ЛЛ.СадоВничая В.ПХухрянский АЯ.Цыганенко

БіЮФНЗІГІЕСКЛЯ

ХИМШ

Допущено Главным управлением учебных заведений Министерства здравоохранения СССР в качестве учебного пособия для студентов медицинских институтов

Киев

Головное издательство издательского объединения «Вища школа»

28.071я73 CH

УДК 578.088(07)

Биофизическая химия. Л. П. Садовничая, В.Г. Xy-хрянский, А. Я- Цыганенке— К.: Вища шк. Головное изд-во, 1986.— 271 с.

В пособии изложены основы химической термоди­намики и биоэнергетики, описаны свойства растворов, их роль в жизнедеятельности организма, современ­ные представления об электрохимии растворов и при­менен.ие электрохимических методов исследований в медицинской и биологической практике. Большое внимание уделено поверхностным явлениям, свойствам дисперсных систем и растворам биополимеров.

Для студентов медицинских институтов

Табл. 23. Ил. 71. Библиогр.: 25 иазв.

Рецензенты: кандидат химических наук Т. А. Митрофанова (Донецкий медицинский институт), кандидат химических наук М. Н. Царевская (Воро-шиловградский медицинский институт)

Редакция литературы по химии, химической тех­нологии, горному делу и металлургии Зав. редакцией Т. С. Антоненко

1805000000—013 _{t лп} Издательское объединен»

149-86

М211(04)-86

ВВЕДЕНИЕ

ПРЕДМЕТ БИОФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ И ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ

Подготовка будущих специалистов-медиков начинается є изучения фундаментальных наук — биологии, физики, хи­мии, биохимии, физиологии и др. Решение медико-биологи­ческих проблем на современном этапе научно-технической революции возможно только на клеточном и молекулярном уровнях. Овладение перечисленными фундаментальными нау­ками дает необходимую теоретическую и практическую базу для подготовки врачей широкого профиля.

Биофизическая химия изучает физико-химические основы процессов жизнедеятельности, протекающих в биологических системах на разных уровнях организации материи.

Эта молодая отрасль науки развивается на стыке физиче­ской и коллоидной химии, биофизики, молекулярной биоло­гии, биохимии и других фундаментальных наук.

Курс биофизической химии знакомит студентов с физико-химическими законами, на основе которых можно рассматри­вать многие процессы, происходящие в живом организме, на­пример, постоянство осмотического давления и кислотно-щелочное состояние крови, причины возникновения био­потенциалов, факторы устойчивости дисперсных систем орга низма и др.

Изучение курса биофизической химии дает теоретическую базу для овладения современными экспериментальными ме­тодами исследований в биологии и медицине, которые помогут будущим специалистам-медикам успешно решать задачи, сто­ящие перед современной медициной: предупреждать, а не ле­чить болезни.

Создание профилактической медицины тесно связано с изучением молекулярных механизмов физиологических про­цессов.

Биологическая форма материи более организованна, чем любая физическая или химическая система, но она включает в себя эти низшие формы. Согласно положениям материалисти­ческой диалектики, невозможно свести высшие формы движения материи к низшим, невозможно исходя из физических и хими­ческих законов движения материи объяснить свойства высоко­организованных систем. Однако знание этих законов позволяет глубже понимать свойства живой материи и механизмы фи­зиологических и биохимических процессов.

Поскольку куро биофизической химии включает в себя традиционные разделы физической химии (термодинамику, теорию растворов, электрохимию, кинетику и некоторые раз­делы коллоидной химии), следует остановиться на истории развития этих отраслей науки.

Основоположником физической химии был наш великий соотечественник М. В. Ломоносов, который в 1751 — 1752 гг. прочитал для слушателей Российской Академии наук «Курс истинной физической химии». Своими исследованиями М. В. Ломоносов экспериментально обосновал закон сохране­ния энергии, второе начало термодинамики, много сделал для изучения свойств растворов. Более двухсот лет тому назад ученый понимал, как необходимо знание химии врачу, Он пи­сал: «Медик без довольного познания химии совершен быть не может» (цит. по кн.і Будрейко Н. А. Философские вопро­сы химии.— М.ї Высш. шк., 1970.— С. 92).

В 1840 г. русский академик Г. И. Гесс на основе обширных экспериментальных исследований тепловых эффектов хими­ческих реакций установил основной закон термохимии, кото­рый является одним из следствий первого закона термодина­мики. В области термодинамики работали многие зарубежные ученые — Р. Клаузиус, В. Томсон, Л. Больцман, В. Нернст.

В 1865 г. выдающийся русский ученый Н. Н. Бекетов на­чал читать систематический курс физической химии в Харь­ковском университете.

Первый учебник по физической химии также был написан в России — в 1876 — 1877 гг. Были изданы руководство «Фи­зическая химия» Н. Н. Любавина в двух выпусках, а в 1886 г.— курс лекций по физической химии Н. Н. Бекетова.

В 1867 г. норвежские ученые К. Гульдберг и П. Вааге открыли закон действующих масс, устанавливающий зависи­мость скорости химической реакции от концентрации реаги­рующих веществ и выражающий соотношение между концент­рациями этих веществ при равновесии.

В 1877 г. Н. А. Меншуткин начал важные исследования по химической кинетике, в которых изучал зависимость скорости реакций в растворах от концентрации и температуры.

В это же время фундаментальные работы в области раство­ров проводят иностранные ученые — Я. Вант-Гофф, В. Ост­вальд, С. Аррениус.

Особое место в физической химии занимают работы Д. И. Менделеева, который разработал гидрат ную теорию рас­творов, открыл существование критической температуры га­зов, ввел универсальную постоянную в уравнение состояния идеального газа. Однако самая большая заслуга Д. И. Менде­леева состоит в открытии периодического закона химических элементов.

Много талантливых русских ученых работали в области физической и коллоидной химии. Это — Д. П. Коновалов, А. Н. Фрумкин, Н. Н. Семенов, П. А. Ребиндер, Н. П. Песков, Б. В. Дерягин, Н. А. Измайлов и др.

История развития науки показывает, что правильное по­нимание явлений, изучаемых естественными науками, может быть достигнуто только на основе правильного философского подхода к ним.

Как и в других областях человеческих знаний, в биологии, физике и химии с давних пор идет борьба между материалис­тическим и идеалистическим пониманием явлений, проис­ходящих в окружающем нас мире. Во второй половине прош­лого века, когда наиболее ярые сторонники идеализма пы­тались возражать против существования атомов и молекул, возникло философское учение энергетизма. В основе этой тео­рии лежали попытки представить энергию и движение отор­вано от материи. Ф. Энгельс в своих работах писал о том, что энергия всегда представляет лишь ту или иную форму движе­ния материи. Энергия есть мера движения материи. Поэтому всякая попытка рассматривать энергию вне материи и незави­симо от материи неизбежно приводит к идеализму.

Конец XIX и начало XX века ознаменовались открытиями радиоактивности, новых частиц, содержащихся в атомах, квантовой природы света и др., которые заставили физиков и химиков отказаться от многих привычных представлений. В результате возникли различного рода колебания в вопросах философии, связанных с химией и физикой, что способство­вало распространению идеалистических течений, в первую очередь эмпириокритицизма.

Эти течения были идейно разгромлены В. И. Лениным в его труде «Материализм и эмпириокритицизм», в котором он дал классическое определение понятия материи: «...материя есть то, что, действуя на наши органы чувств, производит ощущение; материя есть объективная реальность, данная нам в ощуще­нии....» (Ленин В. И. Поли. собр. соч.—Т. 18.—С. 149).

И дальше: материя — это «объективная реальность, суще­ствующая независимо от человеческого сознания и отображае­мая им» (там же.—С. 276).

В. И. Ленин указывал, что «диалектический материализм настаивает на приблизительном, относительном характере всякого научного положения о строении материи и свойствах ее, на отсутствии абсолютных граней в природе...».

«Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа беско- _ нечна, но она бесконечно существует, и вот это-то единственно" категорическое, единственно безусловное признание ее суще-, ствования вне сознания и ощущения человека и отличает диалектический материализм от релятивистского агностицизма и идеализма» (там же.— С. 276 — 278).

Развитие учения об атоме блестяще подтвердило вывод Ленина о неисчерпаемости атома и электрона. Согласно поло­жениям диалектического материализма, развитие человеческого познания идет от относительной к абсолютной истине, исто­рически развивающееся познание раскрывает объективную истину.

Следует помнить также, что законы естествознания имеют объективный характер. Любой из рассматриваемых в химии законов только с той или другой степенью точности отражает явление, а не управляет им.

Связь химии, физики и биологии необходима для решения основных фундаментальных проблем биологии и медицины. Так, Ф. Энгельс в работе «Диалектика природы» отмечал, что в исследовании специфических особенностей органической жизни, иначе говоря, обмена веществ, существенная роль при­надлежит химии, которая в этом отношении «продвинулась достаточно далеко вперед, чтобы гарантировать нам, что она одна объяснит нам диалектический переход к организму» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч.—2-е изд.—Т. 20.— С. 564).

Об этом также неоднократно говорили видные советские ученые. Например, академик Н. Н. Семенов писал: «Я думаю, в том-то, в первую очередь, и заключается полезность химии для биологии, что она может и должна вторгаться именно в такие биологические вопросы, как обмен веществ и меха­низм наследственности» (Вопр. философии.— 1959.— № 10.— С. 95).

А. И. Опарин, развивая свою гипотезу о происхождении жизни, отмечал, что «обмен веществ является совокупностью большого числа сравнительно простых и однообразных хими­ческих реакций» (Вопр. философии.— 1958.— №11.—С. 53).

Общность и взаимосвязь химической и биологической форм движения выражаются также в возможности практического использования принципов живой природы в химической тех­нологии.

Советское государство уделяет постоянное внимание раз­витию молекулярной биологии, молекулярной генетики и мик­робиологии.

В настоящее время быстрыми темпами развивается микро­биологическая промышленность, которая вносит большой вклад в осуществление Продовольственной программы страны. Пред­приятия этой отрасли производят и поставляют сельскому хо­зяйству кормовые дрожжи, незаменимые аминокислоты, ви­тамины, ферменты, кормовые и ветеринарные антибиотики, микробиологические средства защиты растений от вредителей и болезней, бактериальные удобрения, способствующие повы­шению урожайности продовольственных, кормовых и техни­ческих культур. Успехи микробиологической промышленности тесно связаны с достижениями физико-химических и биологи­ческих наук.

Применение биокатализаторов в различных отраслях про­мышленности позволит успешно решать задачи по разработ­ке принципиально новых экономически эффективных технологий для производства продукции, используемой в медицине, сель­ском хозяйстве и промышленности.

Глава І. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И БИОЭНЕРГЕТИКА

§ 1. Понятия и терминология

Термодинамика — это отрасль науки, изучающая взаим­ные превращения различных видов энергии, связанные с пе­реходом энергии в форме теплоты и работы. Поскольку все процессы, происходящие вокруг нас и внутри нас, идут с пре­вращением энергии, то термодинамика описывает огромное количество явлений.

Большое практическое значение термодинамики заключа­ется в том, что она позволяет рассчитывать тепловые эффекты различных процессов, предсказывать, возможен или невозмо­жен тот или иной процесс и в каких условиях он будет проте­кать, а также рассматривать условия химических и фазовых . равновесий. Ограниченность термодинамики состоит в том, что она не может описать механизм протекающих реакций, ■ f а также их скорость. Термодинамические закономерности и методы можно применять для изучения многих биохимичес­ких и физиологических процессов, происходящих в живом организме, так как процессы жизнедеятельности неразрывно связаны с превращением энергии.

Термодинамика базируется на трех началах (законах), для •изучения которых необходимо ознакомиться с некоторыми тер­минами и понятиями, используемыми в этой отрасли науки.

Для решения задачи методами термодинамики необходимо -определить понятие «система». Система — это совокупность материальных объектов, отделенных каким-либо образом от окружающей среды. Окружающая среда — остальная часть ч. пространства со всем, что в ней находится. В зависимости ^vy от характера взаимодействия с окружающей средой термоди-намические системы делятся на изолированные, закрытые • и открытые. Изолированная система не обменивается с окружа­ющей средой ни "массой, ни энергией. Закрытая система мо­жет обмениваться с окружающей средой лишь энергией, а открытая — обменивается с окружающей средой и массой, и энергией. Живые организмы являются открытыми термоди­намическими системами,

Система может быть гомогенной, если все компоненты ее находятся в одной фазе и в ней отсутствуют поверхности раз­дела, и гетерогенной, если она состоит из нескольких фаз. Фазой называется часть системы с одинаковыми химическими и термодинамическими свойствами, отделенная от других ее частей поверхностью раздела, при переходе через которую физические и химические свойства резко изменяются. у Под энергией следует понимать количественную меру опре­деленного вида движения материи.

Свойства и состояние системы определяются ее физико-химическими параметрами. В качестве термодинамических обычно выступают параметры, которые могут быть измерены; из них наибольшее значение имеют давление, температура, объем, концентрация. Эти параметры связаны друг~е"другом уравнением состояния.

Если система изменяет свои параметры, то в ней происхо­дит термодинамический процесс. Если термодинамические па­раметры с течением времени самопроизвольно не изменяются, и сохраняют свои значения в пределах каждой фазы, такое: состояние системы называется равновесным.

Каждая термодинамическая система обладает определенным запасом энергии, которая называется внутренней энергией-^Внутренняя энергия U складывается из энергии теплового движения всех микрочастиц системы и всех видов внутримо­лекулярной и внутриатомной энергии, но не включает кине­тическую и потенциальную энергию.

Внутренняя энергия системы является функцией ее со­стояния, т. е. зависит от параметров системы (температуры, давления, состава). Изменение внутренней энергии не зависит от пути процесса, а зависит только от начального и конечного состояния системы.