Использование 1 и 2 законов термодинамики в анализе биологических процессов

Классическая термодинамика изучает превращение энергии одного вида в энергию другого вида, выявляя количественное соотношение между ними. 1-й закон термодинамики является следствием из закона сохранения энергии (общая сумма энергий остается постоянной независимо от изменения в самой системе). ∆Q=∆U-∆A, где ∆А=∆А’(полезная работа)+δA(работа против внешних сил). Теплота, поглощенная системой расходуется на повышение внутренней энергии системы и на совершение системой работы. Свободная энергия – все виды внутренних взаимодействий и связей. Это кинетическая энергия (хаотическая энергия молекул), потенциальная энергия (взаимодействие между молекулой и ядром), внутримолекулярная энергия (обеспечивает строение и существование отдельных молекул). Источником свободной энергии у растений являются кванты света, а в организмах животных источником свободной энергии является энергия химического распада пищевых субстратов. Всякая химическая энергия – это энергия электронов, которые занимают самые высокие орбиты в молекуле, поэтому накапливание химической энергии в молекуле – это по сути подъем электронов на удаленные орбиты. В ходе биологического окисления происходит опускание электронов, за счет этого освобождается энергия, которая прямо или косвенно утилизируется в живых системах.

2-й закон термодинамики показывает направление протекания того или иного процесса. Энтропия – это отношение теплоты, произведенной в обратимом процессе при постоянной температуре к величине этой температуры. S=Q/T. Самопроизвольно процессы идут с повышением энтропии.

dQ=dU-dA → dQ=TdS, TdS=dU-dA

dS=dQ/T

универсальное уравнение термодинамики – dA=dU-TdS.

Бывает два вида свободной энргии: - свободная энергия Гельмгольца F. При этом T=const, V=const.

Свободная энергия Гиббса G. T=const, P=const. dG=dH-TdS.

Биологические системы это открытые системы, то есть у них происходит постоянный обмен веществом, энергией и информацией с внешней средой. Биосистемы находятся в динамическом равновесии, которое обеспечивается гомеостазом. Развитие биологических систем сопровождается уменьшением энтропии, но это не противоречит второму закону термодинамики, т.к. при этом происходит увеличение энтропии во внешней среде

Ионные потоки через мембраны и их количественное описание уравнениями Нерста-Планка и Уссинга

– уравнение Онзагера

– плотность ионного потока, U – подвижность ионов,

– электрохимический потенциал,

– электрическая работа,

– химическая работа.

–стандартный химический потенциал, который характеризует работу вещества в стандартных условиях;

R – газовая постоянная; Т – абсолютная температура; С – концентрация вещества; Z – количества заряда у ионов (равно его валентности); F – число Фарадея – 9,65*10⁴ Кл/моль; φ – величина электромагнитного потенциала в каждом конкретном случае.

– величина потока, учитывающая градиент концентрации и электрического поля (Уравнение Нэрнста-Планка)

Упростим с помощью постоянной поля Гольдмана. Допущения:

1.Мембрана гомогенна.

2.Проникающий через мембрану ион мгновенно проходит через нее.

3.Градиент электрохимического поля постоянен.

– уравнение Гольдмана.

P – пропускная способность мембраны;

– обобщенный потенциал.

Уравнение учитывает поток во всех направлениях – суммарный поток:

, или

Если и , следовательно – соотношение потоков Уссинга.

При отсутствии электрического поля потоки переносимых через мембрану ионов не зависят друг от друга, а лишь от собственной концентрации.

Если критерий Уссинга выполняется, то поток осуществляется по принципу облегченной диффузии. Если нет, то потоки взаимосвязаны и на переносимые ионы действует внешняя сила, т.е. есть сопрягающий фактор. Следовательно, доказано, что существует активный транспорт через мембрану.

Вклад Сколла: гидролиз 1 АТФ сопровождается переносом 3 Na из клетки и 2 K в клетку.

Дата добавления: 2015-07-19