Научная литература
booksshare.net -> Добавить материал -> Биология -> Владимиров Ю.А. -> "Биофизика " -> 5

Биофизика - Владимиров Ю.А.

Владимиров Ю.А., Рощупкин Д.И., Потапенко А.Я., Деев А.И. Биофизика — Медицина, 1983. — 273 c.
Скачать (прямая ссылка): biofizika1983.djv
Предыдущая << 1 .. 2 3 4 < 5 > 6 7 8 9 10 11 .. 95 >> Следующая

AV - изме-нение объема. Между изменением свободной энергии AG |7й
Изменением энтальпии АН при постоянном давлении и I, температуре
существует соотношение, вытекающее из перового и второго законов
термодинамики:
AG = АН - TAS. (1.2)
В физико-химических системах изменение свободной энергии обычно описывают
через изменение электрохими-Щ ческого потенциала (J-:
2$?. AG = m - Ajj. , (1.3)
(c) где т - количество вещества (моли) в системе. Изменение
'Шр электрохимического потенциала при переходе системы из Ш состояния 1 в
2 определяется изменением химической, ос-мотической и электрической
энергий (см. табл. 1):
fA? = Ног - Hoi + RT (сг/с1) + zF (<ps - <pi) ¦ (1-4)
% Физический смысл электрохимического потенциала за-
-Ж" ключается в том, что его изменение равно работе, которую необходимо
затратить, чтобы:
а) синтезировать 1 моль вещества (состояние 2) из ис-} ходных веществ
(состояние 1) и поместить его в раствори-fl" тель (слагаемое р02 - p0i).
б) сконцентрировать раствор от концентрации сх до са f (слагаемое
RT\n{cJc^),
• в) преодолеть силы электрического отталкивания, возникающие при наличии
разности потенциалов (<р2 - фх) между растворами [слагаемое zF(ср2 -
фг)].
13
Заметим, что эти слагаемые могут быть как положительными, так и
отрицательными.
Рассмотрим в качестве примера, как изменяется величина электрохимического
потенциала при переносе ионов Na через мембрану нервной клетки. Этот
процесс совершается ферментом Na+, К+-АТФ-азой и обеспечивается энергией
гидролиза АТФ. Ион натрия при этом переносится из клетки наружу.
Концентрация Na+ внутри клеток (сх) равна 0,015 моль/л, а снаружи (сг) -
0,15 моль/л. Осмотическая работа на каждый моль перенесенного иона равна
при 37е С RT\n (0,15/0,015) =5,9 кДж/моль.
Внутри клетки электрический потенциал составляет Ф1 = -60 мВ, если
принять наружный потенциал фг = 0. Электрическая работа составляет: zFАф
= 9,65 X
X 104 Кл/моль • 60 • 10_3 В = 5,8 кДж/моль.
Так как с Na+ при его переносе через мембрану в конечном счете не
происходит никаких химических превращений и он оказывается примерно в
таком же водном окружении, что и раньше, то Ар0 =0. Отсюда по уравнению
(1.4) находим Ар = 0 + 5,9 + 5,8 =11,7 кДж/моль.
1.4. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ И УСЛОВИЕ РАВНОВЕСИЯ
Второй закон термодинамики гласит, что в изолированной системе не может
увеличиваться свободная энергия. Иначе говоря, в системе, где АН - 0 (см.
уравнение (1.2)1, AG - - TAS с 0. Пока энергетические превращения в дан-'
ной системе сопровождаются переходами разных видов энергии друг в друга
без их перехода в тепло, AG - 0, все эти процессы обратимы. Как только
часть энергии превратится в тепловую, процесс становится необратимым в
той степени, в которой произошел этот переход. Понятие обратимости
процесса тесно связано с понятием динамического равновесия. Равновесие -
это такое состояние системы, при котором каждая частица может переходить
из некоторого состояния 1 в некоторое состояние 2 и обратно, но в целом
доля состояний 1 и состояний 2 в системе не изменяется. В физико-
химических (а следовательно, биологических) системах равновесны процессы,
при которых Ар = AG/m =0, т. е.
Ио2 - Hoi + RT Info/Cl) + zF {<?>3 - Фг) =0- (1.5)
14
f
В равновесии могут находиться субстраты (А) и продукты (В) биохимической
реакции (А В) или ионы по две стороны мембраны.
Остановимся на приложениях уравнения (1.5):
1) Уравнение константы химического равновесия. При Ш чисто химической
реакции фа = фт, и в состоянии равно-& весия
Sfc - In ([В)/[Л]) =^ов - н0д. или Д(Х0 = - RTiaK, (1.6)
? где К - константа химического равновесия: роА, ров - V . химические
потенциалы состояний А и В.
2) Уравнение равновесного мембранного потенциала (уравнение Нернста).
Если клеточная мембрана прони-
*¦% цаема для какого-либо одного иона (обычно она хорошо ж проницаема для
К+, иногда для С1~), то на мембране ус-щ танавливается равновесный так
называемый нернстовский ж потенциал фм, определяемый как разность (фа -
фт). В ¦Ш водной среде по обе стороны мембраны для иона р01 = Щ = Рог и в
равновесии:
- RT , с,
<РМ = - <Pi = 1п ~ " (1*7)
где С1(фт), сг(фг) - концентрации К+ (электрические потенциалы) снаружи и
внутри клетки соответственно. При , 310 К (37е С) получаем приблизительно
фм = 60 X X lg(ci/ca) мВ. В дальнейшем нам часто придется встре-чаться о
выражением qmzF/RТ\ назовем его безразмерным ще потенциалом:
>'"ч
$-¦ Фм = 9мгFIRT = y^ze/kT, (1.8)
¦$
if. Теперь уравнение Нернста (1.7) можно записать в более
компактной форме:
Фм = 4'2 - Ф| = 1п -" • 1(1*9)
Тм
3) Распределение Больцмана. Если в молекуле существуют два энергетических
электронных уровня с энергиями Ех и Е2, то можно найти заселенность этих
уровней электронами в состоянии равновесия. Как и в предыдущем случае,
считая Ар0 = 0, получаем уравнение, аналогичное (1.7). Из электростатики
известно, что энергия заряженной частицы в электрическом поле (в данном
случае в собственном внутреннем поле молекулы) Е = zFq>N
Предыдущая << 1 .. 2 3 4 < 5 > 6 7 8 9 10 11 .. 95 >> Следующая

Реклама

c1c0fc952cf0704ad12d6af2ad3bf47e03017fed

Есть, чем поделиться? Отправьте
материал
нам
Авторские права © 2009 BooksShare.
Все права защищены.
Rambler's Top100

c1c0fc952cf0704ad12d6af2ad3bf47e03017fed