Работа и энергия в живой клетке Юрий Андреевич

Работа и энергия в живой клетке Юрий Андреевич Владимиров © Факультет Фундаментальной Медицины МГУ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ © Факультет Фундаментальной Медицины МГУ

Системы и объекты Биологическая система Биологические объекты 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Совокупность живых организмов Отдельный живой организм Орган или ткань Совокупность клеток Отдельная клетка Части клетки, органеллы Ферменты и метаболиты, рецепторы и лиганды Открытая система Клетки Вещества Энергия Изолированная система Замкнутая система Вещества Энергия Пробирка © Факультет Фундаментальной Медицины МГУ Вещества Термос

В механике • РАБОТА СИЛЫ равна произведению вектора силы F, действующей на тело, на вектор перемещения s этого тела. A = Fs=Fs cosα Работа - скалярная величина, имеющая знак © Факультет Фундаментальной Медицины МГУ

Работа системы и работа над системой E = mhg F s Превращение энергии в работу над системой Система Рис. 1. Работа над системой Под действием приложенной силы происходит движение тела по плоскости. Произведение векторов перемещения и силы равно работе над системой. Положительна. © Факультет Фундаментальной Медицины МГУ s h m A = FS s Работа системы Система Рис. 2. Работа системы Составляющая силы тяжести перемещает тело по плоскости. Произведение векторов перемещения и силы равно работе системы. Отрицательна.

Наиболее важные величины Величина Обозначение Давление Объем Абсолютная температура Газовая постоянная Внутренняя энергия (p = const) Энтальпия (V = const) Свободная энергия Гиббса Свободная энергия Гельмгольца Энтропия Тепловая энергия p V T R E H = E + p. V G = F + p. V F S Q © Факультет Фундаментальной Медицины МГУ

Виды работы s π F s s F DV p A=Fs Механическая j 2 j 1 A=p. DV Расширение газа C Осмотическая C 1 C 2 A= - ze. D Электрическая © Факультет Фундаментальной Медицины МГУ Работа мембранных насосов

Виды работ, совершаемые организмом Химическая (синтез биополимеров) Осмотическая (транспорт веществ через мембрану) © Факультет Фундаментальной Медицины МГУ Электрическая (биоэлектрогенез) Механическая (мышечное сокращение)

ОСМОТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ И РАБОТА ОСМОТИЧЕСКИХ СИЛ © Факультет Фундаментальной Медицины МГУ

Осмос • Диффузия растворителя (воды) через полупроницаемую мембрану (клеточные мембраны хорошо проницаемы для воды за счет наличия аквапоринов). © Факультет Фундаментальной Медицины МГУ

Осмотическое давление 1 2 Универсальный газовый закон p. V=n. RT 2 Уравнение Вант-Гоффа 1 πV=n. RT π=(n/V)RT π=c. RT © Факультет Фундаментальной Медицины МГУ

π=c. RT • с – концентрация осмотически активных частиц (осмолярность), • Для 1 М раствора Na. Cl осмолярность будет равна 2 π=ic. RT Изотонический коэффициент Вант-Гоффа © Факультет Фундаментальной Медицины МГУ

Действие осмотического давления среды на живые клетки Гемолиз © Факультет Фундаментальной Медицины МГУ

Осмотическая работа по переносу ионов (молекул) через мембрану C 1 При переносе n молей иона через мембрану из области с концентрацией с1 в область с концентрацией с2 равна C 2 © Факультет Фундаментальной Медицины МГУ

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ РАБОТА © Факультет Фундаментальной Медицины МГУ

Перемещение заряда q = ze в электрическом поле c напряженностью E обусловлено действием на заряд силы F = ze. E. Перемещение заряда на расстояние dx в направлении, противоположном действующей на него силе, потребует совершения работы, равной Напряженность поля связана с градиентом потенциала в направлении поля (ось x) уравнением: Откуда Работа, затрачиваемая на перенос одного иона с зарядом ze из точки с потенциалом 1 в точку с потенциалом 2 равна: © Факультет Фундаментальной Медицины МГУ

Работа при переносе зарядов через мембрану j 2 j 1 A= ze. D Работа, необходимая для перемещения n молей ионов из области с потенциалом 1 в область с потенциалом 2, равна: где NA - число Авогадро, а F - число Фарадея (заряд в кулонах одного моля одновалентных ионов). © Факультет Фундаментальной Медицины МГУ

Виды работы в биологических системах Вид работы Основное уравнение Фактор интенсивности Фактор экстенсивности Механическая A = FDx=Fs F - сила Δx - перемещение Расширение газа (изотермическое и изобарическое) A = p. DV p - давление газа V - объём Осмотическая (изменение концентрации) A = πDV π - осмотическое V - объём давление Электрическая (перенос A = D q заряда) - потенциал q - заряд Химическая (химическая реакция) - химический потенциал n - количество вещества A = n. D © Факультет Фундаментальной Медицины МГУ

Электрохимический потенциал иона © Факультет Фундаментальной Медицины МГУ

Электрохимический потенциал • Общая энергия моля ионов в растворе называется электрохимическим потенциалом иона Химическая часть Осмотическая часть © Факультет Фундаментальной Медицины МГУ Электрическая часть

Физический смысл электрохимического потенциала • заключается в том, что его изменение равно работе, которую необходимо затратить, чтобы: • а) синтезировать 1 моль вещества (состояние 2) из исходных веществ (состояние 1) и поместить его в растворитель (химическая работа); • б) сконцентрировать раствор от концентрации с1 до с2 (осмотическая работа); • в) перенести ионы из области с потенциалом φ1 в область с потенциалом φ2 (электрическая работа). © Факультет Фундаментальной Медицины МГУ