Transcript TERMIKA
TERMIKA Teplo je nejméně uspořádaná forma energie Teplo je suma všech forem kinetických energií 1 J = 0,2388 cal 1 cal = 4,1868 J Teplota – míra střední kinetické energie všech částic Teplota – stavová veličina, kterou vnímáme MĚŘENÍ TEPLOTY objemová roztažnost tekutin vodíkový teploměr kapalinové teploměry délková roztažnost pevných látek l = lo . (1 + α t) bimetalové teploměry keramické teploměry závislost elektrického odporu na teplotě vodičů R = Ro . (1 + α t ..ß t2 + …) platinové teploměry polovodičů termistory R = A . eB/T optické metody dotykové – kapalné krystaly bezdotykové – IF záření TERMOREGULACE ORGANIZMU z hlediska výměny tepla s okolím je rozhodující velikost povrchu, nikoliv objemu nebo hmotnosti teplota má hlavní význam pro udržení činnosti enzymů zrcadlový efekt jater (při syntéze je minimální degradace a naopak) Transport tepla v organizmu kondukcí (vedením) mezi orgány dt Q = λ . S . --------- . τ dx λ koeficient přestupu tepla τ (tau) čas dt/dx gradient teploty podle vzdálenosti S plocha Transport tepla v organizmu konvekcí (prouděním) krev – transport energie i hmoty Q = α . S . Δt . τ α koef. přestupu tepla přes rozhraní τ čas Δt gradient teploty S plocha Produkce tepla, energie stanovení přímé – kalorimetricky stanovení nepřímé – ze spotřeby O2 spalná tepla fyzikální x fyziologická sacharidy a bílkoviny 17 MJ.kg-1 tuky 38 MJ.kg-1 fyziologická využitelnost energie bílkovin je snížena o energii nutnou k detoxikaci dusíkatých látek (močovina, kyselina močová, aminy atd.) Produkce tepla a omezení transportu tepla do okolí zvýšení bazálního metabolizmu svalový třes izolační vlastnosti pokryvu těla zmenšení povrchu vazokonstrikce Výdej tepla radiací (u člověka až 60 %) závislá na teplotě okolí a pokryvu těla Q ~ T4 vedením - nejteplejší jsou játra vazodilatací prouděním evaporace závislá na vlhkosti vzduchu TERMODYNAMIKA umožňuje předvídat, zda je za daných podmínek možný průběh určité reakce v organizmu umožňuje vypočítat energetické změny ve formě tepla nebo práce, které provázejí biochemické procesy Základní pojmy teplo – nejméně uspořádaná forma energie práce – uspořádaná makrofyzikální forma energie rovnovážný stav systému odpovídá nejpravděpodobnějšímu uspořádání izolovaného systému relaxační doba je mírou přiblížení (difuze plynu 10-8 s, kapaliny hodiny) Základní pojmy termodynamická pohyblivá rovnováha otevřených systémů - stav, v němž je působení systému na okolí a působení okolí na systém stejné a vzájemné působení dějů uvnitř systému je vyrovnáno termodynamický děj reversibilní prochází řadou na sebe navazujících rovnovážných stavů ireversibilní – všechny děje, které v přírodě probíhají samovolně I. věta vnitřní energie U ΔU = Q – W Entalpie H ΔH = ΔU + pΔV exotermická (samovolná) reakce entalpie klesá ΔH < 0 endotermická reakce entalpie roste ΔH > 0 hf 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 ΔH = + 2,81 . 103 kJ.mol-1 h Planckova konstanta f vlnočet II. věta entropie S (entropo – udávati směr) míra neuspořádanosti systému, přeneseně též neorganizovanosti ΔS = Q / T u ireversibilních dějů otevřených systémů entropie roste ΔS > 0 - transportem entropie z okolí a do okolí Se - přírůstkem entropie v uvažovaném systému Si Prigoginova rovnice ΔS = ΔSe + ΔSi ΔSe 0 ΔSi > 0 => ΔS > 0 Veličiny odvozené z II. termodynamické věty volná energie F (T = k V = k) ΔF = ΔU – T ΔS volná (využitelná) entalpie – Gibbsova energie G (T = k p = k) ΔG = ΔH – T ΔS T ΔS entropický člen – vázaná energie U živého organizmu můžeme považovat T, V, p za přibližně konstantní, pak není významný rozdíl mezi G a F Termodynamika živých systémů Gibbsova energie představuje tu využitelnou část chemické energie, která může být v systému přeměněna na jiný druh energie nebo na práci. Účinnost živých systémů je až 40 %. Nevyužitá část energie je ve formě tepla vyloučena z organizmu. Tím se organizmus snaží snížit nárůst entropie. Termodynamika ireverzibilních systémů otevřené systémy směřují k pohyblivé rovnováze, která se vyznačuje minimální entropií přechod otevřeného systému k pohyblivé rovnováze může způsobit dočasný pokles entropie Obecně jsou pohyblivé rovnováhy stabilní. Proti každému pochodu, který je vyvolán vnější silou nebo způsobuje v systému jiný primární děj musí existovat procesy, které se snaží těmto změnám zabránit ! Při všech ireversibilních procesech musí entropie vzrůstat. Organizmus se však „vyživuje“ komplexními organickými molekulami (z potravy) s vysokou hodnotou volné entalpie G. Při jejich rozkladu používá část volné entalpie G ke svému zachování a část k výstavbě vyšší organizace. Tím se živé organizmy snaží čelit nárustu entropie a samy sebe udržují ve stavu pohyblivé rovnováhy. Z hlediska evoluce vznikem vyšší organizace a diferenciace nových tkání a vznikem nových druhů dochází ke snižování entropie. II. t. v. však neztrácí platnost, neboť platí pro „uzavřený systém“ konkrétního jedince s jeho průběžně voleným okolím. Nárůst entropie konkrétního organismu je představováno jeho stárnutím, které vede k termodynamické smrti. Posmrtný rozklad představuje snahu po dosažení rovnovážného stavu. Energetické přeměny hydrolýza u převažujících typů vazeb (glykosidická, peptidická, esterová) slabá exotermická reakce G do 12 kJ.mol-1 existují sloučeniny, kde se hydrolýzou získává Gibbsova energie 30 – 50 kJ.mol-1 vazby polyfosfátové, fosfosulfátové, acylfosfátové, thioesterové Makroergické vazby, fosfáty ~ P nebo - P ve skutečnosti je energetický obsah každé sloučeniny dán jejím prostorovým uspořádáním uvolněná energie tedy pochází z celé sloučeniny, nikoliv ze samotné vazby představují zásobárnu energie – energetický „pool“ Energetické přeměny hydrolýza je řízena enzymy a díky tomu dochází k postupnému uvolňování energie potrava + O2 + anorg. fosfáty → ATP ATP → svalová práce, tělesné teplo, atd. nebo přenosové reakce ATP + specifické sloučeniny → specifické vysoce energetické sloučeniny glukóza + ATP → ADP + glukózo-6-fosfát Doplnění energetického „poolu“ ATP P energie pro životní pochody ADP energie z živin potřebná pro navázání P Doplnění energetického „poolu“ aerobní proces – oxidativní fosforylace spřažená s dýchacím řetězcem anaerobní glykolýza Veškerá energie živin se nejprve převede na chemickou energii (makroergních fosfátů) a teprve pak může být postupně využita ve formě kaskády jednotlivých, enzymy řízených, reakcí. Transportní jevy viskozita vedení tepla difuze, osmóza transport hybnosti transport energie transport hmoty Transp.vel. = - K . Plocha . Gradient Transport hmoty DIFUZE Rotpuštěná látka přechází z místa o vyšší koncentraci na místo o nižší koncentraci nevyžaduje energii (pasivní transport) cílem je dosažení rovnovážného stavu částice se pohybují neuspořádáným tepelným pohybem v plynech a kapalinách probíhá rychle v pevných látkách pomalu HUSTOTA DIFUZNÍHO TOKU [J] dn 1 J = ------ . -----dt S S – celková plocha rozhraní J [mol . s-1 . m-2] počet molů dn, které projdou za čas dt jednotkovou plochou S = množství látky,vyjádřené počtem molů dn, které projde za sekundu jednotkovou plochou rozhraní dt – časový interval, během kterého projde rozhraním množství látky dn 1. FICKŮV ZÁKON jednosměrná stacionární difuze dc J = - D . ------dx D – difuzní koeficient [m2 . s-1] c – koncentrace x – souřadnice polohy na ose x mínus – koncentrace ve směru osy x klesá vyrovnává zápornou hodnotu poklesu koncentrace na kladnou hodnotu látkového toku 1. Fickův zákon: Hustota difuzního toku J je přímo úměrná koncentračnímu gradientu dc/dx (platí pro jednosměrnou difuzi ve směru osy x; gradient se nemění v čase/iontová pumpa/) D nabývá hodnot od 1 . 10-9 po 1 . 10-12 mikromolekuly makromolekuly Difuze transport molekul rozpuštěné látky přes buněčnou membránu - vstřebávání látek ve střevě - prostup dýchacích plynů Pro prostup neelektrolytů platí: J = - P . S . (ce – ci) J látkový tok P permeabilita membrány ce – ci rozdíl extracelulární a intracelulární koncentrace S plocha Elektrické jevy na buněčné membráně Orientovaná dvojvrsta lipidů (fosfolipidy, glykolipidy, cholesterol) a integrovaných proteinů Hydrofilní skupiny vně, hydrofobní dovnitř, což vyhovuje termodynamické rovnováze Periferní proteiny určují vlastnosti membrán Vodivost je závislá na fyziologické aktivitě Permitivita (dielektrické vl.) je stálá εr ~ 10 TYPY TRANSPORTU transport PASIVNÍ nevyžaduje energii difuze AKTIVNÍ vyžaduje energii osmóza Mechanismy transportu Difuze nespecifická (prostá) Difuze selektivní (usnadněná) – specifické nosiče, iontové kanály Difuze je závislá na: 1. velikosti elektrochemického gradientu 2. permeabiltě membrány pro daný iont Pinocytoza – strukturální změny TRANSPORT – DLE POČTU PŘENÁŠENÝCH ČÁSTIC transport přes membránu jednoduchý kotransport symport antiport