Основные особенности кинетики биологических процессов. Описание динамики биологических процессов на языке химической кинетики.
Кинетика биологических процессов - изучает поведение во времени самых разнообразных процессов, присущих различным условиям живой материи биохимические превращения в клетке, генерацию электрического потенциала на биологических мембранах, биологические ритмы, процессы накопления биомассы или размножения вида, взаимодействия популяций живых организмов в биоценозах. химическая кинетика —учение о скоростях и механизмах химических реакций, основанное на законе действующих масс. центральным объектом кинетического изучения является движение биологического вещества. Временное описание этого процесса—важнейшая сторона биологической кинетики. Не менее существенной частью является пространственная организация живой материи в открытых биологических системах. На передний план выдвигается поведение системы в целом. При описании любого явления переноса обобщенными координатами (xi) скорость процесса выражают в виде производной соответствующей обобщенной координаты по времени (dxi/dt) Во многих случаях скорости процессов прямо пропорциональны соответствующим обобщенным силам (Xi), характеризующим причины возникновения соответствующего процесса: dxi/dt=Ai · Xi Э то уравнение показывает многие процессы: диффузия, перенос заряда, биоперенос, теплоперенос. В процессе теплопроводности dQ/dt=AQgradТ, где AQ = К·s, К—коэффициент теплопроводности, s — площадь, через которую переносится тепло. Скорость химической реакции, dν /dt=Aμ·μx, где Aμ - Коэффициент хим.сродства Движении электрических зарядов dq/dt = Aэ·gradU= Aэ·E, где Aэ = σ ·s. Диффузия dm/dt=-D·s·(C1-C2)/l, где D — коэффициент диффузии. Или dm/dt=AD·gradC – уравнение Фика. В частности, между разными одновременно текущими процессами происходит обмен энергией. Такие процессы принято называть термодинамически сопряженными. В результате сопряжения скорость каждого процесса будет зависеть не только от «своей» обобщенной силы, но и от всех обобщенных сил, действующих в системе. уравнения переноса записываются в такой форме: dx 1/ dt = A 11· X 1+ A 12· X 2+…+ A 1 n · Xn , dx 2/ dt = A 21· X 1+ A 22· X 2+…+ A 2 n · Xn , dxn / dt = An 1· X 1+ An 2· X 2+…+ Ann · Xn. Транспорт веществ через клеточные мембраны также осуществляется благодаря термодинамическому сопряжению разнообразных процессов dm/dt = A 11×grad C + A 12×grad U + A 13×mx; dq/dt = A 21×grad C + A 22×grad U + A 23×mx; dn/dt = A 31×grad C + A 32×grad U + A 33×mx.Величины коэффициентов Aik можно определить расчетным путем или экспериментально. 3. Термодинамические системы. Классификация термодинамических систем.Состояние системы. Стационарные состояния биологических систем. Первый закон ермодинамики. ТДС - система,под которой понимают совокупность материальных объектов (тел), отграниченную в той или иной степени от окружающей среды. Различают изолированные системы, не обменивающиеся энергией и веществом с этой средой, открытые системы, в которых такой обмен происходит. Закрытая система – не обменивается веществом с ОС, но обменивается энергией. Состояния системы: Равновесное – это такое состояние системы, которое при постоянных внешних условиях характеризуется неизменностью параметров во времени и отсутствие в системе потоков. т.е. процесс, идущий с нулевой скоростью без заметного отклонения от равновесия, т.е. обратимо. Неравновесное – наоборот. Стационарным называется такое состояние открытой системы, при котором основные макроскопические параметры системы остаются постоянными. Термодинамическим критерием (условием) стационарного состояния является равенство между продукцией энтропии организмом и потоком энтропии из него в окружающую среду: ( diS/dt )=-( deS/dt ), а полное изменение энтропии равно нулю: dS/dt =0. В обычных условиях жизни организм поддерживает стационарное состояние, которое характеризуется не отсутствием процессов, а таким их течением (обычно весьма активным и напряженным), при котором они сбалансированы настолько, что основные параметры системы сохраняются неизменными, создавая внешнее впечатление «покоя». Первый закон термодинамики: Оно было сформулировано независимо друг от друга Ю. Р. Майером (1842), Д. П. Джоулем (1843) и Г. Л. Гельмгольцем (1847). Смысл первого начала термодинамики сводится к тому, что изменение внутренней энергии системы может произойти только при обмене энергией с окружающей средой. Энергетический обмен между системой и средой осуществляется двумя способами – посредством передачи тепла и путем совершения работы: Δ U=Q – A или Q= Δ U+A.(*) - Эта формула и выражает первое начало термодинамики. Механическая работа вычисляется по формуле dA=f·dl. это лишь частный случай. Формы совершения работы могут быть весьма разнообразными: dA = p·dV – работа расширения газа; dA = U·dq – работа переноса заряда при разности потенциалов U; dА = p осм ·dm / ρ – работа переноса вещества за счет осмотического давления; dA = μx·dν; – работа, совершаемая при химической реакции Можно привести и другие аналогичные формулы. Все они имеют сходную структуру, так как отображают одно и то же – перемещение (перенос) какого-либо объекта под действием определенной причины (силы). Поэтому в общем виде можно написать dA=X·dx или A=∫X·dx, Если одновременно на систему действует несколько обобщенных сил (то есть процессы переноса ее компонентов происходят под влиянием нескольких причин), то формула примет вид
Используя принятые обозначения, формулу (*) можно записать в виде
то есть количество тепла, полученное системой, определяется изменением внутренней энергии системы, а также суммой всех видов работы, совершенных системой. Эту формулу можно считать наиболее общим выражением первого начала термодинамики. Если обобщенные силы постоянны, то формула упрощается:
4. Стационарное состояние биологических систем. Организм как открытая термодинамическая система. Общие критерии устойчивости стационарных состояний. Стационарное состояние и условие минимума прироста энтропии.Уравнение Пригожина. СТАЦИОНАРНОЕ СОСТОЯНИЕ БИОСИСТЕМ Особенностью биосистем является то, что они не просто открытые системы, но системы, находящиеся в стационарном состоянии. При стационарном состоянии приток и отток энтропии происходят с постоянной скоростью, поэтому общая энтропия системы не меняется во времени (dS / dt = 0). Благодаря стационарному состоянию за счет непрерывного обмена энергией с внешней средой биосистемы не только находятся на удалении от термодинамического равновесия (низший возможный энергетический уровень, на котором энтропия системы максимальна) и сохраняют свою работоспособность, но и поддерживают во времени постоянство своих параметров. Немаловажно и то, что в стационарном состоянии биосистемы обладают способностью к авторегуляции. Другой интересной особенностью стационарного состояния является определенная степень его устойчивости. Если стационарное состояние достаточно устойчиво, то после не очень сильного отклонения от него, вызванного каким-либо возмущающим воздействием, система может вновь вернуться в исходное положение. Типичный пример такой устойчивости - содержание глюкозы в крови человека. Как известно, оно достаточно постоянно, но это постоянство поддерживается за счет непрерывного притока и оттока глюкозы. Если ввести в кровь какое-то количество этого углевода, то его содержание увеличится. Однако через некоторое время содержание глюкозы в крови вернется к исходному уровню.. И. Пригожин. Если обозначить dS / dt - скорость изменения энтропии открытой системы, diS / dt - скорость образования энтропии в системе за счет внутренних необратимых процессов, deS / dt - скорость обмена энтропией с внешней средой, то уравнение Пригожина имеет вид
причем член diS / dt, по определению, всегда положителен, а член deS / dt может быть как положительным, так и отрицательным Стационарным называется такое состояние открытой системы, при котором основные макроскопические параметры системы остаются постоянными. В состоянии равновесия в системе прекращаются все процессы, кроме теплового движения молекул; соответственно, выравниваются все градиенты. В стационарном состоянии идут химические реакции, диффузия, перенос ионов и другие процессы, но они так сбалансированы, что состояние системы в целом не изменяется. В стационарном состоянии существуют градиенты между отдельными частями системы, но они сохраняют постоянные значения. Это возможно только при условии, что система из окружающей среды получает вещество и свободную энергию, а отдает продукты реакций и выделяющееся тепло. Термодинамическим критерием (условием) стационарного состояния является равенство между продукцией энтропии организмом и потоком энтропии из него в окружающую среду: ( diS/dt )=-( deS/dt ), а полное изменение энтропии равно нулю: dS/dt =0 Понятно, что термодинамическому равновесию свойственно отсутствие потока веществ между системой и средой, тогда как стационарное состояние открытой системы поддерживается благодаря обмену веществом и энергией со средой. Именно в окружающей среде открытая система черпает свободную энергию, необходимую для поддержания стационарного состояния. Для сохранения термодинамического равновесия затрачивать свободную энергию не нужно. В биологической системе термодинамическое равновесие устанавливается только при наступлении смерти. В обычных условиях жизни организм поддерживает стационарное состояние, которое характеризуется не отсутствием процессов, а таким их течением (обычно весьма активным и напряженным), при котором они сбалансированы настолько, что основные параметры системы сохраняются неизменными, создавая внешнее впечатление «покоя».
|
или 
или 
