Введение

Как невозможно научиться читать и писать, не зная алфавита, так и трудно себе представить современного специалиста в области естественных наук без знаний основополагающих законов материального мира. Так, в частности, изучение биохимических основ различных метаболических процессов невозможно без усвоения определенных знаний классической термодинамики, предсказательная ценность которой возрастает с увеличением объема изучаемой совокупности метаболитов. Именно поэтому в учебном пособии дается подробная информация о термодинамических принципах на примерах химических и биохимических процессов, рассматриваются варианты решения задач биомедицинского характера. Приобретение навыков в решении типичных задач значительно облегчает усвоение материала и помогает проводить анализ экспериментальных данных.

Определение состояния энергетического обмена в открытых системах представляет собой достаточно сложную задачу, тем не менее, в настоящее время сформулированы общие принципы применения термодинамики к неравновесным открытым системам в стационарном состоянии. Главные принципы биоэнергетики позволяют объяснить, почему протекают одни реакции и не осуществляются другие. Как известно, многие метаболические процессы регулируются энергетическим статусом клетки, ее энергетическим зарядом и потенциалом фосфорилирования. Поэтому стратегия метаболизма заключается в генерировании АТФ, восстановительной способности (НАДФН и НАДН) и различных предшественников для биосинтетических процессов.

Поскольку живые организмы получают энергию в результате окислительно-восстановительных реакций, то особое значение приобретает рассмотрение и изучение количественных отношений, связывающих эти реакции и изменения энергии (константа равновесия, свободная энергия реакции и др.). Химические реакции можно исследовать либо путем анализа поведения участвующих в них молекул, т.е. методами химической кинетики, либо путем рассмотрения процесса переноса энергии, который сопровождает реакцию, т.е. методами химической термодинамики. В учебном пособии дается не только информация о кинетике химических и биохимических реакций, но и предлагается осуществить соответствующие лабораторные работы. Определение скоростей или исследование кинетики химических и ферментативных реакций является мощным методом изучения механизмов этих процессов и получения важной информации, как в теоретическом, так и в практическом плане.

Овладение основами химической термодинамики и кинетики является необходимой предпосылкой для успешного изучения химических основ жизнедеятельности. Пособие поможет студентам глубже усвоить основополагающие разделы химии и будет полезным при изучении биохимии и фармакологии.

Тема: Тепловые эффекты химических реакций. Термодинамические характеристики химических и биохимических процессов

Актуальность темы. Все химические реакции сопровождаются энергетическими эффектами: выделением или поглощением тепла, света и энергии. Термодинамика изучает взаимные превращения различных видов энергии, отвечает на вопрос о возможности и направлении процессов, рассчитывает их тепловые эффекты.

Превращение энергии в биологических системах изучает биоэнергетика – раздел химической термодинамики, базирующийся на положениях, согласно которым ко всем живым системам можно применять законы термодинамики. Живая клетка организма в целом является открытой термодинамической системой, в которую беспрерывно поступают и выделяются вещества, а также осуществляется обмен энергии с окружающей средой. Вместе с тем, процессы обмена веществ в жизнедеятельности клетки связаны с преобразованием энергии, и живые организмы при этом её получают в виде потенциальной энергии, аккумулированной в химических связях молекул жиров, белков и углеводов. В процессе биологического окисления эта энергия высвобождается, прежде всего, для синтеза АТФ. Другая часть этой энергии превращается в теплоту, выделяется в процессе биологического окисления питательных веществ и эта теплота называется первичной. Количество синтезированных молей АТФ на моль окисленного субстрата зависит от его вида и от величины коэффициента фосфорилирования, который равен количеству синтезированных молекул АТФ в расчете на один атом кислорода, потребленный при окислении восстановленных органических соединений в процессе дыхания.

В нормальных условиях при полном окислении 1 г смеси углеводов пищи выделяется 4 ккал тепла, из которых только 0,91 ккал энергии аккумулируется в синтезированной АТФ. Поэтому коэффициент полезного действия синтеза АТФ при окислении глюкозы равен: , а 77,3% химических связей глюкозы при этом превращается в первичную теплоту и рассеивается в тканях.

Энергия, аккумулированная в АТФ, в последующем используется для осуществления в организме химических, транспортных, электрических процессов, производства механической работы и, в конечном итоге, тоже превращается в теплоту, получившую название вторичной. Следовательно, количество тепла, образовавшегося в организме, становится мерой суммарной энергии химических связей, подвергшихся биологическому окислению. Поэтому вся энергия, образовавшаяся в организме, может быть выражены в единицах тепла – калориях или джоулях. Для определения энергообразования в организме используют калориметрию.

В последние годы методы биоэнергетики применяются при исследовании таких биохимических процессов, как тканевое дыхание, фотосинтез, гликолиз, а также при изучении некоторых физиологических процессов на клеточном уровне. В последнем случае сравнение биоэнергетики здоровых и больных клеток позволяет изучать различные патологические явления, разрабатывать диагностику и методы лечения некоторых заболеваний на ранних стадиях. Кроме того, расчет теплового эффекта используется в диетологии для определения калорийности пищевых продуктов.

Цель темы: Приобретение системных знаний об основных началах термодинамики и термодинамических функциях состояния системы и умение применять эти знания к конкретным системам, встречающихся в биологических объектах. Овладение навыками выполнения термохимических расчетов для прогнозирования направленности и энергетики биохимических процессов, а также экспериментального определения тепловых эффектов на примере реакция нейтрализации.

Исходный уровень.Студент должен знать из довузовского курса химии: «Тепловые эффекты химических реакций, сохранение и превращение энергии при химических реакциях. Термохимические уравнения. Молярная концентрация вещества в растворе» и из курса биологии: «Обмен веществ и превращение энергии в клетке».

Основные учебно-целевые вопросы:

1. Основные понятия химической термодинамики:

• система; типы систем (изолированные, закрытые, открытые);

• интенсивные и экстенсивные параметры системы;

• функции состояния системы;

• внутренняя энергия; работа и теплота – формы передачи энергии;

• термохимические процессы (изотермические, изобарные, изохорные);

• термодинамические обратимые (равновесные) и необратимые процессы; стандартное состояние.

1.2. Первое начало термодинамики. Энтальпия. Стандартная энтальпия образования и сгорания веществ.

1.3. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции. Закон Гесса и следствия из него.

1.4. Второе начало термодинамики. Энтропия. Энергия Гиббса. Прогнозирование направления самопроизвольно протекающих процессов в изолированных и закрытых системах; роль энтальпийного и энтропийного факторов. Термодинамические условия равновесия.

1.5.Экзергонические и эндергонические процессы в организме. Макроэргические соединения.

1.6.Химическая термодинамика как теоретическая основа химических процессов и биоэнергетики

Учебная карта темы.

1. Практическая часть:

1.1. Примеры решение ситуационных задач.

1.2. Вопросы и ситуационные задачи для закрепления материала.

1.3. Контрольные вопросы.

2. Экспериментальная часть (лабораторная работа).

3. Контроль усвоения темы (тесты текущего уровня).