|
|
|
Конспект лекций по биофизике |
|
Конспект лекций по биофизике
Биофизика как наука
Биофизика это наука, изучающая физические и физико-химические процессы, протекающие в биосистемах на разных уровнях организации и являются основой физиологических актов. Возникновение биофизики произошло, как прогресс в физике, вклад внесли математика, химия и биология.
Живые огранизмы открытая, саморегулирующаяся, самовоспроизводящаяся и развивающаяся гетерогенная система, важнейшими функциональными веществами в которой являются биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты сложного атомно-молекулярного строения.
Задачи биофизики:
1. Раскрытие общих закономерностей поведения открытых неравновесных систем. Теоретическое обоснование термодинамических (т/д) основ жизни.)
2. Научное истолкование явлений индивидуального и эволюционного развития, саморегуляции и самовоспроизведения.
3. Выяснение связей между строением и функциональными свойствами биополиметов и других биологически активных веществ.
4. Создание и теоретическое обоснование физ-хим методов исследования биообъектов.
5. Физическое истолкование обширного комплекса функциональных явлений (генерация и распределение нервного импульса, мышечное сокращение, рецепция, фотосинтез и др.)
Разделы биофизики:
1. Молекулярная изучает строение и физ-хим свойства, биофизику молекул.
2. Биофизика клетки изучает особенности строения и функционирования клеточных и тканевых систем.
3. Биофизика сложных систем изучает кинетику биопроцессов, поведение во времени разнообразных процессов присущих живой материи и термодинамику биосистем.
Термодинамика биологических процессов
1. Предмет и практическая значимость т/д биосистем. Подходы: феноменологический и детальный. Значение имеют т/д параметры только в исходном и конечном состоянии. Термодинамика это наука, изущающая наиболее общие закономерности превращения различных видов энергии в системе.
2. Практическая значимость т/д в биологии. Позволяет оценить энергетические изменения, происходящие в результате биохимических реакций; рассчитать энергию разрыва конкретных хим связей; рассчитать осмотическое давление по обе стороны полупроницаемой мембраны; рассчитать влияние концентрации соли в растворе на растворимость макромолекул. Применяется для описания процессов, протекающих в электрохимических ячейках. Привлекается для обоснования теории возникновения и эволюции жизни на Земле.
3. Понятие т/д систем, виды т/д систем. Система совокупность взаимодействующих между собой относительно элементарных структур или процессов, объединяющихся в целое выполнением некоторой общей функции, несводимой к функциям ее компонентов. Т/д система часть пространства с материальным содержимым, ограниченная оболочкой.
а) изолированные (не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией),
б) замкнутые (обмениваются энергией),
в) открытые (обмениваются веществом и энергией).
Параметры:
- экстенсивные, зависят от количества вещества в системе (масса, объем),
- интенсивные, не зависят от количества вещества в системе (давление, t0).
Первое начало термодинамики
Q=dU - W
Количество теплоты, поступающей в систему расходуется на увеличение внутренней энергии системы за вычетом совершенной работы.
W=pdV + W'max
Работа равна произведению давления на изменившийся объем плюс максимально полезная работа против внешнего давления по изменению объема системы.
Живые организмы не являются источников новой энергии. Окисление поступающих в живой организм питательных веществ приводит к высвобождению в нем эквивалетного
EDucation Network 468х60
количества энергии.
.................. определение питательных веществ, поступающих в организм. Металлический сосуд с теплоизолирующими стенками в который помещаются исследуемые питательные вещества, затем их сжигают с помощью высоковольтных разрядов и измерают теплоту сгорания.
1 г белка 5,4 ккал (4,1 ккал до мочевины)
1 г жира 9,3 ккал
1 г углеводов 4,1 ккал
Определение расхода энергии в течение суток. Метод прямой или непрямой калориметрии.
Прямой: Камера "ледяной калориметр". Теплоизолирующий материал, лед, лабораторное животное (человек). Энергия, высвобождающаяся из организма эквивалентна поступающей в организм
Непрямой: С полным и неполным газовым анализом.
ДК=выд СО2 в ед t / погл О2 в ед t
Производят сравнение состава и объема вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Используют мешок Дугласа. Для анализа используют газоанализаторы: ГА Холдейна: система стеклянных трубочек, поглощающая CO2 и O2. Сейчас ГА с поглощением световых потоков.
Нормальный дыхательный коэффициент 0,85±0,03. Нахождение КЭК (калориметрический эквивалент кислорода) численно равен количеству энергии, высвобождающейся в организме при потреблении 1 л О2. Рисунок ДК=1, КЭК=5,05; 0,8; 4,8; 0,7; 4,69; 0,85; 4,86.
В клинических условиях используют неполный газовый анализатор, не считают СО2. Считают объем поглощенного О2 с помощью спирографа (аппарат метатест). Диаграмма под наклоном, из замкнутой системы постепенно уходит О2, Х отражает объем поглощенного O2 из системы 1 см?400 мл. ДК принимается равным здесь 0,85.
1 л 4,86 ккал
400 мл х
Второе начало термодинамики
показывает в каком направлении происходит перемещение энергии в изолированных системах.
Энтропия S в т/д имеет троякий смысл:
если в т/д системе происходят процессы, связанные с выделением или поглощением тепла, то эта система при любой t0 способна поглотить некоторое дополнительное количество тепла. Величина, характеризующая тепловую емкость системы и является функцией t0 S.
1. Тепловая емкость системы.
2. Т/д функция состояния системы, являющаяся мерой ее неупорядоченности.
лед S=9.8, жидкость S=16.7, газ S=45.1
3. Мера вероятности системы, имеет статистический характер. Впервые установил Больцман.
S=k*lgW
Т/д вероятность это количество микросостояний, возможных в пределах данного макросостояния. Все микросостояния, определяющие т/д вероятность имеют одинаковую математическую вероятность. Математическая вероятность это среднее значение частоты появления события при массовых испытаниях.
В изолированных системах необратимые т/д процессы протекают в направлении возрастания энтропии. S полностью обратимых т/д процессов сохраняет постоянное значение. Теплота это особый вид энергии (низкого качетва) не может переходить без потери в другие виды энергии. Тепловая энергия связана с хаотическим движением молекул, остальные виды энергии базируются на упорядоченном движении молекул.
Дриллюэн создал классификацию видов энергии по способности вида энергии превращаться в другие виды энергии.
A. max эффективная, превращается во все другие виды энергии. Гравитационная, ядерная, световая, электрическая,
B. химическая,
C. тепловая. Деградация высших типов энергии в энергию низших типов основное эволюционное свойство изолированных систем.
Рисунок
Т/д потенциал
Задачи т/д:
1. Определение величины работы, совершаемой в системе.
2. Характеристические функции состояния системы изменения которых численно равно полезной работе при условии постоянства определенных т/д параметров.
dU=dQ-dW
1 2 3 4 ... последняя
|
|
|
|
 |
На сайте: |
, ,
|
