явлений, происходящих в этих системах. Классическая термодинамика не изучает закономерности, связанные с конкретной структурой вещества. Термодинамика- наука феноменологическая ( “феномен” - явление). Так, с позиции термодинамики, процессы происходящие при движении поршня в цилиндре, нагревании воды в чайнике и прорастании семени, принципиально не различаются. Основные понятия и величины, используемые в термодинамикеТермодинамическая система. Термодинамической системой называют ту часть окружающего мира, которую исследуют и описывают с позиций термодинамики. Нужно отметить, что методы и законы термодинамики применимы только к макроскопическим системам, состоящим из большого числа частиц. Законы термодинамики для описания процессов, происходящих на атомном уровне, неприменимы. Атом, состоящий из элементарных частиц, не может являться термодинамической системой. По-другому, термодинамической системой называют совокупность макроскопических тел, взаимодействующих между собой. Компоненты системы могут обмениваться между собой и окружающей средой веществом и энергией. Если такой обмен существует только внутри системы между компонентами, то эта термодинамическая система называется изолированной. Такая система не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Если происходит обмен веществом и энергией между системой и окружающей средой, то такая система является открытой. В замкнутых (закрытых) системах происходит только энергетический обмен между окружающей средой и системой. Все существующие в природе термодинамические системы являются открытыми или замкнутыми. Изолированные ситемы реально не существуют, это идеальные системы. Состояние термодинамической системы определяется совокупностью ее параметров, представляющих собой поддающиеся измерению макроскопические физические величины. К важнейшим параметрам термодинамической системы относятся обьем, температура, давление. Экстенсивные параметры, зависят от количества вещества в системе, например, объем, масса, внутрення энергия. Интенсивные, не зависят от количества вещества в системе (давление, температура). При взаимодействии термодинамической системы с окружающей средой ее параметры изменяются. Равновесным состоянием или термодинамическим равновесием называют такое состояние системы, в котором параметры системы не изменяются во времени. В равновесное состояние система самопроизвольно переходит через определенный промежуток времени, если эта система изолирована от окружающей среды. В этом состоянии прекращаются все необратимые процессы, связанные с рассеванием энергии (диффузия, теплопроводность, химические реакции и т.д.). Процесс установления равновесного состояния носит название релаксации. Уравнение, которое связывает между собой объем, давление и температуру в этом состоянии f(p,V,T) = 0 называют термическим уравнением состояния термодинамической системы. Изолированная система самопроизвольно не может выйти из состояния термодинамического равновесия. Термодинамическим процессом называют переход системы из одного равновесного состояния в другое в результате взаимодействия ее с окружающей средой. Всякий термодинамический процеес связан с нарушением равновесия. Однако, если параметры системы изменяются так медленно, что в течение любого выбранного промежутка времени остаются практически постоянными, то процесс можно считать как последовательность следующих друг за другом равновесных состояний. Такой процесс называется равновесным. При равновесном процесс, точка на графике, соответствующая равновесному состоянию, перемещается по координатной плоскости. Линия перемещения точки представляет собой график равновесного процесса. Неравновесные процессы графически изобразить невозможно. Реальные процессы не могут протекать равновесно, однако, чем медленнее они протекают, тем больше приближаются к равновесным. Обратимым процессом называют такой процесс, который может протекать в прямом и обратном направлениях, причем так, что в окружающей среде никаких изменений не происходит, а возвращение в исходное состояние происходит через ту же последовательность, что и в прямом процессе, но в обратном порядке. Реальные процессы необратимы, т.е. происходят с конечной скоростью и с рассеиванием энергии. Любой процесс, при котором хотя бы часть энергии превращается в теплоту, является необратимым. Так, если бы отсутствовало трение, то все механические процессы были бы обратимыми. Внутренняя энергия (U) есть суммарная потенциальная и кинетическая энергия взаимодействия всех компонентов системы. В термодинамике представляет интерес не столько значение внутренней энергии, сколько ее изменение ( U) при изменении состояния системы. В идеальных газах ее изменение внутренней энергии связано с изменением температуры, которая определяется изменением средней кинетической энергии хаотического частиц системы. В реальных газах, жидкостях, твердых телах внутренняя энергия включает энергию внутримолекулярного и межмолекулярного взаимодействий. Теплотой или количеством теплоты (Q) называют ту часть внутренней энерии, которая передается системой в окружающую среду (или передается системе из окружающей среды) в процессе теплообмена. Количество теплоты имеет положительное значение, если теплота передается от внешних тел в систему. Внутренняя энергия системы при этом повышается. Отношение количества теплоты полученного или отданного системой к температуре, при которой происходит теплообмен (Q/Т), называют приведенным количеством теплоты. Работа или количество работы (W) - это часть внутренней энергии, которая передается ситемой в окружающую среду (или системе из окружающей среды) не используя при этом разность температур, т.е. не за счет теплообмена. Значение работы считается положительным, если работа выполняется внешними силами над системой. В этом случае внутренняя энергия системы повышается. При выполнении работы системой над внешней средой ее значение будет отрицательным. Необходимо уточнить, что теплота и работа не являются формами энергии, а характеризуют лишь способ передачи энергии. Изменение внутренней энергии термодинамической системы может происходить или за счет теплообмена, или за счет совершения работы. Энтропия (S) - есть мера необратимого рассеяния энергии при термодинамическом процессе. В изотермическом процессе изменение энтропии (ΔS) равно отношению изменения количества теплоты к абсолютной температуре ΔS = ΔQ/Т. Свободная энергия (F) есть та часть внутренней энергии, за счет которой система может совершать работу в обратимом изотермическом процессе F = U-TS. В равновесном состоянии свободная энерги системы минимальна, энтропия - максимальна. Функция состояния есть функция независимых параметров, определющих равновесное состояние термодинамической системы. Значение этой функции в данном равновесном состоянии не зависит от способов и путей прихода этой системы в данное состояние. Так, функциями состояния являются внутренняя энергия , энтропия. А такие параметры, как теплота, работа, не могут быть функциями состояния, так как их значение определяется характером термодинамического процесса. Законы термодинамики. Термодинамика необратимых процессов Термодинамика основана на небольшом числе утверждений, которые в сжатой форме включают в себя огромный опыт человечества по изучению свойств энергии в процессах ее превращений. Эти утверждения носят название законов термодинамики. Всего известно 4 закона термодинамики: нулевой, первый, второй и третий. Нулевой закон термодинамики сформулирован в 30-х годах 20 века и представляет собой полученное “задним числом” логическое оправдание для введения понятия температуры физических тел. Температура - одно из глубоких понятий термодинамики. Термин “температура” означает количественное выражение степени нагретости физического тела (системы). Температура служит мерой неупорядоченного движения частиц, являясь термодинамическим свойством системы, состоящей из многих частиц. В статистической физике, температура проявляется в отношении числа возбужденных атомов к числу не возбужденных и чем выше это отношение, тем выше температура. Т = A/ ln числоневозбужденных атомовчисло возбужденных атомов где А - постоянная, зависящая от энергии возбуждения атома. Как видно, чем больше число возбужденных атомов в системе, тем выше ее температура. При отсутствии возбужденных атомов, температура системы должна быть равна нулю. Эти представления статистической физики о температуре, сформировавшиеся в начале 20 века, сохраняются и в современной науке. Однако, представления о физической основе теплоты, как «о движении мельчайших частиц» не согласуются с такими явлениями как дефект масс, и электромагнитной природой теплового излучения. Первый закон термодинамики. Основная задача термодинамики состоит в том, чтобы найти такие величины (параметры), которые однозначно определяли изменение состояния системы при переходе ее из одного состояния в другое. Одним из таких параметров является внутренняя энергия, которая является функцией состояния. Это величина зависит от других параметров U= f(m, p, V, T). Изменение внутренней энергии (U) не зависит от пути перехода системы из одного состояния в другое. Изменение внутренней энергии в замкнутой системе можно определить измеряя поглощенную (или выделившуюся) теплоту и выполненную работу. Экспериментально установлено, что в замкнутой системе, изменение внутренней энергии (U) при переходе из одного состояния в другое определяется количеством переданной теплоты и величиной совершенной работы U = U - U = Q W В изолированной термодинамической системе полный запас энергии есть величина постоянная и возможны только превращения одного вида энергии в другой вид в эквивалентных соотношениях U = const, U = 0. Эти два утверждения составляют сущность первого закона термодинамики, которое иначе называют законом сохранения энергии. В дифференциальной форме первый закон термодинамики можно записать в следующем виде: dU = Q W Теплота и работа не являются функциями состояния и не могут быть полными дифференциалами. Первый закон термодинамики устанавливает эквивалентность теплоты и работы. Если система совершает цикл и возвращается в исходное состояние dU = 0, тогда Q = W. Работа может быть совершена системой только за счет переданного ей количества теплоты. Невозможно создать механизм, который совершал бы работу, превышающее полученное им количество теплоты. Таким образом, первый закон термодинамики утверждает невозможность создания “вечного двигателя 1 рода”. Второй закон термодинамики.Первый закон термодинамики определяет энергетические преобразования и энергетический баланс в изолированных и замкнутых системах, но не позволяет установить, в каком направлении происходят изменения в системе. Второй закон термодинамики позволяет оценивать способность термодинамитческой системы изменяться в определенном направлении и определять эффективность преобразования энергии в работу. Согласно этому закону, в изолированной системе при обратимых процессах энтропия сохраняет постоянное значение (S = const, dS = 0), возрастает при необратимых процессах (dS 0) и достигает максимального значения при установлении термодинамического равновесия (S = max, dS = 0). Таким образом, энтропия является количественным показателем способности термодинамической системы к самопроизвольным изменениям. Второй закон термодинамики свидетельствует о том, что теплота и работа являются неравноценными формами передачи энергии. Совершая работу, можно непосредственно увеличить энергию системы в любой ее форме. Теплота непосредственно, без промежуточного преобразования в другие виды энергии, может быть использована только для нагревания, т.е. для повышения внутренней энергии системы. Обратный процесс самопроизвольного перехода внутренней энергии системы, например, в механическую или электрическую энергии, невозможен. Поэтому все самопроизвольные процессы в природе могут протекать только в направлении перехода всех видов энергии в теплоту, во внутреннюю энергию системы, т.е. все реальные процессы необратимы. Одна из первых формулировок второго закона термодинамики гласит, что невозможно построить работающее устройство, которое выполняло бы работу за счет тепла, отбираемого из резервуара, имеющего во всех частях одинаковую температуру ( У. Томсон, 1851 г.). Иначе говоря, невозможно построить “вечный двигатель II рода”. Процесс выравнивания температур имеет одностороннюю направленность от положительных значений температур к отрицательным значениям и соответственно, энтропия должна возрастать до установления теплового равновесия. По некоторым расчетам, энергии полученной при охлаждении мирового Океана на 0,01 С хватило бы человечеству на несколько сотен лет. Однако, механизм, который позволял бы осуществить этот процесс, невозможен. Третий закон термодинамики утверждает, что невозможно охладить вещество до температуры абсолютного нуля (0 К или -273, С) посредством конечного числа шагов. Все жизненные процессы происходят при температуре около 300 К. Если уменьшить нормальную температуру на 1 порядок (30 К), то мы попадем в холодный мир, где все биохимические процессы и большинство химических процессов полностью прекращаются. Молекулы и состоящие из них соединения находятся в замороженном состоянии, тепловое движение молекул отсутствует, возможны только колебания молекул. При уменьшении температуры еще на 1 порядок (3 К), мы попадем в мир “теплового спокойствия”, где полностью прекращаются и колебания атомов и молекул. В таком состоянии у веществ проявляются новые свойства, которые при более высоких температурах затушевывались интенсивным тепловым движением атомов и молекул. В частности, обнаруживается явление сверхпроводимости - отсутствие сопротивления в проводниках электрического тока. Температура окружающего космического пространства составляет 3 К. Мировой ( возможно, и Вселенский) рекорд холода составляет 2 10 -8 К, что на 10 порядков ниже нормальной температуры. Такая температура была достигнута французскими исследователями в 1984 году в лабораторных условиях. При такой температуре практически не соблюдаются никакие известные физические законы. Энтальпия термодинамической системы. Закон Гесса. Для исследования биохимических реакций в клетках, протекающих при постоянном давлении вместо внутренней энергии можно ввести новую функцию состояния - энтальпию (H). Расмотрим эту функцию. Работа Wp по изменению объема V при постоянном давлении запишется так: Wp = pdV. Тогда запись 1 закона термодинамики ( dU = Q W) выглядит так: dU = Q pdV или Q = dU + pdV= d(U+pV) = dH H = U +pV - энтальпия или теплосодержание системы. Эта функция лежит в основе закона Гесса, который говорит о том, что тепловой эффект химической реакции не зависит от пути реакции от исходных веществ к продуктам реакции, а определяется лишь разностью энтальпий конечных продуктов и исходных веществ. Q = dH = Hпр - Hис , где Hпр - сумма энтальпий продуктов реакции, Hис - сумма энтальпий исходных веществ. Изменение энтальпии системы соответствует величине поглощенной или выделенной теплоты. Закон Гесса можно рассмотреть на таком примере. При сгорании на воздухе 1 моля глюкозы выделяется 2810 кДж тепловой энергии. Реакция происходит в один этап: C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O - 2810 кДж Моль-1. Такое же количество тепловой энергии выделяется и при окислении глюкозы в клетках живых организмов, хотя этот процесс включает десятки последовательных биохимических реакций. Термодинамическая вероятность Классическая термодинамика рассматривает макроскопические системы и не дает никакой информации о молеуклярных механизмах, которые вызывают изменения макроскопических параметров системы. Впервые трактовку понятия энтропии с точки зрения статистической физики дал немецкий ученый Людвиг Больцман. Он связал энтропию S с термодинамической вероятностью . S = k0 ln , где k0 - постоянная Больцмана ( 1,38 10-23 Дж К-1). Согласно Л.Больцману, энтропия каждого макроскопического состояния связана с вероятностью реализации этого состояния. Одно и то же макросостояние системы может реализоваться большим числом микросостояний. Это число микросостояний называют термодинамической вероятностью(). = N! / N1! N2! N3! ....Ni! N = N1 + N2 + N3 +.... +Ni - общее число молекул в системе, N1 , N2 , N3 ,.... Ni - число молекул в i-м фазовом объеме (ячейке). Таким образом, термодинамическая вероятность - это число способов, которыми N молекул можно расположить в i ячейках системы. Для примера рассмотрим идеальный газ в сосуде, условно разделенном на 3 отсека (ячейки). В начальном положении (а) 9 молекул газа в 3 отсеках расположились таким образом: 6, 2, 1 (рис. 1).    Рис.1. Изменение состояния идеального газа в сосуде а - начальное состояние системы, б - равновесное состояние системы с максимальной энтропией, в - неравновесное состояние системы с минимальной энтропией. Значение термодинамической вероятности начального состояния (а) составляет а = 9!/ 6! 2! 1! = 252, энтропия этого состояния Sa = k0 ln 252. Возможны две крайние ситуации изменения начального состояния: б - все молекулы равномерно распределены в 3 ячейках системы ( 3, 3, 3), в - все молекулы попадают лишь в одну ячейку ( 0, 9, 0). б = 9!/ 3! 3! 3! = 1680; Sб = k0 ln 1680. в = 9!/ 0! 9! 0! = 1; Sв = k0 ln 1. В состоянии б рассматриваемая система характеризуется максимальным значениями термодинамической вероятности и энтропии. Переход в это состояние будет наиболее вероятным и самопроизвольным процессом. Второе состояние системы (в) обладает наименьшими значениями этих параметров. Это наиболее упорядоченное состояние, самопроизвольный переход в которое, при данных условиях, невозможен. Как видно, энтропия является мерой молекулярного хаоса, и ее увеличение указывает на возрастающую дезорганизацию системы. Кореляционную связь энтропии с упорядоченностью системы хорошо иллюстрирует различные агрегатные состояния молекул воды ( табл.1). Таблица 1 Значение энтропии ( S) для различных агрегатных состояний воды
Термодинамические потенциалы Второй закон термодинамики позволяет установить направленность изменений в системе, но по величине dU и dS нельзя оценить величину производимой работы. В биологических системах (живых клетках) большая часть биохимических реакций протекают при постоянных значениях температуры, давления, обьема. Для оценки величины совершенной работы введем два новых термодинамических потенциала. Согласно первому закону термодинамики dU = Q W Изменение энтропии в изотермическом процессе определяется так: dS = Q/T или TdS = Q Обьединив эти два выражения получим: dU = W + TdS или TdS = dU + W Величина выполненной работы (W) определяется работой по изменению объема (W0) и количеством полезной работы (Wp) : W = W0 + Wp Подставив это выражение в формулу TdS = dU + W получим: TdS = dU + W0 + Wp Тогда полезную работу можно рассчитать по следующей формуле: -W0 = dU + Wp - TdS или -W0 = dU + pdV - TdS Если термодинамический процесс протекает при постоянной температуре (T = const) и постоянном объеме (V =const), максимальная полезная работа выполняется за счет изменения свободной энергии Гельмгольца ( изохорно-изотермического потенциала). В этом случае работа по изменению объема системы pdV = 0. Тогда -W0 = dU - TdS = d(U - TS) = dF F = U - TS - изохорно-изотермический потенциал. Если термодинамические процессы происходят постоянной температуре (T = const) и постоянном давлениии (р = const), максимальная полезная работа выполняется за счет изменения свободной энергии Гиббса ( изобарно-изотермического потенциала). Величина свободной энергии Гиббса зависит от изменения теплосодержания системы ( H = U + pV). -W0 = dU + pdV - TdS = dH - TdS = d(H -TS) = dG G = H - TS - изобарно-изотермический потенциал. Выполнение полезной при необратимых процессах всегда сопровождается рассеиванием энергии, величина которой определяется TdS. Чем больше значение TdS, тем более необратим процесс. Изменение энтропии (dS) характеризует необратимость процесса. Рассеивание энергии отсутствует только в обратимых процессах, где TdS = 0. По величине и знаку этих термодинамических потенциалов можно судить о направленности процессов. Если в каком-то процессе термодинамические потенциалы понижаются (dF 0, dG 0), то такие процессы являются самопроизвольными, протекают с выделением энергии и называются экзергоническими.Процессы, протекающие с увелечением термодинамических потенциалов (dF0, dG0) не являются самопроизвольными и требуют поглощения энергии из внешней среды. Такие процессы называются эндорганическими. При достижении равновесного состояния системы термодинамические потенциалы принимают минимальное значение и не изменяются (F min, dF = 0; G min, dG = 0) Изменение стандартной свободной энергии и константа равновесия В биологических системах большая часть процессов происходят при постоянном давлении, и поэтому в термодинамических оценках используется свободная энергия Гиббса (G). Изменение этого потенциала зависит от условий протекания химических реакций (температуры, давления, концентрации реагирующих веществ), что не позволяет сравнивать различные биохимические реакции. Поэтому изменение свободной энергии химических реакций представляют в стандартных условиях (р = 1 атм.; рН = 7,0; Т = 298 К; с = 1 М). Эту величину называют изменением стандартной свободной энергии (ΔG). Если допустить, что система в исходном состоянии находилась в стандартных условиях, то величина свободной энергии определяется G = G + RT lnp Для разбавленных растворов давление определяется концентрацией вещества с, тогда: G = G + RT lnс Рассмотрим простую химическую реакцию A B. G = GB -GA = (GB + RT ln[B]) - (GA + RT ln[A]) = (GB - GA) + RT ln [B]/[A] = G + RT ln [B]/[A ], где [B], [A] - концентрации реагирующих веществ. При достижении равновесного состояния G = 0, т.е. G = - RT ln [B]равн./[A ]равн. Отношение равновесных концентраций реагирующих веществ [B]равн./[A ]равн = Кр называется константой равновесия. G = - RT ln Кр - уравнение Вант-Гоффа. Константу равновесия можно определить экспериментально и по уравнению Вант-Гоффа находить величину G. Для многих биохимических реакций определены значения стандартных величин. Для расчетов G определяют значение Кр различными методами. Обычно для этой цели используют спектрофотометрический метод определения концентрации реагирующих веществ. Значение H определяют при помощи колориметрических методов. Ниже приводятся примеры некоторых биохимических реакций при стандартных условиях. а) окисление глюкозы: C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O H = - 2810 кДж Моль-1 (- 673 ккал Моль-1) G = -2870 кДж Моль-1 ( -687 ккал Моль-1) б) гидролиз молекулы АТФ: ATФ + H2O АДФ + Фн G = -35,54 кДж Моль-1 ( - 8,2 ккал Моль-1) Соединения, при гидролизе которых освобождается большое количество энергии, называются макроэргическими. Именно большая величина G определяет АТФ как универсальный источник энергии для многих сопряженных биологических процессов, которые идут с потреблением энергии.  перейти в каталог файлов | Образовательный портал Как узнать результаты егэ Стихи про летний лагерь 3агадки для детей | |||||||||