Transcript Sem 5 Materialy 2014-15

Seminarium 5
TERMODYNAMICZNY OPIS
UKŁADÓW BIOLOGICZNYCH
1
Zakład Biofizyki CM UJ
Zagadnienie 1
Żywy organizm jako
układ termodynamiczny
2
Zakład Biofizyki CM UJ
Żywy organizm
– układ otwarty, w którym zachodzą procesy
nieodwracalne dążące do stanu równowagi !!
Warunki, w jakich zachodzą procesy w żywym organizmie:
- stała temperatura (izotermicznie)
- stałe ciśnienie (izobarycznie)
Procesy nieodwracalne prowadzą układ od stanu bardziej do
mniej zorganizowanego - dopóki nie ustaną przepływy
(osiągnięcie stanu równowagi = śmierć układu biologicznego).
3
Zakład Biofizyki CM UJ
Zadanie 1
• Proszę podać proste przykłady układów
termodynamicznych: otwartego,
zamkniętego i izolowanego.
• Jak funkcjonowałby organizm żywy
w warunkach opisanych powyżej?
• Jak zmienia się entropia organizmu
żywego w okresie dzieciństwa, w wieku
dojrzałym i w czasie starzenia się?
4
Zakład Biofizyki CM UJ
Zagadnienie 2
Bilans cieplny organizmu
- przemiana podstawowa
5
Zakład Biofizyki CM UJ
Bilans cieplny organizmu stałocieplnego
(+) straty konwekcyjne
(+) przemiana materii
(metabolizm)
(+) straty na
(+) promieniowanie padające
na organizm
promieniowanie
(+) straty na parowanie
(–) składowa wytworzonej
mocy mechanicznej na
jednostkę powierzchni
(+) straty w procesie
oddychania
6
Zakład Biofizyki CM UJ
6
II zasada termodynamiki w odniesieniu do
organizmu żywego
H = We + Qm
H - zmiana entalpii na skutek utleniania substancji odżywczych
We - praca zewnętrzna wykonywana przez organizm
Qm - ciepło metabolizmu
Organizm człowieka przekształca energię chemiczną w pracę
mechaniczną.
Wydajność organizmu wynosi 20 - 25 %
7
Zakład Biofizyki CM UJ
Przemiana podstawowa
Przemiana podstawowa (spoczynkowa) - niezbędny wydatek energii
(minimalne dzienne zapotrzebowanie energetyczne), jaki jest
potrzebny organizmowi do podtrzymania jego podstawowych funkcji
życiowych (czynności narządów krążenia, oddychania, procesy
życiowe komórek itp.) w warunkach zupełnego spoczynku.
Wskaźnikiem podstawowej przemiany materii jest współczynnik
BMR (Basal Metabolic Rate). Norma podstawowej przemiany materii
wynosi u człowieka przeciętnie 1 kcal na 1 kg wagi ciała w ciągu
1 godziny.
Przemiana podstawowa dorosłego człowieka (m = 70 kg)
wynosi średnio około 80 W = 3*105 J/h = 70 kcal/h =
1700 kcal/dobę
8
Zakład Biofizyki CM UJ
Zadanie 2
Przemiana podstawowa dorosłego człowieka wynosi około
3*105 J/h. Jak szybko wzrastałaby temperatura jego ciała,
gdyby organizm potraktować jako układ izolowany?
Szukane: T = ?
Dane:
Epodst= 3*105 J/h
cw = 4200 J/(kgoC)
m = 70 kg
9
Zakład Biofizyki CM UJ
Zadanie 3
Wysiłek umysłowy wymaga przeciętnie 4-krotnie większego
nakładu energii niż wynosi przemiana podstawowa. Ile cukru
(glukozy) zużywa student podczas seminarium z biofizyki
trwającego 90 min (=1,5 h), jeżeli przy spalaniu 1 mola glukozy
otrzymujemy 2820 kJ energii?
Dane:
Epodst= 3*105 J/h
t = 1,5 h
E1= 4 Epodst
E2 = 2820 kJ
Mglukozy=180,16 g/mol
Szukane: mcukru = ?
Znajdź związek między zużyciem energii przez mózg,
a energią uwolnioną ze spalania glukozy
10
Zakład Biofizyki CM UJ
Zagadnienie 3
Mechanizmy transportu ciepła
11
Zakład Biofizyki CM UJ
Mechanizmy transportu ciepła
Organizm
Otoczenie
powietrzne
Otoczenie
wodne
Promieniowanie
12
Zakład Biofizyki CM UJ
Przewodnictwo cieplne - bodźcem jest różnica temperatur, odbywa się w kierunku
malejących temperatur.
gdzie:
P = λS(T1 – T2)/L
P – strumień ciepła
S i L – powierzchnia i grubość ciała
λ – przewodność cieplna
Konwekcja – unoszenie się ciepła za pośrednictwem poruszającego się
medium (ciecz, gaz). Zależy od różnicy temperatur pomiędzy powierzchnią
ciała i środowiskiem zewnętrznym.
Parowanie - mechanizm, dzięki któremu organizmy stałocieplne
nie ulegają przegrzaniu. Ochładzanie w wyniku parowania wynika z faktu,
iż przekształcenie wody w parę wodną jest procesem endotermicznym.
Promieniowanie - emitowane promieniowanie elektromagnetyczne długofalowe
3
(9,4 μm)
Prawo Stefana Boltzmanna
M=σT4
2
Prawo przesunięć Wiena
mT=2897.8 [μmK]
13
1
0
0
500
1000
1500
Zakład Biofizyki CM UJ
Straty ciepła przez promieniowanie
 E ~ A s (Tc4 - To4 ) [J/s]
ΔE – strata energii na jednostkę czasu (moc)
A – powierzchnia ciała
s – stała Stefana-Boltzmanna
TC – temperatura ciała
TO – temperatura otoczenia
A= 0.202*M0.425*H0.725
A – powierzchnia ciała [m2]
M – masa ciała [kg]
H – wzrost [m]
14
Zakład Biofizyki CM UJ
Zagadnienie 4
Mechanizmy transportu
w skali komórkowej
15
Zakład Biofizyki CM UJ
Rodzaje transportu przez błonę
komórkową
a) Transport bierny (dyfuzja; wykorzystanie w hemodializie)
b) Transport czynny (wymaga dostarczenia energii; przewodnictwo
nerwowe)
16
Zakład Biofizyki CM UJ
Transport przez błonę komórkową
Rodzaj
cząsteczki
Współczynnik
przepuszczalności
Rodzaj
cząsteczki
Współczynnik
przepuszczalności
Na+
10-12cm/s
tryptofan
10-7cm/s
K+
5 x 10-12cm/s
glicerol
5 x 10-6cm/s
Cl-
10-10cm/s
indol
5 x 10-4cm/s
glukoza
5 x 10-8cm/s
H2O
5 x 10-3cm/s
Błony są półprzepuszczalne, tzn. że
łatwo przenika przez nie woda.
Przepuszczalność innych substancji
zależy od ich rozpuszczalności w
tłuszczach. Najtrudniej przenikają przez
błony substancje polarne (np. sacharoza)
oraz jony.
17
Zakład Biofizyki CM UJ
Hemodializa (sztuczna nerka)
Przetoka tętniczo-żylna
umożliwiająca podłączenie
pacjenta do dializatora
18
Zakład Biofizyki CM UJ
MARS – system usuwania toksyn
z organizmu
Proces przechodzenia toksyn przez błonę MARS.
Eliminacji
ulęgają
zarówno
wolne,
drobnocząsteczkowe substancje rozpuszczalne w
wodzie, jak i substancje związane z albuminami.
Za proces ten odpowiada warstwa albumin
powlekająca błonę dializacyjną i wysokie stężenie
albumin w dializacie. Inne białka i hormony
pozostają we krwi chorego (Teraklin - za zgoda).
Schemat układu MARS (Molecular Adsorbent
Recirculating System). Dializat albuminowy
(20% stężenie albumin) krąży w obwodzie
zamkniętym odbierając toksyny z krwi chorego
(dializator MARS-FLUX) i oddając je w
dializatorze diaFLUX oraz dwóch kolumnach
adsorpcyjnych. Ruch dializatu albuminowego
zależy od działania pompy albumin (aparatu
MARS Monitor). Przepływ krwi i płynu
dializacyjnego w dializatorze diaFlux zależy od
działania aparatu do dializy (Teraklin - za zgodą).
19
Zakład Biofizyki CM UJ
Zagadnienie 5
Zjawisko dyfuzji – prawo Ficka
20
Zakład Biofizyki CM UJ
Zjawisko dyfuzji. Transport cząstek
przez błonę (bierny)
21
21
Zakład Biofizyki CM UJ
c
c-dc
Kierunek transportu
Transport bierny (dyfuzja)
stan
równowagi
X
Prawo Ficka: dn   DS dc
dt
dx
22
D - współczynnik dyfuzji
S - powierzchnia
Zakład Biofizyki CM UJ
Potencjał chemiczny - praca wykonana podczas zmiany liczby
moli składnika o jeden przy zachowaniu stałej temperatury,
ciśnienia i liczby moli innych składników.
Wi  i  ni
praca chemiczna (osmotyczna, transportu)
Różnice potencjałów chemicznych w układzie warunkują
zachodzenie procesów związanych z transportem substancji.
23
Zakład Biofizyki CM UJ
Potencjał chemiczny składnika i w mieszaninie gazów
lub roztworze doskonałym
i    RT ln xi
0
i
stosunek molowy
potencjał chemiczny składnika i w stanie czystym (xi=1)
24
Zakład Biofizyki CM UJ
Gdy do układu zawierającego cząstki naładowane wprowadzany jest
dodatkowy ładunek Q, to zmiana entalpii swobodnej w warunkach
izotermiczno-izobarycznych, związana z wprowadzeniem ładunku do układu
jest równa:
Gi    qi  i  ni
gdzie  jest potencjałem elektrycznym panującym w układzie.
Ponieważ ładunek jest przenoszony przez cząstki to:
qi  z  F  ni
gdzie z oznacza wartościowość jonu, a F jest stałą Faradaya
(ładunek elektryczny związany z 1 molem jonów jednowartościowych),
F= 96487 C/mol
Zatem zmiana entalpii swobodnej na 1 mol wynosi:
~
  i    z  F
i jest nazywana potencjałem elektrochemicznym.
25
Zakład Biofizyki CM UJ
Zagadnienie 6
Prawo Nernsta –
elektroda pH-metryczna
26
Zakład Biofizyki CM UJ
Zasada działania elektrody
pH-metrycznej.
Wartości pH występujące
w organizmie człowieka.
27
Zakład Biofizyki CM UJ
pH płynów ustrojowych i jego pomiar
Skala pH - ilościowa skala kwasowości i zasadowości roztworów
wodnych związków chemicznych.
pH = -log10[H3O+]
Zakres skali: [0-14]
Do określania pH używa się wskaźników kwasowości (substancje,
których kolor zależy od pH roztworu, np.: błękit bromotymolowy,
błękit tymolowy, czerwień metylowa, fenoloftaleina, lakmus, oranż
metylowy). Zwykle jednak używa się papierków nasączonych
mieszaniną substancji wskaźnikowych, które zmieniają kolor
w szerokim zakresie pH.
28
Zakład Biofizyki CM UJ
Dokładnych pomiarów pH dokonuje się metodą potencjometryczną
(pH-metria). Zanurzając jedną elektrodę w roztworze o znanym pH,
a drugą w próbce, można na podstawie pomiaru różnicy potencjałów
elektrodowych tak utworzonego ogniwa dokładnie ustalić pH próbki.
Wzór Nernsta
Potencjały elektrodowe
 c1 
V 1  V 2 ~ ln 
 c2 
V1
V2
c
znane
znane
szukane
C1C-jonów
hydroniowych
-jonów
hydroniowych
1
29
C2-jonów hydroniowych
Zakład Biofizyki CM UJ
Przykładowe wartości pH
Substancja
pH
1 M kwas solny
0
Kwas akumulatorowy
< 1,0
Kwas żołądkowy
1,5 – 2
Sok cytrynowy
2,4
Coca-cola
2,5
Ocet
2,9
Sok pomarańczowy
3,5
Piwo
4,5
Kawa
5,0
Herbata
5,5
Kwaśny deszcz
< 5,6
Mleko
6,5
Czysta woda
7
Ślina człowieka
6,5 – 7,4
Krew
7,1 – 7,4
Woda morska
8,0
Mydło
9,0 – 10,0
Wodorotlenek amonu
11,5
Wodorotlenek wapnia
12,5
1 M roztwór NaOH
14
30
Kwaśny
Obojętny
Zasadowy
Zakład Biofizyki CM UJ
Zagadnienie 7
Osmoza – prawo Van’t Hoffa
Ciśnienie osmotyczne i jego pomiar
31
Zakład Biofizyki CM UJ
Transport cząstek przez błonę
Możliwy transport cząstek substancji rozpuszczonej
nA, A
nB, B
G = GA + GB
W warunkach izotermiczno-izobarycznych G = - An + Bn ≤0
Entalpia swobodna każdego ze składników jest mniejsza w mieszaninie
Mieszanie - proces nieodwracalny
32
Zakład Biofizyki CM UJ
Osmoza
Niemożliwy transport cząstek substancji rozpuszczonej (błona półprzepuszczalna)
Transport cząstek rozpuszczalnika przez elastyczną błonę: μB > μA
T, pA, A
Czysty
rozpuszczalnik
T, pB, B
Roztwór
Proces transportu odbywa się przy ustalonej temperaturze i objętości
układu. W warunkach izotermiczno-izochorycznych stan równowagi
jest określony przez warunek: F = 0
33
33
Zakład Biofizyki CM UJ
T, pA, A
Czysty
rozpuszczalnik
T, pB, B
Roztwór
n1
 A    RT ln
n1  n2
0
B    RT ln1
0
n1 -liczba moli rozpuszczalnika
n2 - liczba moli substancji rozpuszczonej
B   A
przepływ rozpuszczalnika
wzrost ciśnienia
działającego na roztwór
wzrost potencjału chemicznego rozpuszczalnika w roztworze
  B
'
stan równowagi
A
34
Zakład Biofizyki CM UJ
Ciśnienie osmotyczne p
- ciśnienie sprężystej błony, które w stanie równowagi hamuje transport osmotyczny
B     A  p Vmol
'
A
praca wykonana przy przeniknięciu 1 mola
rozpuszczalnika o obj. Vmol do roztworu, przy ciśnieniu p
B   A
p
 Vmol
Prawo van’t Hoffa:
p  cm RT
35
cm - stężenie molowe roztworu
Zakład Biofizyki CM UJ
Osmoza w organizmach żywych
Zachowanie komórek roślinnej i zwierzęcej znajdujących
się w roztworze hiper-, izo- i hipotonicznym
36
Zakład Biofizyki CM UJ
Pomiar ciśnienia osmotycznego
• Błona półprzepuszczalna 
przepuszcza rozpuszczalnik;
nie przepuszcza substancji
rozpuszczonej.
• Rurkę wypełniam roztworem
i zanurzam w naczyniu z czystym
rozpuszczalnikiem 
rozpuszczalnik wnika do rurki.
• Ciśnienie hydrostatyczne
wewnątrz rurki będzie rosło, aż do
osiągnięcia stanu równowagi (p).
• Przy podanych założeniach
p = ciśnieniu osmotycznemu.
37
Zakład Biofizyki CM UJ
Zadanie 4
Oblicz ciśnienie osmotyczne wytwarzane przez
0,9 % roztwór NaCl i CaCl2.
Dane:
T1 = 273 K + 20 oC =293 K
cp = 0,9 %
R = 8,31 J/molK
 = 1,005 g/cm3 dla roztworów 1%-owych
MNaCl = 58 g/mol
MCaCl2 = 110 g/mol
38
Szukane: P = ?
Zakład Biofizyki CM UJ
Zagadnienie 8
Efekty fizykochemiczne
na granicy faz
39
Zakład Biofizyki CM UJ
Na różnych granicach faz zachodzi wiele procesów fizycznych
i chemicznych.
Granica fazy ciekłej i gazowej
40
Zakład Biofizyki CM UJ
Adhezja
Kropelki wody na
pajęczynie
41
Zakład Biofizyki CM UJ
42
Zakład Biofizyki CM UJ
Adsorpcja (nie mylić z absorpcją!)
jest jednym z podstawowych zjawisk międzyfazowych.
Proces adsorpcji spotykany jest w wielu układach naturalnych,
biologicznych i chemicznych, jest także wykorzystywany
w laboratoriach naukowych i przemyśle.
Może zachodzić pomiędzy wszystkimi fazami.
43
Zakład Biofizyki CM UJ
44
Zakład Biofizyki CM UJ
45
Zakład Biofizyki CM UJ
Zjawiska na granicy faz odpowiedzialne
za oddziaływania na poziomie struktur
biologicznych
Lipidy i fosfolipidy
46
Zakład Biofizyki CM UJ
47
Zakład Biofizyki CM UJ
48
Zakład Biofizyki CM UJ
49
Zakład Biofizyki CM UJ
50
Zakład Biofizyki CM UJ
51
Zakład Biofizyki CM UJ
52
Zakład Biofizyki CM UJ