Конспект лекций по биофизике

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 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

dS=dQ/T связ энергия

dQ=TdS

dWmax=TdS-dU

dWmax= dW'max полез +pdV

(бесполезная работа – работа против сил внешнего давления)

(Wmax=TdS-dU-pdV

1) V, T = const

2) P, T = const

Рассмотрим первый случай

Если V, T = const, то pdV=0, то (Wmax=TdS-dU=-d(U-TS)=-dF

F=U-TS – термодинамический потенциал Гельм-Гольци или свободная энергия

Гельм-Гольца

Рассмотрим второй случай

Если P, T = const, то (Wmax=-d(U+pdV-TS)=-dG

G – т/д потенциал Гиббса или свободная энергия Гиббса

В реальных условиях редко Р постоянно, а V системы изменяется,

следовательно величины т/д потенциалов совпадают.

Т/д потенциалы делают заключения

1. Выполенение полезной работы при выполнении необратимого процесса всегда

сопровождается рассеянием энергии, величину которой определяет

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12