Биофизика / Специальна Биофизика / Вечканов Е.М., Внуков В.В. Термодинамика и кинетика биологических процессов

УДК 577 Рецензент: д.б.н., профессор кафедры биохимии и микробиологии биолого-

почвенного факультета ЮФУ Лукаш А. И.

Печатается по постановлению редакционной комиссии по биологическим наукам биолого-почвенного факультета ЮФУ. Протокол № 3 от 06 июня 2010 г.

ст. преп. каф. биохимии и микробиологии ЮФУ, к.б.н. Вечканов Е.М зав. каф. биохимии и микробиологии ЮФУ, д.б.н., профессор Внуков. В. В.

Термодинамика и кинетика биологических процессов: Учеб-метод, пособие для вузов / Е.М. Вечканов, В. В. Внуков. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2010. 59 с.

Учебное пособие предназначено для самостоятельной подготовки студентов по общему курсу биофизики, теме «Термодинамика и кинетика биологических процессов». Для студентов дневной, очно-заочной и заочной форм обучения специальности биология и биоэкология.

2

2.Термодинамические потенциалы: понятия внутренней, свободной

4.Первое начало термодинамики. Доказательство его применимости

7.Статистическое определение энтропии. Понятие микро- и

9.Применяемость второго закона термодинамики к биологическим

13.Характеристика свойств стационарных состояний на физических

14.Термодинамический критерий стационарного состояния. Теорема

18.Потоки и их взаимодействие вблизи термодинамического

19.Биологическое значение сопряжения потоков. Условие

24.Невозможность усложнения организации в области линейной

26.Информация и энтропия. «Информационное решение парадокса

27.Информация и вопрос об упорядоченности биологических

31.Молекулярность и порядок реакции. Кинетика реакций нулевого,

32.Зависимость скорости реакции от температуры – правило Вант-

36.Уравнение Михаэлиса-Ментен. Константа Михаэлиса, еѐ смысл и

40.Механизмы ферментативного катализа. Электронно-

5

ГЛАВА 1 БИОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

§ 1. Виды термодинамических систем, их характеристика

Термодинамическая система – объект исследования в термодинамике, под которой понимают совокупность материальных объектов (тел), отграниченную от окружающей среды. Выделяют три вида систем (рис 1):

1.Изолированная система – не обменивается ни энергией, ни веществом с окружающей средой (математическая модель, реально не существующая абстракция).

2.Закрытая система - обменивается энергией, но не веществом с окружающей средой (закрытый сосуд с веществом).

3.Адиабатически изолированная система – не обменивается с окружающей средой энергией в форме теплоты (сосуд Дьюара, термос).

4.Открытая система – обменивается с окружающей средой и энергией и веществом (живая система).

Рис. 1 Виды термодинамических систем и их характеристика Для описания термодинамической системы вводят так называемые

термодинамические величины — набор физических величин, значения которых определяют термодинамическое состояние системы. Примерами термодинамических величин являются: температура, давление и т. д.

6

Термодинамика рассматривает эти величины как некоторые макроскопические параметры и функции, присущие системе, но не связанные с еѐ микроскопическим устройством. Функции состояния зависят только от текущего состояния системы и не зависят от пути, по которому система пришла в это состояние. Функции состояния в термодинамике включают:

1.Температуру (T)

2.Давление (P)

3.Объѐм (V)

4.Энтропию (S)

5.Термодинамические потенциалы:

5.1Внутренняя энергия (U)

5.2Энтальпия (H)

5.3Свободная энергия Гельмгольца (F)

5.4Потенциал Гиббса (G)

§2 Термодинамические потенциалы: понятия внутренней,

свободной и связанной энергии. Энтальпии. Потенциал Гиббса.

Внутренняя́ эне ргия́ тела (U) - полная энергия этого тела за вычетом кинетической энергии тела как целого и потенциальной энергии тела во внешнем поле сил. Следовательно, внутренняя энергия складывается из кинетической энергии хаотического движения молекул, потенциальной энергии взаимодействия между ними и внутримолекулярной энергии (1).

U = Uкин. движ. мол. + Uпот. энерг. Взаим. Мол. + Uвнутрим. энерг. (1)

Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, еѐ внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Следовательно, изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между ее значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход. Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую. Можно определить только изменение внутренней энергии.

7

Свободная энергия Гельмгольца (F) - часть внутренней энергии системы, которую можно использовать для совершения работы. Электрическая, осмотическая и химическая энергии могут быть использованы для совершения работы, т.е. для направленного перемещения тела против действующих на него сил. Определяется как (2):

F = U – TS (2)

где U – внутренняя энергия, Т – температура, S – энтропия. Связанная энергия (Wсв) - остальная часть внутренней энергии системы,

которую нельзя превратить в работу.

Таким образом внутренняя энергия состоит из суммы свободной и связанной энергии (3):

U = F + Wсв (3)

где F – свободная энергия, Wсв - связанная энергия Протекание химических реакций в жидкой фазе не изменяет давления, но

может вызывать изменение объема. Поэтому для таких систем вместо изменения внутренней энергии системы используется изменение ее энтальпии (ΔН), которое равно (4):

Н = ΔU + pΔV (4)

где р — давление, ΔV — изменение объема.

Для изотермических реакций, протекающих при постоянном давлении, функцией отражающей влияние на направление протекания процесса, как тенденции к уменьшению внутренней энергии, так и тенденции к достижению наиболее вероятного состояния системы служит энергия (потенциал) Гиббса. Энергия Гиббса связана с энтальпией, энтропией и температурой соотношением

(5):

ΔG = ΔH – TΔS (5)

В условиях постоянства температуры и давления реакции протекают самопроизвольно в сторону уменьшения энергии Гиббса.

§ 3. Обратимые и необратимые термодинамические процессы

Обратимый процесс – такой процесс, при котором при затрате работы А = δG можно полностью вернуть систему (из состояния B) в исходное состояние (А).

8

Необратимый процесс – такой процесс, при котором при затрате работы невозможно полностью вернуть систему (из состояния B) в исходное состояние

(А), вследствие преобразования части свободной энергии (G) в связанную. Это явление носит название диссипации (рассеяние) свободной энергии

(рис. 2).

Рис. 2 Иллюстрация обратимых и необратимых процессов

§ 4 Первое начало термодинамики. Доказательство его применимости к биологическим системам

Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения энергии в применении к термодинамическим системам.

Первое начало термодинамики гласит: Общая сумма энергии материальной системы остаѐтся постоянной величиной независимо от изменений, происходящих в самой системе; изменение энергии системы возможно только в результате обмена энергией с окружающей средой (6).

dU = dQ + dA (6)

Первое начало термодинамики было сформулировано в середине XIX века в результате работ немецкого учѐного Ю. Р. Майера, английского физика Дж. П. Джоуля и немецкого физика Г. Гельмгольца. Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счѐт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

9

Первые экспериментальные попытки измерения энергетического баланса организма были предприняты в конце XVIII в. А. Лавуазье и П. Лапласом. Для доказательства приложимости первого начала термодинамики к биологическим объектам был применен ледяной калориметр. По скорости таяния льда находили теплоту, выделенную морской свинкой в изолированной камере или ледяном калориметре. После этого определяли количество теплоты, выделяющейся при прямом сжигании до СО2 и Н2О продуктов питания морской свинки. А. Лавуазье и П. Лаплас получили величины близких порядков. Так была показана полная эквивалентность химической энергии, которая освобождается в ходе биохимической реакции, и теплоты, выделяемой организмом во внешнюю среду.

Следующим этапом изучения применения первого начала термодинамики явились опыты У. Этуотера (1904 г.). Этот исследователь сконструировал калориметр, позволявший изучать энергетический обмен крупных животных и человека. Прибор имел систему подачи кислорода, ловушки для выделяемого С02, весы, причем измерительная часть калориметра позволяла устранять утечку теплоты и оценивать не только количество тепловой энергии, но и дыхательный коэффициент (7).

= νсо2 + νо2 (7)

Измерение теплопродукции в калориметре и использование экспериментальных данных в непрямой калориметрии позволили с высокой точностью оценить энергетический баланс человека за сутки. Расхождение между приходом и расходом тепла составило не более 1% - за счет погрешностей эксперимента.

§ 5 Закон Гесса, его значение для биологии

При химических превращениях следствием первого закона термодинамики является Закон Гесса.

Закон Гесса гласит: Тепловой эффект химического процесса, развивающегося через ряд промежуточных стадий, не зависит от пути превращения, а определяется лишь начальным и конечным состоянием химической системы (рис. 3).

10