Головна
Реферати » Реферати по біології » Конспект лекцій з біофізики

Конспект лекцій з біофізики

Конспект лекцій з біофізики

Біофізика як наука

Біофізика - це наука, що вивчає фізичні і фізико-хімічні процеси, що протікають в биосистемах на різних рівнях організації і є основою фізіологічних актів. Виникнення біофізики сталося, як прогрес у фізиці, вклад внесли математика, хімія і біологія.

Живі огранізми - відкрита, саморегулююча, самовідтворювана і розвивається гетерогенна система, найважливішими функціональними речовинами в якої є біополімери: білки і нуклеїнові кислоти складного атомно-молекулярної будови.

Задачі біофізики:
1. Розкриття загальних закономірностей поведінки відкритих нерівноважних систем.

Теоретичне обгрунтування термодинамічних (т / д) основ життя.)
2. Наукове тлумачення явищ індивідуального і еволюційного розвитку, саморегуляції і самовідтворення.
3. З'ясування зв'язків між будовою і функціональними властивостями біополіметов та інших біологічно активних речовин.
4. Створення і теоретичне обгрунтування фіз-хім методів дослідження біооб'єктів.
5. Фізичне тлумачення обширного комплексу функціональних явищ

(генерація і розподіл нервового імпульсу, м'язове скорочення, рецепція, фотосинтез та ін.)

Розділи біофізики:
1. Молекулярна - вивчає будову і фіз-хім властивості, біофізику молекул.
2. Биофизика клітини - вивчає особливості будови і функціонування клітинних і тканинних систем.
3. Биофизика складних систем - вивчає кінетику біопроцесів, поведінка в часі різноманітних процесів притаманних живої матерії і термодинаміку біосистем.

Термодинаміка біологічних процесів

1. Предмет і практична значимість т / д біосистем. Підходи: феноменологічний і детальний. Значення мають т / д параметри тільки в вихідному і кінцевому стані. Термодинаміка - це наука, ізущающая найбільш загальні закономірності перетворення різних видів енергії в системі.
2. Практична значущість т / д в біології. Дозволяє оцінити енергетичні зміни, що відбуваються в результаті біохімічних реакцій; розрахувати енергію розриву конкретних хім зв'язків; розрахувати осмотичний тиск по обидві сторони напівпроникною мембрани; розрахувати вплив концентрації солі в розчині на розчинність макромолекул. Застосовується для опису процесів, що протікають в електрохімічних комірках. Залучається для обгрунтування теорії виникнення і еволюції життя на Землі.
3. Поняття т / д систем, види т / д систем. Система - сукупність взаємодіючих між собою щодо елементарних структур або процесів, які об'єднуються в ціле виконанням деякої загальної функції, незвідної до функцій її компонентів. Т / д система - частина простору з матеріальним вмістом, обмежена оболонкою. а) ізольовані (не обмінюється з навколишнім середовищем ні речовиною, ні енергією), б) замкнуті (обмінюються енергією), в) відкриті (обмінюються речовиною і енергією).
Параметри:

- екстенсивні, залежать від кількості речовини в системі (маса, об'єм),

- інтенсивні, не залежать від кількості речовини в системі (тиск, t0).

Перший початок термодинаміки

(Q = dU - (W

Кількість теплоти, що надходить в систему витрачається на збільшення внутрішньої енергії системи за вирахуванням досконалої роботи.

(W = pdV + (W'max

Робота дорівнює добутку тиску на змінився обсяг плюс максимально корисна робота проти зовнішнього тиску щодо зміни обсягу системи.

Живі організми не є джерел нової енергії. Окислення вступників до живий організм поживних речовин призводить до вивільнення в ньому еквівалетного кількості енергії.

... ... - визначення поживних речовин, що надходять в організм. Металевий посудину з теплоизолирующими стінками в який поміщаються досліджувані поживні речовини, потім їх спалюють за допомогою високовольтних розрядів і ізмерают теплоту згоряння.

1 г білка - 5,4 ккал (4,1 ккал до сечовини)

1 г жиру - 9,3 ккал

1 г вуглеводів - 4, 1 ккал

Визначення витрати енергії протягом доби. Метод прямої або непрямої калориметрії.

Прямий: Камера "крижаний калориметр". Теплоізолюючий матеріал, лід, лабораторне тварина (людина). Енергія, що вивільняється з організму еквівалентна надходить в організм

Непрямий: З повним і неповним газовим аналізом.

ДК = вид СО2 в од t / погл О2 в од t

Проводять порівняння складу і обсягу вдихуваного і повітря, що видихається. Використовують мішок Дугласа. Для аналізу використовують газоаналізатори:
ГА Холдейна: система скляних трубочок, що поглинає CO2 і O2. Зараз ГА з поглинанням світлових потоків.
Нормальний дихальний коефіцієнт 0,85 ± 0,03. Знаходження КЕК
(калориметричний еквівалент кисню) - чисельно дорівнює кількості енергії, що вивільняється в організмі при споживанні 1 л О2. Малюнок ДК =
1, КЕК = 5,05; 0,8; 4,8; 0,7; 4,69; 0,85; 4,86.

У клінічних умовах використовують неповний газовий аналізатор, не вважають СО2. Вважають обсяг поглиненого О2 за допомогою спірометру (апарат метатест). Діаграма під нахилом, із замкнутої системи поступово йде
О2, Х відображає обсяг поглиненого O2 з системи 1 см? 400 мл. ДК приймається рівним тут 0,85.

1 л - 4,86 ??ккал

400 мл - х

Другий початок термодинаміки

показує в якому напрямку відбувається переміщення енергії в ізольованих системах.

Ентропія S в т / д має троякий сенс: якщо в т / д системі відбуваються процеси, пов'язані з виділенням або поглинанням тепла, то ця система при будь t0 здатна поглинути деякий додаткову кількість тепла. Величина, що характеризує теплову ємність системи і є функцією t0 - S.
1. Теплова ємність системи.
2. Т / д функція стану системи, що є мірою її невпорядкованості. лід S = 9.8, рідина S = 16.7, газ S = 45.1
3. Міра ймовірності системи, має статистичний характер. Вперше встановив Больцман.

S = k * lgW

Т / д ймовірність - це кількість микростанів, можливих в межах даного макросостоянія. Всі мікростану, що визначають т / д вірогідність мають однакову математичну ймовірність. Математична ймовірність

- це середнє значення частоти появи події при масових випробуваннях.

В ізольованих системах незворотні т / д процеси протікають у напрямку зростання ентропії. S повністю оборотних т / д процесів зберігає постійне значення. Теплота - це особливий вид енергії (низького качетва) не може переходити без втрати в інші види енергії. Теплова енергія пов'язана з хаотичним рухом молекул, решта видів енергії базуються на упорядкованому русі молекул.

Дріллюен створив класифікацію видів енергії по здатності виду енергії перетворюватися на інші види енергії.

A. - max ефективна, перетворюється на все інші види енергії.

Гравітаційна, ядерна, світлова, електрична,

B. - хімічна,

C. - теплова. Деградація вищих типів енергії в енергію нижчих типів

- основне еволюційне властивість ізольованих систем.

Малюнок

Т / д потенціал

Задачі т / д:
1. Визначення величини роботи, що здійснюється в системі.
2. Характеристичні функції стану системи зміни яких чисельно одно корисною роботі за умови сталості певних т / д параметрів. dU = dQ-dW dS = dQ / T связ енергія dQ = TdS dWmax = TdS-dU dWmax = dW'max поліз + pdV

(даремна робота - робота проти сил зовнішнього тиску)

(Wmax = TdS-dU-pdV
1) V, T = const
2) P, T = const
Розглянемо перший випадок
Якщо V, T = const, то pdV = 0, то (Wmax = TdS-dU =-d (U-TS) = - dF
F = U-TS - термодинамічний потенціал Гельм-Гольцев або вільна енергія
Гельм-Гольця
Розглянемо другий випадок
Якщо P, T = const, то (Wmax =-d (U + pdV-TS) = - dG
G - т / д потенціал Гіббса або вільна енергія Гіббса
В реальних умовах рідко Р постійно, а V системи змінюється, отже величини т / д потенціалів збігаються.
Т / д потенціали роблять висновки
1 . Відповідність цій корисної роботи при виконанні незворотного процесу завжди супроводжується розсіюванням енергії, величину якої визначає твором TdS, чим більше ця величина, тим більш незворотнім є процес. Для абсолютно оборотних процесів
2. За знаком і величиною т / д потенціалу можна судити про спрямованість процесу, якщо в результаті процесу величина т / д потенціалів зменшується, такий процес є мимовільним, йде з виділенням енергії і називається екзергонічеськие, якщо т / д потенціали збільшується, то процес йде не мимовільний, потребує притоку енергії ззовні і називається ендергонічеськие.
3. При досягненні рівноваги т / д потенціали прагнуть до мінімального значення.
Процеси перетворень енергії та здійснення роботи можуть протікати до тих пір поки вільна енергія не стане дорівнює нулю, а ентропія максимальною. Такий стан носить назви т / д рівноваги.
Такий стан в неживій природі є кінцевим станом, в направле6ніі якого еволюціонують все т / д системи.

ККД

ККД - це відношення виробленої роботи до зміни вільної енергії, витраченої на цю роботу. ККД = W / dF (1 ККД може виражатися в абсолютних одиницях або відсотках. Відповідно до другого закону т / д, ККД оборотного процесу має дорівнювати 1. ККД незворотних процесів <1. ККД реальних біологічних процесів <1. Приблизне значення ККД реальних біологічних процесів :
Гліколіз - 36%
Ф / с-75%
Окислювальне фосфорилювання - 55%
Скорочення м'язів - 40%
Світіння бактерій - 96%

Градієнти

Біологічні системи характеризуються наявністю великої кількості градієнтів (осмотичний, електричний, концентраційний ...)
Градієнт якого-небудь т / д параметра змінюється з відстанню

Малюнок

Ґ = ?? /? v

Ґ - направлення від великого значення параметра до меншого.

Біосистема здатна здійснювати роботу, якщо в ній є градієнт. Градієнт - своєрідне депо енергії.
F вільна енергія F = RTlnФ1 / Ф2

Ф значення т / д параметрів в 1 і 2 точках

Вчинення роботи в системі пов'язано з реалізацією цієї вільної енергії.
Якщо відбувається робота, то градієнт, за рахунок енергії якого це відбувається, зменшується, але паралельно виникає інше градієнт протилежної спрямованості. При необоротних процесах величина другого градієнта буде менше, ніж величина першого.

Застосовність другого закону т / д для характеристики властивостей біо систем
1. Другий закон т / д був

Сторінки: 1 2 3 4 5 6 7