1. Термодинамическая система. Основные параметры состояния
 Скачать 3.69 Mb.
|
|
помощи фотосинтеза преобразуется в органическое вещество и далее в пище консументов преобразуется в движение мышц, работу мозга и другие проявления жизни. На каждом этапе высококачественная энергия переходит с одного уровня на другой, и при этом ее основная часть превращается в низкокачественное тепло и рассеивается в окружающей среде. В открытых системах энтропия (мера количества связанной энергии, которая в изотермическом процессе недоступна для использования, мера беспорядка, неупорядоченности системы) переходит не в полезную работу, а в тепло и рассеивается в пространстве и снижается до определенной минимальной величины, но всегда большей нуля. Энергия Гиббса Определяет возможность самопроизвольного протекания процесса с учетом энтальпийного и энтропийного факторов ∆G=∆H-T∆S, если ∆G<0 – такой процесс разрешен и будет происходить, если ∆G>0 – запрещен и в данных условиях не может происходить. Термодинамические запрещенные процессы могут быть реализованы за счет механизмов энергетического сопряжения. 5.Организм как открытая термодинамическая система. Принцип Ле-Щателье. Уравнение Пригожина. Биосистемы относятся к открытому типу термодинамических систем. Для открытых: ∆S=∆S i +∆S e , где ∆S i – изменение энтропии, обусловленное необратимыми процессами в системе, ∆S e – изменение энтропии, вызванное взаимодействием систем с внешними телами. Теорема Пригожина: в стационарном состоянии скорость возникновения энтропии вследствии необратимых процессов имеет минимальное значение при данных условиях dS i /dt→min Принцип Ле-Шателье: если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое- либо из условий равновесия ( температура , давление , концентрация , внешнее электромагнитное поле ), то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия. Влияние температуры зависит от знака теплового эффекта реакции. При повышении температуры химическое равновесие смещается в направлении эндотермической реакции , при понижении температуры — в направлении экзотермической реакции . В общем же случае при изменении температуры химическое равновесие смещается в сторону процесса, знак изменения энтропии в котором совпадает со знаком изменения температуры. Зависимость константы равновесия от температуры в конденсированных системах описывается уравнением изобары Вант-Гоффа: в системах с газовой фазой — уравнением изохоры Вант-Гоффа В небольшом диапазоне температур в конденсированных системах связь константы равновесия с температурой выражается следующим уравнением: Например, в реакции синтеза аммиака N 2 + 3H 2 ⇄ 2NH 3 + Q тепловой эффект в стандартных условиях составляет +92 кДж/моль, реакция экзотермическая, поэтому повышение температуры приводит к смещению равновесия в сторону исходных веществ и уменьшению выхода продукта. Давление существенно влияет на положение равновесия в реакциях с участием газообразных веществ, сопровождающихся изменением объѐма за счѐт изменения количества вещества при переходе от исходных веществ к продуктам: При повышении давления равновесие сдвигается в направлении, в котором уменьшается суммарное количество молей газов и наоборот. В реакции синтеза аммиака количество газов уменьшается вдвое: N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3 Значит, при повышении давления равновесие смещается в сторону образования NH 3 , о чем свидетельствуют следующие данные для реакции синтеза аммиака при 400 °C: Введение в реакционную смесь или образование в ходе реакции инертных газов действует так же, как и понижение давления, поскольку понижается парциальное давление реагирующих веществ. Следует отметить, что в данном случае в качестве инертного газа рассматривается газ, не участвующий в реакции. В системах с уменьшением количества молей газов инертные газы смещают равновесие в сторону исходных веществ, поэтому в производственных процессах, в которых могут образовываться или накапливаться инертные газы, требуется периодическая продувка газоводов. Влияние концентрации на состояние равновесия подчиняется следующим правилам: При повышении концентрации одного из исходных веществ равновесие сдвигается в направлении образования продуктов реакции; При повышении концентрации одного из продуктов реакции равновесие сдвигается в направлении образования исходных веществ. 6 Современные представления о строении биомембраны. Самоорганизация липидных молекул. Основу структуры любой мембраны представляет двойной липидный слой (фосфолипиды). Молекулы липидов, образующие мембрану, являются амфипатическими соединениями, т.е. состоят из двух различных частей: гидрофильной головки и гидрофобного хвоста. Двойной липидный слой обр. из двух монослоев липидов так, что гидрофобные хвосты обоих слоев направлены внутрь. В настоящее время наиб. Распространение имеет предложенная в 1972 г. Синджером и Николсоном жидкомозаичная модель, в основе которой лежит все та же липидная бислойная мембрана. Эта фосфолипидная основа представляет собой как бы двумерный растворитель, в котором плавают погруженные белки. За счет белков осуществляются специфические ф-ции мембраны – проницаемость, активный перенос через мембрану и т.д. Мембраны не являются неподвижными структурами. Липиды и белки обмениваются местами и перемещаются как вдоль плоскости мембраны – латеральная диффузия, так и поперек ее – «флип - флоп». 7 Фазовые переходы в липидномбислое. Роль физического состояния липидов в функционировании мембраны. При изменении температуры в мембране можно наблюдать фазовые переходы: плавление липидов при нагревании и кристаллизацию при охлаждении. Фазовые переходы связаны с изменением энергии и поэтому могут быть обнаружены по увеличению теплоемкостиспри изменении температуры. Жидкокристаллическое состояние бислоя имеет меньшую вязкость и большую растворимость различных веществ, чем твердое состояние. Толщина жидкокристаллическогобислоя меньше, чем твердого. Конформация молекул в жидком и твердом состояниях различна. В жидкой фазе молекулы фосфолипидов могут образовывать полоски, в которые способны внедряться молекулы диффундирующего вещества. Перемещение полоски в этом случае будет приводить к диффузии молекулы поперек мембраны. 8 Простая диффузия. Уравнение Фика, уравнение Нернста – Планка. Диффузия – самопроизвольное движение в-в из области большей концентрации в область меньшей концентрации. Простая диффузия может осуществляться через: Липидный бислой Белковый канал Поры в липидномбислое Ур-иеФика описывает диффузию в однородной среде: ?????? = −?????? ???????????? ???????????? знак «-» показывает, что суммарная плотность потока в-ва при диффузии направлена в сторону уменьшения концентрации. ?????? – плотность потока (кол-во в-ва , переносимое через единицу площади за единицу времени) С- молярная концентрация D – коэффициент диффузии Уравнение Нернста- Планка: ?????? = −?????? ???????????? ???????????? − ?????? ?????? ???????????? ?????? ???????????? ???????????? ?????? ?????? – подвижные диффундирующие частицы ?????? - заряд иона ?????? - постоянная Фарадея с - молярная концентрация ионов ???????????? ???????????? - градиент мембранного потенциала. 9 Облегченная диффузия на примере антибиотиков валиномицина и грамицидина. Валиномицин- подвижный переносчик. Он формирует гидрофобный комплекс с транспортирующим ионом. Особенности химического строения валиномицина позволяют образовывать комплекс с ионами калия, попадающими внутрь молекулы-манжетки, и в то же время валиномицин растворим в липидной фазе мембраны, так как снаружи его молекула неполярна. Ионы калия удерживаются внутри молекулы за счет сил ион-дипольного взаимодействия. Молекулы валиномицина, оказавшиеся у поверхности мембраны, могут захватывать из окружающего раствора ионы калия. Диффундируя в мембране, молекулы переносят калий через мембрану и отдают ионы в раствор по другую сторону мембраны. Таким образом и происходит челночный перенос ионов калия через мембрану. Грамицидин-фиксирующий переносчик. Он встраивается в мембрану, формируя гидрофильный канал. |