Файл: Типы аккумуляции и пути расходования энергии в биосистемах (реферат).docx

Направление спонтанных процессов в изолированных системах характеризуется параметром состояния, который называется энтропией (из греч."преобразование"). Изменение энтропии (2) системы dS определяется отношением теплоты dQ, введённой в систему или выведенного из системы, к абсолютной температуре T системы, при которой этот процесс происходит:

dS = dQ/T (2)

Энтропия изолированной системы возрастает, если система стремится в состояние равновесия, и достигает своей максимальной величины в этом состоянии. Энтропия возрастает во всех реальных термодинамических процессах.

Энтропия системы имеет тесное отношение к показателю упорядоченности или беспорядка составляющих системы. Согласно принципу Больцмана (3), энтропия системы S в данном состоянии пропорциональна термодинамической вероятности W этого состояния:

S = k ln W (3), где k – константа Больцмана.

Термодинамическая вероятность является числом микросостояний системы, посредством которых реализуется данное макросостояние системы. Чем больше возможно микросостояний (вариантов расположения частиц), тем более неупорядочена система, тем больше – величины W и S.

Каждая система стремится к переходу из менее вероятного высокоупорядоченного состояния в статистически более вероятные состояния, характеризующиеся беспорядочным расположением молекул. Можно сказать, что каждая система характеризуется тенденцией самопроизвольного перехода к состоянию максимального молекулярного беспорядка или хаоса.

Состояние каждой термодинамической системы может полностью определяться с помощью термодинамических потенциалов. Каждому из них приписывается определенный набор независимых параметров состояния. Кроме упомянутой выше внутренней энергии U, к термодинамическим потенциалам относят: энтальпию Н, свободную энергию Гельмгольца F, свободную энергию Гиббса G. Они могут быть определены с помощью формул, где P – давление, V – объем, S – энтропия и T – температура.

H = U + PV (4)

F = U - ST (5)

G = U + PV - ST (6)

Свободная энергия Гиббса соответствует состоянию системы, при котором давление и температура являются постоянными. Поэтому этот термодинамический потенциал употребляют для описания биологических систем. Полезная работа в таких системах выполняется за счет уменьшения потенциала Гиббса.

Величина свободной энергии Гиббса, приходящейся на один ион вещества, называется электрохимическим потенциалом, который включает химическую, осмотическую и электрическую составляющие энергии:

μ^~ = μ₀ + RT ln C + zFφ (7)

здесь μ₀ – стандартный электрохимический потенциал, зависящий от химической природы вещества; C – концентрация вещества, R – универсальная газовая постоянная, T – термодинамическая температура, z – электрический заряд частицы, F – константа Фарадея, φ – электрический потенциал.

Электрохимический потенциал натрия, калия и некоторых других веществ играет решающую роль в таком важном процессе как перенос веществ в мембранах клеток.

Термодинамика равновесных систем основана на принципах, которые в известной мере идеализируются. Биологические объекты не находятся в состоянии равновесия. Процессы, проходящие в таких системах, являются необратимыми. Термодинамика неравновесных процессов основана на таких принципах и понятиях как линейные соотношения, производство энтропии, стационарное состояние, теорема Пригожина.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Любой организм постоянно совершает работу: синтез молекул, входящих в состав его клеток, поглощение извне необходимых ему веществ и выброс различных шлаков; многие организмы способны также к перемещению в пространстве, активному восприятию внешнего мира и воздействию на него. Для совершения любой работы требуется энергия. Способ получения энергии связан с типом питания, по которому группы организмов делят на автотрофов и гетеротрофов. При всех типах энергетического обмена энергия запасается в живой клетке в виде макроэргических соединений. В клетке постоянно происходит метаболизм. Метаболизмом называется вся совокупность химических реакций в клетке. Метаболизм представляет собой высококоординированную и целенаправленную клеточную активность, обеспечиваемую участием многих мультиферментных систем.

Энергия макроэргических связей используется для совершения любой работы: активации соединений (например, глюкозы, чтобы могла начаться цепь ее окислительных превращений), синтеза биополимеров (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов), избирательного поглощения веществ из окружающей клетку среды и выброса из клетки ненужных продуктов, мышечного сокращения и восстановления активного состояния организма и т.д. Запас этих соединений позволяет организму быстро реагировать на изменение внешних условий и совершать физическую работу. При спортивной тренировке содержание макроэргических соединений в мышцах и скорость их образования возрастают. Есть и другие формы запасания энергии. Во-первых, это разность электрических потенциалов на биологических мембранах, которая может быть использована для синтеза макроэргических соединений и на поддержание которой клетке приходится расходовать энергию. Во-вторых, поскольку любой организм способен окислять углеводы и жиры с образованием макроэргических соединений, то можно считать, что жировые капли, зерна крахмала, частицы гликогена – это не только запасы пластического («строительного») материала, но и запасы энергии, только в более инертной и менее доступной для быстрого использования форме, чем макроэргические соединения.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Антонов В.Ф. Физика и биофизика. Курс лекций для студентов медицинских вузов / В.Ф. Антонов, А.В. Коржуев. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. – 192 с.

2. Волькенштейн, М.В. Биофизика / М.В. Волькенштейн. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. – 592 с.

3. Волькенштейн, М.В. Молекулярная биофизика / М.В. Волькенштейн. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1975. – 615 с.

4. Волькенштейн, М.В. Общая биофизика / М.В. Волькенштейн. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1978. – 598 с.

5. Волькенштейн, М.В. Физика и биология / М.В. Волькенштейн. – М.: Наука, 1980. – 152 с.

6. Ремизов, А.Н. Медицинская и биологическая физика: учебник / А.Н. Ремизов. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. – 648 с.

7. Рубин, А.Б. Биофизика / А.Б. Рубин. – М.: МГУ, 1999. – 448 с.

8. Черныш, А.М. Биофизика / А.М. Черныш, В.И. Пасечник. – М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2003. – 288 с.