Тема №2. Архитектура современной вычислительной техникиДалее по средствам транспортирующих средств шихта поступает в трубчатую вращающуюся пыль для спекания. Примечание!!! Необходимо учитывать, что живой организм постоянно развивается и изменяется и поэтому в целом не является стационарной системой. НО существует допуск: в течение небольшого интервала времени состояние некоторых его участков принимается за стационарное. В отличие от термодинамического равновесия стационарное состояние характеризуется · постоянным притоком веществ в систему и удалением продуктов обмена; · постоянной затратой свободной энергии, которая поддерживает постоянство концентраций веществ в системе; · постоянством термодинамических параметров (включая внутреннюю энергию и энтропию). Система в стационарном состоянии может быть как закрытой так и открытой. Открытая система может существовать лишь за счет притока энергии извне и оттока энергии в окружающую среду. В биологических системах наиболее важными потоками являются потоки веществ и электрических зарядов. Потоки веществ в результате диффузии и электродиффузии. 1. Главной движущей силой при переносе частиц с помощью простой диффузии является градиент концентрации. Поток вещества в результате диффузии через мембрану клетки рассчитывается по закону Фика для пассивного переноса веществ через мембрану: Φ = –DK/l •(cвн-cвв) = –P(cвн-cвв), где Φ – поток; D – коэффициент диффузии; К – коэффициент распределения вещества между мембраной и окружающей водной фазой; l – толщина мембраны; cвв – концентрация частиц внутри клетки; свн – концентрация частиц снаружи клетки; P – коэффициент проницаемости. Если рассматривать диффузию с позиций превращения энергии, то расчет необходимо вести по следующему уравнению: Φ = – uc (dG/dx), где u = D/RT - коэффициент пропорциональности, который зависит от скорости диффузии молекул и называется подвижностью. Таким образом, поток пропорционален концентрации вещества и градиенту термодинамического потенциала в направлении тока. 2. Главной движущей силой при переносе заряженных частиц в отсутствии градиента концентрации является электрическое поле. В этом случае пользуются уравнением Теорелла: Φ = – cu • (dμ/dx), где μ – электрохимический потенциал. Итак, поток равен произведению концентрации носителя на его подвижность и на градиент его электрохимического потенциала. Знак «–«указывает на то, что поток направлен в сторону убывания μ. Кроме того, пользуются электродиффузионным уравнением Нернста – Планка: Φ = –uRT (dc/dx) –cuz• Fdφ/dx. Потоки и термодинамические силы, обуславливающие протекание жизненно важных процессов, приведены в таблице 3. Таблица 3. Сопряженные потоки и силы в неравновесной термодинамике
Термодинамика стационарного состояния. Открытые системы обладают специфическими особенностями: сопряжением потоков и возникновением стационарных состояний. Эти особенности открытых систем объясняет термодинамика линейных необратимых процессов. Она описывает одновременное протекание различных взаимосвязанных стационарных процессов. Теорию термодинамики линейных необратимых процессов сформулировал Онзагер. Экспериментальной основой этой теории являются феноменологические законы, которые устанавливают линейную зависимость между потоками и силами их вызывающими (см.табл.2). Допустим, что в системе имеются два потока – поток тепла (Φ1) и диффузионный поток массы (Φ2) и две обобщающие силы – разность температур X1 и разность концентраций X2. Согласно Онзагеру, в открытой системе каждый поток зависит от всех присутствующих сил, и наоборот, то есть Φ1 = L11X1 + L12X2 Φ2 = L21X1 + L22 X2, где L12 и др.- коэффициенты пропорциональности между потоком 1 и силой 2 и т.д. Эти уравнения называются феноменологическими уравнениями Онзагера. Они указывают на зависимость входных и выходных потоков, как от сопряженных, так и от несопряженных им сил. Как показал Онзагер, вблизи равновесия коэффициенты пропорциональности между потоками равны друг другу (L12 = L21). Иначе говоря, равное действие вызывает равную ответную реакцию. Например, тормозящее действие, которое оказывает движущийся растворитель на растворенное вещество, равно сопротивлению, которое растворенное вещество оказывает на растворитель. В природе существует ситуация, когда потоки, идущие с повышением энергии, самостоятельно идти не могут, но могут протекать при действии каких-либо сил. Это явление называется сопряжением потоков. Критерием возможности сопряжения потоков в системе является положительное значение диссипативной функции ψ = Τ/V•dS/dt ≥ 0, где Τ – абсолютная температура; dS/dt – скорость продукции энтропии; V – объем системы. Диссипативная функция является мерой рассеяния энергии системы в тепло. Она определяет скорость возрастания энтропии в системе, в которой протекают необратимые процессы. Чем выше величина диссипативной функции, тем быстрее энергия всех видов превращается в тепловую. Кроме этого диссипативная функция определяет возможность самопроизвольного протекания процесса: при ψ>0 процесс возможен, при ψ<0 – нет. Термодинамика показывает, что если система неравновесна, но близка к равновесию, то ψ может быть представлена суммой произведений обобщенных сил - Xi и обобщенных потоков - Φi, то есть суммой мощностей процессов ψ = ∑ΦiXi ≥0. Положительное значение диссипативной функции ψ означает, что в любом преобразователе энергии входная мощность должна превышать выходную. В большинстве биологических процессов происходит преобразование химической энергии в осмотическую, электрическую и механическую. Во всех этих процессах происходит диссипация части химической энергии в тепло. Для биологических процессов эффективность сопряжения составляет 80-90%, то есть всего 10-20% энергии переходит в тепло. Стационарное состояние открытой системы характеризуется теоремой Пригожина: в стационарном состоянии при фиксированных внешних параметрах скорость продукции энтропии в системе постоянна по времени и минимальна по величине. Если критерием эволюции системы в классической термодинамике является то, что энтропия для необратимых процессов в изолированной системестремится к максимальной величине (критерий Клаузиуса), то в открытой системепроизводство энтропиистремится к минимуму (критерий Пригожина). Критерий Пригожина (Δψ>0) - критерий устойчивости – при отклонении от устойчивого состояния Δψ<0. Это является доказательством того, что второй закон термодинамики выполняется в живой природе. Из теоремы Пригожина следует, что, если система выведена из стационарного состояния, то она будет изменяться до тех пор, пока удельная скорость продукции энтропии не примет наименьшего значения. То есть пока диссипативная функция не достигнет минимума. Пути преобразования энергии в живой клетке. Основные виды работы в живой клетке – электрическая и осмотическая – выполняются при непосредственном участии биологических мембран. Центральную роль в энергетике клетки играют процессы синтеза и распада АТФ. В клетке АТФ является аккумулятором химической энергии. Молекулярный механизм сопряжения реакций окисления и фосфорилирования был расшифрован Митчеллом в 1976 году. Автор разработал хемиосмотическую теорию окислительного фосфорилирования, основная идея которой проиллюстрирована схемой на рисунке 1. Рисунок 1. Схема процессов при хемиосмотическом сопряжении окисления и фосфорилирования.
А – донор электронов; В – акцептор электронов. Согласно этой схеме, донор водорода АН2 окисляется переносчиком электронов у внешней стороны «сопрягающей» мембраны (в митохондриях это внутренняя мембрана). При этом 2Н+ остаются по ту же сторону мембраны, где был АН2, а два электрона переносятся через мембрану по дыхательной цепи и передаются акцептору водорода В, то есть кислороду. Акцептор присоединяет два протона из внутренней фазы митохондриального матрикса, превращаясь в окончательный восстановленный продукт ВН2. Таким образом, перенос двух электронов по сопрягающему участку дыхательной цепи сопряжен с созданием градиента концентрации протонов – увеличением их концентрации с внешней и уменьшением – с внутренней стороны мембраны. Вторая часть теории Митчелла заключается в том, что в мембране существует асимметричная АТФ-аза, которая работает обратимо, то есть может быть и АТФ-синтетазой: АТФ + НОН Асимметричность в действии АТФ-азы заключается в том, что а) при гидролизе АТФ протон Н+ и гидроксил ОН- захватываются по разные стороны от мембраны; б) при синтезе АТФ вода диссоциирует на ОН-, который поступает в более закисленную от мембраны сторону, и Н+, который диффундирует в противоположную сторону. В целом процесс фосфорилирования АДФ осуществляется за счет изменения свободной энергии при нейтрализации иона ОН- в кислой среде, и иона Н+ в щелочной среде. С точки зрения преобразования энергии процесс окислительного фосфорилирования состоит из двух стадий: 1. Превращение химической энергии переноса электронов в энергию, связанную с разностью электрохимических потенциалов протонов в результате сопряжения переноса электрона по дыхательной цепи и переноса протона через мембрану. При этом: ΔμH+ = FΔφM + RT ln ([H+]1/[H+]2), где ΔμH+ - разность электрохимических потенциалов; ΔφM – разность электрических потенциалов между внешней и внутренней сторонами мембраны митохондрий; ([H+]1 и [H+]2 – концентрации протонов в окружающей среде и внутри митохондрий. 2. Превращение энергии, определяемой разностью электрических потенциалов, в химическую энергию макроэргической связи АТФ (сопряжение переноса 2Н+ и синтеза одной молекулы АТФ из АДФ и фосфата). Это условно можно изобразить в виде ΔμH+ → В настоящее время показано, что при наличии разности электрохимических потенциалов Н+ на сопрягающей мембране может совершаться не только химическая работа (синтез АТФ), но и осмотическая работа (при транспорте различных соединений через мембраны), механическая работа (движение жгутиков у бактерий), а также выделяться тепло (теплорегуляторное разобщение окислительного фосфолирилирования). Символически хемиосмотическая теория сопряжения процессов окисления (т.е. переноса электронов – e) и фосфорилирования (синтез макроэргов - 1. Если ΔμH+= 0, то при переносе электронов не происходит синтез АТФ. 2. При работе дыхательной цепи происходит генерация мембранного потенциала (е→ΔφM). 3. Создание достаточного по величине электрического потенциала на энергосопрягающей мембране со знаком «+» снаружи приведет к синтезу АТФ из АДФ и ортофосфата (ΔφM → 4. За счет мембранного потенциала можно остановить и даже «повернуть вспять» поток электронов в дыхательной цепи (ΔφM →e). 5. При гидролизе АТФ на сопрягающей мембране происходит генерация мембранного потенциала (
Тема №2. Архитектура современной вычислительной техники Цель: Дать основное представление о структуре и функциях аппаратной части персонального компьютера. Научить различать основные типы персональных компьютеров. Задачи обучения:Ознакомление с архитектурой современной вычислительной техники. Ознакомление c внутренними и внешними устройствами компьютеров, основными средствами хранения документов. Основные вопросы темы: 1. Представление информации в компьютере. 2. Булева алгебра и логические схемы компьютера. 3. Элементы организации основных блоков компьютера. 4. Архитектурная организация процессора. 5. Организация памяти компьютера. 6. Основные устройства, применяемые для долговременного хранения данных на ПК. 7. Логическая организация хранения данных на магнитных дисках. 8. Физическая организация хранения данных на магнитных дисках. 9. Состав ПК. Методы обучения и преподавания:семинар
|
(атф-аза) АДФ + Ф + 2Н+
.
ΔμH+ 
.
