Termodynamika v biochemii

Transkript

1 Termodynamika v biochemii Studium energetických změn Klasická x statistická Rovnovážná x nerovnovážná lineárn rní a nelineárn rní

2 Základní pojmy Makroskopický systém, okolí systému Termodynamický systém Otevřený / uzavřený / izolovaný systém Heterogenní a homogenní systém, fáze Stav termodynamického systému Stavové parametry: vnější / vnitřní, globální / lokální

3 Základní pojmy Stavové funkce, rovnice Termodynamické funkce Mikrostav / makrostav Stavový prostor Rovnovážný stav, lokální rovnováha, stacionární stav Relaxační doba

4 Termodynamické procesy změna termodynamického systému v čase, přechod z jednoho stavu do druhého vratný proces pokud systém prochází pouze rovnovážnými stavy kvazistatické procesy probíhají tak pomalu, že prakticky nenaruší stav systému, vratné

5 Termodynamické funkce a větyv U H S F G vnitřní energie enthalpie entropie Helmholtzova energie Gibbsova volná energie U U = Q + W H = U + pv ds dq/t F = U - TS G = H - TS I. věta termodynamická (Zákon zachování energie) Změna vnitřní energie uzavřeného systému je rovna energii, která prošla hranicí systému ve formě tepla nebo práce

6 Termodynamické funkce a větyv Entropie II. věta termodynamická dq ds T III.věta termodynamická lim = 0 0 T S Gibbsova energie Rovnováha a směřování systému

7 Živé systémy nerovnovážné systémy, vyskytující se převážně v lokálně rovnovážných stavech termodynamické procesy v nich probíhající jsou nevratné vnitřní struktura a regulace vedou k ustálení ve stacionárních nebo dynamicky stacionárních stavech

8 Lineárn rní nerovnovážná termodynamika lineární fenomenologické zákony J i = f k = 1 L ik X k zobecněné toky zobecněné síly fenomenologické koeficienty Příklady aplikace Přenos tepla vedením Fourierův zákon Fickův zákon difuze Ohmův zákon elektrické vodivosti j j j q D = L = L = qq DD e L ee T c ϕ e

9 Entropie v lineárn rní oblasti hustota produkce entropie σ = ( S ) 0 i J i X i = V i celková produkce entropie P( S ) 0 J i X i dir P ( S) = = σ ( S) dv dt V

10 Curieův Prigoginův princip pro izotropní termodynamický systém v lineární oblasti popsaný pomocí lineárních fenomenologických zákonů vzájemně se mohou ovlivňovat jenom procesy stejného tenzorového charakteru

11 Onsagerovy relace reciprocity pouze pro lineární oblast L ik = L ki výhoda snížení počtu koeficientů Minimáln lní produkce entropie v lineární oblasti Produkce entropie nabývá minimální hodnoty v tom stacionárním stavu, který je v souladu se zadanými hraničními podmínkami určenými charakterem úlohy. dσ 0 dt

12 Potenciál l na membráně nervové buňky Hodkinův-Huxleyův model membránového potenciálu FitzHughův-Nagumův model vzrušivé tkáně - obecnější

13 Oscilace v řetězových enzymových reakcích ch model glykolýzy v kvasinkách dvě vzájemně se ovlivňující buňky

14 Vliv podání substrátu tu na oscilace v glykolýze

15 Kontrakce a relaxace svalové buňky

16 Kardiovaskulárn rní systém

17 Termodynamika biologické evoluce náhodné seskupování velmi nepravděpodobné, vysoké množství různých typů molekul základ vzniku života autokatalýza a posléze zprostředkovaná autoreprodukce možnost vzniku špatných kopií i pro studium ontogeneze, morfogeneze a embryogeneze

18 Příště Bioenergetika. Kinetika.