О›у-Щдістемелік материалдар «Кіріспе. Биофизика пЩні жЩне оныЈ мЩселелері. Термодинамика» Биофизика пЩні жЩне оныЈ мЩселелері

Биофизика- ЩртЇрлі сатыда“ы биологиялы› жЇйелерде болып жат›ан

физикалы› жЩне химиялы› процестерді зерттейтін “ылым. БиофизиканыЈ зерттейтін объектісі биологиялы› материалдар, я“ни тірі организмдер. Олай болса физиканыЈ йлі таби“ат Їшін ашыл“ан заЈдарын йзгеріссіз тірі организмге ›олдану“а болмайды. ОныЈ себебі тірі организм – биологиялы› жЇйе, Їнемі динамикалы› ›оз“алыста болады жЩне гетерогендік Щртекті жЇйе болып саналады. БиофизиканыЈ “ылым болып ›алыптасуына физика, химия, физиология, математика, биохимия тЩрізді “ылымдардыЈ зор ы›палы тиді. Осы “ылымдардыЈ негізінде дЇниеге келген биофизиканыЈ йз заЈдылы›тары, йз Щдістері бар. БиофизиканыЈ мынадай салалары бар: 1) молекула биофизикасы, ол организмді тЇзетін биологиялы› молекулалардыЈ ›±рылысы мен физикалы› ›асиеттерін ›арастырады. Сол сия›ты биологиялы› процестердіЈ кинетикасы мен термодинамикасын ›арастырады; 2) клетка биофизикасы. Б±л сала клетканыЈ ультра›±рылысын, оныЈ физикалы› жЩне химиялы› ерекшеліктерін жЩне клетканыЈ йтімділігін, биологиялы› потенциалын ›арастырады; 3) кЇрделі жЇйе биофизикасы (немесе бас›ару жЩне реттеу процесініЈ биофизикасы). Сонымен ›атар, биофизика организмге деген физикалы› факторлар Щсерін, иондал“ан сЩуленіЈ биологиялы› Щсерін (рабиобиология), кйз оптикасын, ›оз“алыс, тыныс алу, иіс сезу, есіту, ›ан айналыс органдарыныЈ ж±мыс Щрекетін ›амтиды. Биофизика “ылым ретінде бЇгінгі кЇн кеЈ дами бастады.

2 ТермодинамиканыЈ негізгі тЇсініктері.

Термодинамика физиканыЈ материя ›оз“алысыныЈ жылулы› формасын жЩне сонымен байланысты физикалы› ›±былыстарды зерттейтін бйлімі. Термодинамикада“ы басты орында т±р“ан ол энергия мен ж±мыс арасында“ы ›атынас. Термодинамикалы› жЇйе деп йзара бір-бірімен жЩне бас›а денелермен зат, энергия алмаса алатын макроскопиялы› денелер жиынты“ын айтады. Егер осындай алмасулар жЇйеге енетін денелер арасында “ана болса, ондай жЇйе оЈашалан“ан жЇйе деп аталады. Егер жЇйе сырт›ы ортамен осындай алмасулар жасайтын болса, ондай жЇйе ашы› жЇйе деп аталады. Ал жЇйе йзін ›орша“ан ортамен тек ›ана энергия алмаса алатын болса, онда оны т±йы› жЇйе деп атайды. ЖЇйеніЈ кЇйі макроскопиялы› физикалы› шамалардыЈ йзгеруін кйрсететін параметрлермен беріледі. МаЈызды параметрлерге кйлем, температура, ›ысым, сонымен ›оса электрлік поляризация, магниттеліну жЩне т.б. жатады. ЖЇйеніЈ жалпылама кЇй теЈдеуі

КЇй теЈдеуіне мысал ретінде идеал газ“а арнал“ан Менделеев- Клапейрон теЈдеуін алу“а болады:

Тепе-теЈдік кЇй немесе термодинамикалы› тепе-теЈдік кЇйге дене жеткілікті уа›ыт йткеннен кейін йздігінен йзі келеді, егер жЇйе оЈашалан“ан болса. Тепе-теЈдік кЇйде барлы› ›айтымсыз процестер то›талады, жЇйе кЇйін сипаттайтын параметрлер уа›ыт›а байланысты йзгеріссіз ›алады. ЖЇйеніЈ бір кЇйден екінші кЇйге йтуі термодинамикалы› процесс деп аталады.

Біра› таби“атта“ы барлы› процестер ›айтымсыз процестер. ЭнергияныЈ біраз бйлігі жылу“а айналатын болса, ондай процесс ›айтымсыз, себебі жылу ›айтадан энергия“а айнала алмайды. Сонымен, кез келген процесс ›айтымды болу Їшін Їйкеліс болмауы керек, љайтымсыз процестер тек бір “ана ба“ытта жЇреді.

Ішкі энергия жЇйеге кіретін барлы› бйлшектердіЈ кинетикалы› жЩне потенциалы› энергияларыныЈ ›осындысы. Термодинамикада ішкі энергия ±“ымыныЈ йзі емес, оныЈ йзгерісі басты роль ат›арады.

Энтропия энергияныЈ ›айтымсыз шашырауыныЈ йлшем бірлігі жЩне термодинамикалы› жЇйе кЇйі функциясы болып табылады. Процестерді зерттеген кезде оныЈ йзгерісі ерекше ›ызы“ушылы› тудырады. Энтропия мына“ан теЈ

љайтымды процестер Їшін энтропия т±ра›ты, ал ›айтымсыз процестер Їшін йседі.

Сонымен,

Б±л Клуазиус теЈсіздігі. Энтропия жЇйедегі ретсіздік йлшемі болып табылады. Оны былайша да йрнектеуге болады:

М±нда“ы -Больцман т±ра›тысы, -жЇйе кЇйініЈ термодинамикалы› ы›тималдылы“ы. Б±л Больцман формуласы деп аталады. ЖЇйені макрокЇйге тЇсіру ›анша микро кЇйден йткенін кйрсететін санды жЇйе жЇйеніЈ термодинамикалы› ы›тималды“ы деп атайды.

Еркін энергия б±л жЇйеніЈ ішкі энергиясыныЈ бір бйлігі, осыныЈ есебінен жЇйе ›айтымды изотермиялы› процесте ж±мыс жасауы мЇмкін.

м±нда“ы шамасын кейде байланыс›ан энергия деп те атайды. Егер жЇйе тепе-теЈдік кЇйге жетсе, онда еркін энергия минимал, ал энтропия максимал болады. Термодинамикалы› тепе-теЈдік кЇйде барлы› макроскопиялы› процестер то›тайды да, жЇйедегі денелерге орта› температура орнайды.

ТермодинамиканыЈ бірінші заЈы энергияныЈ са›талу заЈы болып табылады. ЖЇйеге берілген жылу оныЈ ішкі энергиясын арттыру“а жЩне сырт›ы кЇштерге ›арсы ж±мыс істеуге кетеді:

Егер жЇйе бернеше кЇйлерде бола отырып, йзініЈ ал“аш›ы кЇйіне ›айтып келсе, онда ішкі энергия нолге теЈ

Сонымен жЇйе о“ан берілген жылу мйлшері есебінен “ана ж±мыс жасай алады.

ТермодинамиканыЈ бірінші заЈы таби“атта болып жат›ан процестердіЈ ба“ыты жйнінде еш›андай ма“л±мат бермейді. ТермодинамиканыЈ екінші заЈы ймірде болатын процестердіЈ ба“ыты жйнінде ма“л±мат береді. Аны›тамалары:

«Жылу еш›ашан да суы› денеден ысты› денеге берілмейді».

«МЩЈгі двигательдіЈ екінші тЇрін жасау мЇмкін емес».

Термодинамика заЈдарын тірі таби“ат›а да ›олдану“а болады. Организмге келіп тЇскен тама›тан пайда болатын энергияныЈ мйлшері организм ж±мыс істегенде кететін энергияныЈ мйлшеріне теЈ екені аны›талды. Шамамен ал“анда берілген энергия (7854 кДж) денеден бйлінген энегия“а (7771 кДж) теЈ екен. Олай болса организм энергияныЈ жаЈа кйзі болып саналмайды екен. Осыдан келіп, термодинамиканыЈ бірінші бастамасы биологиялы› жЇйелерге де жарай береді деген ›орытынды“а келеміз. Жан-жануарлардыЈ организмінен бйлініп шы››ан энергия оны ›орша“ан орта“а таралып кетеді.

Жан-жануар организміне тЇскен тама›тыЈ кЇрделі биохимиялы› реакция“а тЇсетіні мЩлім. СоныЈ нЩтижесінде ол тама› Щсерінен ›анша энергия бйлініп шы“атынын ›алай табу“а болады дегне заЈда с±ра› туады. Б±л с±ра››а 1836 жылы ашыл“ан Гесс заЈы жауап береді.

Кйптеген сатылардан йтіп келген химиялы› реакцияныЈ жылулы› эффектісі реакцияныЈ жЇріп йткен жолына байланысты болмайды, ол тек ›ана химиялы› жЇйеніЈ бастап›ы кЇйдегі энергиясы мен соЈ“ы кЇйдегі энергиясыныЈ айырмасына байланысты болады:

М±нда“ы - реакцияныЈ бастап›ы энергиясы

Ол Їшін тама›ты йртейді. Ол ›±ралды калориметриялы› бомба деп атайды. Сонда бйлініп шы››ан жылуды йлшеп алады. Ал осы тама›ты адам жесе, онда тама› организмде биохимиялы› реакция“а тЇсіп, жылу бйліп шы“арады. Гесс заЈы бойынша осы екі жылу біріне-бірі теЈ болу“а тиіс.

Химиялы› энергия механикалы› энергия“аБ±лшы› еттердеХимиялы› энергия электр энергиясынаБарлы› клеткалардаХимиялы› энергия жары› энергиясынаБалы›тар мен жЩндіктердіЈ сЩуле шы“аратын еттеріЖары› энергиясы химиялы› энергия“аКйз ›арашы“ы фоторецепторлары, тері клеткалары, бактериялар, йсімдіктер жапыра›тарыАкустикалы› тол›ындардыЈ механикалы› энергиясыныЈ электр энергиясынаІшкі ›±ра›та“ы Корти органындаБарлы› энергия тЇрлерініЈ жылу энергиясынаБарлы› клеткалар мен еттердеизін-йзі тексеру с±ра›тары.

1. 
   Биофизика пЩні, оныЈ ма›саты?
   
2. 
   Термодинамикалы› жЇйе дегеніміз не?
   
3. 
   ТермодинамиканыЈ бірінші бастамасы?
   
4. 
   ТермодинамиканыЈ екінші бастамасы?
   
5. 
   Гесс заЈы?
   
6. 
   Айналмалы ›оз“алыс кезіндегі жылдамды› пен ЇдеудіЈ формулалары.
   

Термодинамика заЈдарын биологиялы› жЇйелерге ›олдан“анда тірі организмніЈ ерекшеліктеріне аса кйЈіл бйлу керек: 1) заттар мен энергия а“ынына биологиялы› жЇйелер ашы›; 2)Тірі жЇйелердегі процесстер ›айтымсыз; 3) тірі жЇйелер тепе-теЈдіктен алыс; 4) биологиялы› жЇйелер гетерофазалы, ›±рылымды› жЩне жеке фазалары азда“ан молекулалар санынан т±руы мЇмкін. Биологиялы› жЇйелер ›асиеттерін на›ты тЇрде сипаттау Їшін ›айтымсыз процестер термодинамикасы теориясы ›олданылады. ОныЈ негізіг салушылар Л.Онгазер мен И. Пригожин. ПроцестіЈ уа›ыт›а тЩуелділігіне мысал ретінде: иондарыныЈ концентрациясы клетканыЈ ішіне ›ара“анда сыртында кйп. Біра› концентрациясы градиенті мен потенциалодар айырмасыныЈ болуы индарыныЈ ішке еніп кетуіне Щкеледі, сонды›тан концентрациясы т±ра›ты болып ›алады.

Стационарлы› кЇй сипаттамалары:

ЖЇйеге енген зат мен одан бйлініп шы››ан заттыЈ т±ра›тылы“ы;

Еркін энергия шы“ыныныЈ т±ра›тылы“ы, олар жЇйедегі заттар концентрациясын т±ра›ты етіп ±стап т±рады.

Стационар кЇйдегі термодинамикалы› параметрлердіЈ т±ра›тылы“ы.

Ашы› жЇйе стационар кЇйде зат мен электр зарядтары а“ыны есебінен “ана ймір сЇре алады.

Сызы›ты тепе-теЈ емес термодинамика негізін ›ала“ан Л.Онзагер мен И.Пригожин болды. Ол тепе-теЈ кЇйге жа›ын процестерді ›арастырады, процестерден пайда бол“ан жылдамды›тар мен кЇштердіЈ арасында сызы›ты› байланыстар бол“ан кездегі.

Биологиялы› жЇйелер градиент саныныЈ арты›ты“ымен сипатталады (осмосты›, электрлік, концентрлік жЩне т.б.

љандай да бір термодинамикалы› параметрдіЈ градинті ара ›ашы›ты››а байланысты йзгереді.

Биологиялы› жЇйе оныЈ градиенті болса, онда оныЈ ж±мыс істей алу мЇмкіндігі бар. Градиентті энергия ›оймасы деп айту“а болады.

Еркін энергия

• 
  
  жүктеу/скачать 2.41 Mb.
  
  Достарыңызбен бөлісу: