Вопрос№7
1)Вероятныйсмыслэнтропии.
Данноеранееопределениеэнтропииноситнесколькоформальныйхарактер. Остаётся неясным, почемуименноизменениеэнтропииуказываетнаправлениепроцессов. Первым понялсутьделагениальныйфизикЛюдвигБольцман. Онобратилвниманиенато, чторазные состояниятела, соответствующиеразличномурасположениюмолекул(атомов, ионов) и разнымзначениямихскоростей, осуществляютсяоченьразнойвероятностью. Пояснимэтот довольносложныйвопроснаотносительнопростыхпримерах.
Начнёмс простейшегослучая, когдав каком-тообъёменаходятсявсеголвеодинаковые молекулы„а“ и „б“ Разделимысленнообъёмнадвеполовины. Очевидно, чтовозможны четыревариантарасположениямолекул:
№
слева
справа
1
а, б
---
2
а
Б
3
б
А
11
4
---
а, б
Вероятностькаждоговариантаравна0,25.Новарианты2 и 3 практическинеотличимы, так какмолекулыодинаковы. Поэтомуихнадосчитатьзаодносостояние, вероятностькоторого равна0,5 . Такимобразом, состояние равномернымраспределениембудетвстречаться вдвоечаще, чемтесостояния, когдаобемолекулыслеваилиобесправа, хотятакиеслучаи тожебудутнаблюдаться. Позаконамтеориивероятностейростомчисламолекулсостояния равномернымраспределениембудутиметьвсёбольшуювероятностьпосравнению другими. Скажем, можнолиожидать, что40%молекулвоздухасамипосебев результате хаотическоготепловогодвижениясоберутсяв однойполовинеколбы, а 60% -в другой? В принципетакойслучайвозможен, овероятностьподобногособытияисчезающемала.
ВрезультатеглубокогоанализаЛ.Больцманустановилсвязьмеждувероятностьюсостояния
энтропиейсистемычастиц. ЭтасвязьвыражаетсяформулойБольцмана: |
S = k · ln PТД |
|
(21). |
|
|
Здесь k –постояннаяБольцмана( |
k = 1,37.10 –23 Дж.К –1),а |
РТД –термодинамическая |
вероятностьданногосостояниясистемы.
Термодинамическаявероятность–эточисловариантоврасположениямолекули распределенихяскоростей, соответствующданномуясостояниюсистемы.
Посамомусмыслупонятиявероятностилюбаясистема, предоставленнсамаясебе(тоесть изолированная), будетпереходитьизсостоянияменьшейвероятностьюсостояние, вероятностькоторогобольше. Обратныйпереходв принципевозможен, нопрактически невероятен. УчитываяформулуБольцмана, мысразуприходимк формулировкевторого началатермодинамики: всереальныепроцессыв изолированнойсистемепроисходятв сторонусостоянийбольшейвероятностью, тоестьс увеличениемэнтропии. Такимобразом, второеначалоявляется вероятностнымзаконом .
2)Флуктуация. |
|
Флуктуации. Когдамыимеемделос теламиотносительноб льшоймассы, содержащими |
|
огромноеколичествомолекул, отступлениявторогоначалапрактическиникогдане |
|
наблюдаются. Однако, еслимыпереходимк малым(микроскопическим) масштабам, |
|
отступлениястрогихзаконовтеориивероятностейстановятсявсёболеезаметными. |
|
Например, еслив стаканевоздухасамопроизвольноеотклонениев плотностигазана1% |
–6 м) |
абсолютноневероятно, тов объёмегазадиаметроменьше1микрометра(1мкм= 10 |
|
подобныеколбанияплотностиводуханасамомделевсёвремяпроисходят. Точнотакже |
|
12
вследствиехаотичностидвижениямолекулв микроскопическихмасштабахколеблются давление, энергия, концентрацияонови многиедругиевеличины. Подобные самопроизвольныеколебанияфизическиххарактеристик, происходящиев микроскопических масштабах, называются флуктуациями.
Флуктуацииявляютсянагляднымпримеромвероятностногохарактерафизическихпроцессов. Абсолютноневозможнот чнопредсказать, где, когдаи в какуюсторонуизменится, например, плотностьв данномобъёмегаза. Однако, вполневозможно(покрайнеймере, в неочень сложныхслучаях) рассчитатьвероятностьойилиинойфлуктуации; такиерасчёты многократнопроводилисьхорошимсогласиемопытом.
Флуктуациибываюти в живыхорганизмах. Например, вследствиефлуктуациймолекул мембраныканалы, черезкоторыеидётпереносионовчерезмембрану, случайнымобразомто открываются, тозакрываются(этоможнонаблюдатьв опыте).Флуктуациив рецепторных клеткахзаметновлияютнавосприятиеслабыхсигналов(света, звукаи др.),которыетеряются нафонефлуктуационного„шума“,тоестьхаотическихколебанийразностипотенциаловна мембране, возникающихрезультатефлуктуаций. Дляборьбыс этимявлениемживые организмывыработалиходеэволюциисложныеприспособления, которыхнеместо говоритьданнойлекции. Сейчасбольшоевниманиеуделяетсяисследованиюфлуктуацийв центральнойнервнойсистеме; по-видимому, онииграютсущественнуюрольвомногих нервныхпроцессах.
Особенноинтересно, что, какпоказалН.В.Тимофеев-Рессовский, возникающеерезультате флуктуацийточечноекратковременнвозрастаниеэнергииоколомолекулыДНКможет вызвать мутацию. ПомнениюТимофеева-Рессовского, большинствомутацийв обычных условияхвозникаютименнотакимобразом.
3)Упорядоченностьструктурыв светевторогоначалатермодинамики.
Надосказать, чтопонятиетермодинамическойвероятностиявляетсяболеесложным, чем сформулировановыше. Слишкомупрощенноеиспользованиеэтогопонятиянеоднократно приводилок заблуждениямгрубымошибкам. Например, можночастовстретитьтакое рассуждение. Математикапоказывает, чтонаиболеевероятнымявляетсяравномерное распределениечастиц, когдав равныхобъёмахчислочастицодинаково. Значит, любая системабудетпереходитьв бесструктурнсостояниес равномернымраспределением
частиц, которомусоответствуетмаксимальнаявероятность (такоесостояниечасто называютхаотическим). Насамомделеэтосправедливо толькодляидеальногазаов отсутствиевнешнихсил ; вовсехпрочихслучаяхравномерноераспределениевовсене являетсянаиболеевероятным.
Например, в атмосферемолекулывоздухараспределенывовсенеравномерно: внизуих гораздобольше, чемнаверху. Причинаочевидна: приналичиисилытяжестинахождение молекулывнизугораздоболеевероятно, чемнаверху. Вэтомслучаедлярасчётавероятности надо использоватьболеесложнуюформулу,учитывающуюдействиесилытяжести. Другой
13
пример: в мембранахклетокмолекулыфосфолипид,овбразующиемембрану, расположены совсемнехаотически, почтистрогопараллельно. Приналичиибольшихсилмолекулярного взаимодействиятакоерасположениеоказываетсянаиболеевероятным. Такихпримеровочень много, ноониговорятнео нарушениивторогоначалатермодинамики, том, чток определениювероятностисостояния(тоестьтермодинамическойвероятности) надо подходитьоченьвнимательно, с учётомвсехвнешнихвнутреннихсил, действующих данномконкретномслучае.
Вобщемслучаеможнопоказать, чтовсегдаприповышенииупорядоченностив каком-то объектегоэнтропияпонижается, приуменьшенииупорядоченностиэнтропияобъекта возрастает. Приэтомобщаяэнтропиясистемы„объект+среда“ всегдаувеличивается.
ВконцеХХвекавозниклановаянаучнаядисциплина, получившаяназваниесинергетика, котораяизучаетпроцессы самоорганизации, тоестьвозникновениеструктуры (упорядоченности) в самыхразличныхобъектах. Несмотрянасвоюмолодость, синергетика далаужемноговажныхрезультатовприизученииразнообразныхпроцессовприроде, технике в нашеморганизме, ноэтивопросывыходятзарамкипрограммынашегокурса
Вопрос№8
1)Формулировкавторогоначалатермодинамикидляоткрытыхсистем(в трактовке Пригожина)
Открытыминазываютсятакиесистемы, которыеобмениваютсявеществоми энергиейс |
|
окружающейсредой. Коткрытымсистемамотносятсявсеживыеорганизмы. Очевидно, что |
|
запассвободнойэнергииоткрытойсистемы(в томчислеи человека) можеткакрасти, таки |
|
убывать-всёбудетзависетьоттого, чтобудетпреобладать: притоксвободнойэнергииз |
|
окружающейсредыилиубыльсвободнойэнергиив результатесовершенияработыи |
|
процессовдиссипацииэнергии. Вчастности, свободнаяэнергияорганизмаможети не |
|
изменяться, еслиназванныепроцессысбалансированы. Этообстоятельствод лгоевремя |
|
смущалоучёных; многиедаже утверждали, что 2началонельзяприменятьк живым |
|
организмам. Надопрямосказать, чтониодинфизическийзаконнепородилстолько |
|
нелепостейи ошибок, сколькобыловысказанопоповодувторогоначалатермодинамики |
|
понятияэнтропии. Вчастности, широкораспространённойбылаточказрения, согласно |
|
которойживыеорганизмы„борются“ с возрастаниемэнтропиимира, и в этом, якобы, и |
|
состоиткосмическаярольжизни. (сторонникамитакихвзглядовбыли, например, академик |
|
В.И.Вернадскийизвестныйучёныйи писатель-фантастИ.Ефремов). |
|
ВсеэтинедоразумениябылиокончательновыясненытолькововторойполовинеХХвека, |
|
когдапроблемабыларассмотренавыдающимсябиофизиком, лауреатомНобелевскойпремии |
|
И.Р.Пригожиным. ПодходПригожинасводитсяк следующему. |
14 |
|
Дляоткрытыхсистемнадоразличатьдвавидапроцессов:
1)процессывнутрисистемыи
2)процессыобменас окружающейсредой
Поэтомуизменениелюбойвеличины, характеризующейсистему, надопредставлять, как суммудвухчастей:
1)Изменениезасчётпроцессоввнутрисистемыи
2)Изменениезасчётпроцессовобменас окружающейсредой.
Например, длясвободнойэнергии: |
G = G I + G E (22), |
|
|||
где G –общееизменениесвободнойэнергии, |
G I - изменениезасчёт |
процессоввнутри |
|||
системы, |
G E |
- изменениезасчётобменавеществоми энергиейс окружающейсредой |
|
||
(индексIобозначаетсловоinterna внутреннее– , а индексE – externa,внешнее).Все |
|
||||
процессывнутрисистемыидутс диссипациейсвободнойэнергии, поэтомуизменение |
|
||||
совободгойэнергиизасчётпроцессоввнутрисистемывсегдаотрицательно( |
G I < 0). Что |
||||
жекасаетсячлена |
G E, тоонможетиметьлюбойзнак. Чащесистемаполучаетизвнепоток |
||||
свободнойэнергии, тоесть |
G E > 0, новполневозможныи случаи, кодасистемаотдаёт |
||||
свободнуюэнергиюдругимтелам; тогда |
G E < 0.Поэтомуобщееизменениесвободной |
||||
энергииоткрытойсистемыможетиметьлюбойзнак (илиравнятьсянулю);этоникакне |
|
||||
противоречиторомуначалутермодинамики. |
|
|
|||
Аналогичныерассужденияможнопровестидляэнтропии. Общееизменениеэнтропии |
|
||||
открытойсистемыравносумме: |
S = S |
I + S E (23),гдеиндексыимеютотжесмысл. |
|||
Исходяизэтихположений, Пригожинпредложилтакуюформулировкувторогоначала термодинамикидляоткрытыхсистем(в томчисле, дляживыхорганизмов):в открытой системеизменениевнутреннейэнергиизасчётпроцессоввнутрисистемывсегда отрицательно, изменениеэнтропиизасчётпроцессоввнутрисистемывсегдаположительно.
G I < 0 ; S I > 0 |
(24) |
ПодходПригожинапозволилразрешитьвсепротиворечияспорныевопросы, которые накопилисьзастолетие. ФормулировкаПригожинасейчаспринятавсеми; неизвестнони одногослучаянарушенияустановленныхимзакономерностей.
15
2)Продукцияэнтропиипотокэнергии. |
|
|
. Вомногихслучаяхпредставляетинтерес |
скоростьизмененияэнтропии |
, котораявыражается |
производнойэнтропииповремени. Дифференцируяформулу(23),получим: |
|
|
(25) |
|
|
Первыйчленсправаназываютпродукциейэнтропии, а второйчлен–потокомэнтропии.
Очевидно, что 
(26)
Этуформулутожеможносчитатьвыражением2началатермодинамикидляоткрытыхсистем.
3)Стационарноесостояние.
Стационарнымсостояниемсистемыназываютсостояние, в которомпроцессыв системетак сбалансированы, чтоосновныевеличины, характеризующсистему, остаются постоянными.
Живыеорганизмыбольшуючастьвременипроводятименнов стационарномсостоянии (точнее–переходявремяотвременизодногостационарногостоянияв другое, например– изсостоянияснав состояниебодрствованиянаоборот).Этосвойствоживыхсуществ называютгомеостазом. Поддержаниестационарногостояния(гомеостаз) имеетбольшое значениедлянормальнойжизнедеятельности. Ворганизмевсёвремяидутдлинныецепи сопряжённыхфизическихпроцессови химическихреакций. Этипроцессыоченьпоразному зависятоттемпературы, рНи многихдругихпараметров. Поэтому, еслиэтипараметры меняются, нарушаетсогласованиеяважныхжизненныхпроцессов. Чтобытакоене происходило, в организмесуществуютсложныесистемырегулирования, достаточноточно поддерживающиестационарноесостояние. Наоборот, болезнив большинствеслучаев сопровождаютсянарушениемгомеостаза.
4)теоремаПригожина
Пригожиндоказалположение, котороеназываетсятеоремойПригожина: в стационарном состояниипродукцияэнтропииминимальна
(в
стационарномсостоянии) (27).
Нетруднопонять, чтоминимальнаяпродукцияэнтропиисоответствуетминимальной диссипациисвободнойэнергии(минимальнымпотерямэнергии),тоестьмаксимальному КПД. Поэтомуможносказать, чтов стационарномсостоянииКПДсистемынаибольший. Это тожеважноесвойствостационарныхсостояний.
16
Вопрос№9
1)Структурабиологическихмембран
2)Физико-химическиесвойствабиологическихмембран
3)Функциибиологическихмембран
1. |
|
Отграничиваютсодержимоеклеткиотвнешнейсредыи содержиморганеллот |
|
цитоплазмы. |
|
2. |
|
Обеспечиваюттранспортвеществклеткуи изнее, изцитоплазмыв органеллыи |
|
наоборот. |
|
3. |
|
Выполняютрольрецепторов(получениепреобразованиесит-наловизокружающей |
|
среды, узнаваниевеществклетоки т. д.). |
|
4. |
|
Являютсякатализаторами(обеспечениепримембранныххимическихпроцессов). |
|
5. |
|
Участвуютпреобразованииэнергии. |
|
Биологическаямембрана- этофункциональноактивнаябилково-липиднаяструктура, |
|
образующаяграницумеждуклеткойи окружающейсредой. |
|
Ф-и: Механическая–обеспечиваетпрочностьи автономностьклетки. Барьерно |
|
транспортнаяобеспечиваетизберательный, регулируемыйпассивныйактивный |
|
обменвеществомокружающейсредой. Матричная–оринтациямембранныхбелков. |
|
Энергетическая–синтезАТФ намитохондриях. Рецепторная. Проведение |
|
биопотенциала. Ферментативная. |
17 |
|
Строение: двойноймолекулярныйслойлипидов +белки. Липидыповёрнуты гидрофобнымихвостамидругк другу, а гидрофильнымиголовкаминаружу.
Различаютактивныйпассивныйтранспортвеществчерезмембрану:
Пассивный: поградиентуконцентрациибеззатратыэнергииАТФ.
Активный: противградиентаконцентрациис затратойэнергии.
Диффузияперпеносвеществаизобластименьшейконцентрациив областьменьшей концентрациизасчёттепловогодвижениямолекул.
Свободнаядиффузияпереноснизкомолекулярныхвеществчерезлипидныйслой
Облегченнаядиффузияпереноскрупныхорганическихмолекулзасчётинтегральных молекул
Электродиффузия Потоквещества: Ф=m/t
ПлотностьпотокавеществаJ=Ф/S
Насыщаемостьпотоквеществападаетпринасыщении
1)Структурабиологическихмембран
Основумембранысоставляетлипидныйбислой–двойнойслоймолекулипидов, которыеобладаютсвойствомамфифильности(содержаткакгидрофильные, таки гидрофобныефункциональныегруппы). Влипидномбислоегидрофобныеучастки молекулвзаимодействуютмеждусобой, а гидрофильныеучасткиобращеныв окружающуюводнуюсреду.
Мембранныелипидывыполняютрольрастворителямембранныхбелков, создавая жидкуюсреду, в которойонимогутфункционировать. Постепенивлиянияна структурубислоя посилевзаимодействияниммембранныебелкиделятна интегральныепериферические.
2)Физико-химическиесвойствабиологическихмембран
Всемембраныпосвоейорганизациисоставуобнаруживаютрядобщихсвойств. Они:
•состоятизлипидов, белкови углеводов;
•являютсяплоскимизамкнутымиструктурами;
18
• имеютвнутреннююи внешнююповерхности(асимметричны);
избирательнопроницаемы.
3)Функциибиологическихмембран
1.Отграничиваютсодержимоеклеткиотвнешнейсредыи содержиморганеллот цитоплазмы.
2.Обеспечиваюттранспортвеществклеткуи изнее, изцитоплазмыв органеллы и наоборот.
3.Выполняютрольрецепторов(получениепреобразованиесит-наловиз окружающейсреды, узнаваниевеществклетоки т. д.).
4.Являютсякатализаторами(обеспечениепримембранныххимических процессов).
5.Участвуютпреобразованииэнергии
Вопрос№10
1) |
|
Видыпассивноготранспорта |
|
Все видыпассивноготранспорта |
основанынапринципе |
диффузии. Небольшаячастица, растворённаяжидкости, постоянно подвергаетсяударамсостороныокружающихеёмолекул жидкости. Результатомэтогоявляетсяхаотическоедвижениечастицы,
котороеназывается броуновскимдвижением . Диффузияявляется результатомхаотическихнезависимыхдвижениймногихчастиц. Если концентрациявеществаодинаковаякаждойчастираствора, тодвижение частицхаотично. Приэтомсуществуетдрейфчастицизобластей, гдеони расположеныболееплотно, вобласти, гдечастицменьше.
Диффузиянезаряженныхчастицвызываетсяихконцентрационным градиентомнаправленасторонуменьшенияэтогоградиента. Частицы веществаперемещаютсяизобластиболеевысокойконцентрациивещества области, гдеконцентрацияэтоговеществанизкая.Диффузияпостепенно уменьшаетградиентконцентрациидотехпор, поканенаступитсостояние равновесия. Приэтомвкаждойточкеустановитсяравнаяконцентрация, диффузиявобоихнаправленияхбудетосуществлятьсяравной степени. Диффузияявляетсяпассивнымтранспортом, посколькунетребует затратвнешнейэнергии
Существуетнескольковидовдиффузиивплазматическоймембране:
19
1)Свободнаядиффузия.
2)Облегченнаядиффузиянеэлектролитов.
3)Электродиффузия(облегченнаядиффузияионов).
)Гидрофильныев ществаплохопроходятчерез липидныйбислой, посколькуонипочтинерастворяются вжирах. Такиевеществапроходятчерезмембранулибо черезмембранныеканалы, либоспомощью переносчиков. Переносчики–этобелковыемолекулы, которыесоединяясьпереносимымвеществомобразуют жирорастворимыйкомплекс. Этоткомплексможет проходитьчерезмембранупомеханизмудиффузии. Поэтомускоростьтранспортагидрофильныхвеществ переносчикомсильновозрастаетпосравнениюпрямым переносомэтихвеществчерезмембрану. Из-заэтого транспортучастиемпереносчиканазывают облегченнойдиффузией.
2.1.Простаядиффузия |
|
|
Диффузияпредставляетсобойпроцесс, припомощикоторогогазилирастворенныещества |
|
|
распространяютсяи заполняютвесьдоступныйобъем. |
|
|
Молекулыи ионы, растворенныежидкости, находятсяв хаотическомдвижении, сталкиваясь |
|
|
другс другом, молекуламирастворителяклеточноймембраной. Столкновениемолекулыили |
|
|
ионас мембранойможетиметьдвоякийисход: молекулалибо«отскочит» отмембраны, либо |
|
|
пройдетчерезнее. Когдавероятностьпоследнегособытиявысока, тоговорят, что |
|
|
мембрана проницаемадляданноговещества. |
|
|
Есликонцентрациявеществапообесторонымембраныразлична, возникаетпотокчастиц, |
|
|
направленныйизболееконцентрированногораствораразбавленный. Диффузияпроисходит |
|
|
дотехпор, покаконцентрациявеществапообесторонымембраныневыравнивается. Через |
|
|
клеточнуюмембранупроходяткакхорошорастворимыеводе |
{гидрофильные) |
вещества, |
таки гидрофобные, плохоилисовсем нейнерастворимые. |
|
|
Гидрофобные, хорошорастворимыежирахвещества, диффундируютблагодарярастворению |
|
|
в липидахмембраны. Водаи веществахорошов нейрастворимыепроникаютчерез |
|
|
временныедефектыуглеводороднобластиймембраны, т.н. |
кинки, |
а также |
через поры, постоянносуществующиегидрофильныеучасткимембраны. |
|
|
Вслучае, когдаклеточнаямембрананепроницаемаилиплохопроницаемадлярастворенного вещества, нопроницаемадляводы, онаподвергаетсядействиюосмотическихсил. Приболее низкойконцентрациивеществаклетке, чемв окружающейсреде, клеткасжимается; если концентрациярастворенноговеществаклеткевыше, водаустремляетсявнутрьклетки.
4)ПервыйзаконФика указывает, чтопотоквещества, перемещаемогопутёмдиффузии, |
20 |