Слайд 2
Человек как термодинамическая система. Особенности живых организмов как
термодинамических систем. Принцип Пригожина
План
Применение основных понятий химической термодинамики в
биохимии
Катализ в живых организмах. Ферменты как катализаторы биохимических процессов. Особенности кинетики ферментативных реакций
Поверхностные явления. Основы хроматографии и ее применение в медико-биологических исследованиях
Слайд 3
Химия – фундаментальная наука и необходимый инструмент исследования
и познания процессов в различных системах, в том числе
в живых организмах.
Явления жизнедеятельности организма, как больного, так и здорового, можно понять лишь рассматривая и оценивая происходящие в нем химические процессы,
а излечения можно достичь с помощью химических средств
Парацельс
Слайд 4
Процессы обмена веществ и энергии – самые характерные
признаки жизни.
В живых организмах энергия химических реакций превращается в
другие формы энергии
Механическую (механическое сокращение мышц)
Электрическую (изменение потенциалов на клеточных мембранах нервных клеток)
Тепловую (поддержание теплового баланса организма и т д)
Вся деятельность человека основывается на потреблении энергии. Без энергии сложно представить себе активность организма, функционирование всех благ для людей. Она важна как внутри человека, так и для его внешнего существования.
Слайд 5
Термодинамической системой называется тело или совокупность взаимодействующих тел
природы, отделенный от других объектов природы реальной или воображаемой
границей раздела.
Химическая термодинамика - изучает основные закономерности превращений химической энергии в другие виды энергии.
Слайд 6
Системы гомогенные (воздух)
Системы гетерогенные (кровь)
Основные понятия термодинамики
Слайд 7
При отсутствии массо- и теплообмена
с внешней средой
говорят об
изолированной системе (Δm = 0, ΔU =
0).
Если система обменивается с окружающей средой
массой и теплом, она называется открытой.
Если система обменивается с окружающей средой
энергией (но не массой!), она называется закрытой.
Слайд 8
Состояние системы:
Равновесное – характеризуется постоянством всех свойств во
времени за счет отсутствия потоков вещества и энергии в
системе
Стационарное - характеризуется постоянством всех свойств во времени за счет непрерывного обмена веществом и энергией между системой и окружающей средой
Переходное – изменение свойств системы во времени
Слайд 9
С точки зрения термодинамики, живой организм :
открытая гетерогенная
термодинамическая система, находящейся в стационарном состоянии.
Для живого организма
характерно:
постоянство параметров системы;
неизменность во времени скоростей притока и удаления веществ и энергии.
Слайд 10
Внутренняя энергия системы (U) – полный запас энергии
термодинамической системы, включающей в себя все виды движений и
взаимодействий составляющих ее частиц
Процесс – переход системы из одного состояния в другое, сопровождающийся необратимым или обратимым изменением хотя бы одного параметра, характеризующего данную систему
Биохимические реакции
р, Т = const
Классификация процессов:
Изотермический (Т = const, ΔT = 0)
Изобарический (р = const, Δр = 0)
Изохорический (V = const, ΔV =0)
Слайд 11
→ СО2 +Н2О +азотистые продукты
+ энергия
Белки
Жиры
Углеводы
+ О2
25% на совершение работы (А)
75% рассеивание в окр.среду в виде теплоты (Q)
Слайд 12
Первое начало термодинамики – закон сохранения и превращения
энергии
Q = ΔU + A
Термохимия
Раздел - химической термодинамики, изучающий тепловые
эффекты химических реакций и фазовых превращений ,называется термохимией.
Слайд 13
Энтальпия (Н) –это функция состояния термодинамической системы, характеризующая
суммарное энергосодержание системы в изобарно-изотермических условиях
ΔH = ΔU
+ pΔV
Слайд 14
Химическое уравнение реакции:
2Н2 + О2 = 2Н2О
Термохимическое уравнение
реакции:
Н2(г) + 1/2О2(г) = Н2О(г); ΔНоf(Н2О) =
- 241,8 кДж/моль
Особенности термохимических уравнений:
указывается агрегатное состояние веществ (г, ж, к);
указывается знак и значение ΔНо или Q;
Н2(г) + 1/2О2(г) = Н2О(ж); ΔНоf(Н2О) = - 285,3 кДж/моль
возможны дробные коэффициенты.
Термохимические уравнения
Слайд 17
Закон Гесса.
1840 г. Г.И. Гесс
Тепловой эффект химической реакции
(энтальпия реакции) не зависит от пути её протекания, а
определяется только начальным и конечным состоянием исходных веществ и продуктов реакции.
Слайд 19
С6Н12О6(тв) + 6 О2(г) →6 СО2(г) +
6 Н2О(ж); ∆Н =?
∆Нор-ции= (6∆НообрСО2 + 6∆НообрН2О) – (∆НообрС6Н12О6
+ 6НообрО2)
1. ∆Нореакции = ∑∆Нообр.прод.-∑∆Нообр.исх.в-в.
∆Нореакции = – 2800 кДж
Следствия из закона Гесса
Стандартная энтальпия образования вещества (∆Нообр.) –
функция состояния, характеризующая меру неупорядоченности системы, неоднородности расположения и
движения ее частиц
Слайд 21
Закономерности изменения энтропии
Энтропия возрастает при переходе вещества из
твёрдого состояния в жидкое и далее в газообразное.
Энтропия
тем больше, чем сложнее химический состав вещества.
Энтропия уменьшается с увеличением твердости вещества.
Слайд 22
Второй закон термодинамики
В изолированных системах самопроизвольно протекают только
такие процессы, которые сопровождаются возрастанием энтропии: ∆S>0.
Для изолированной системы:
∆H=0
движущая сила процесса- рост энтропии:
ΔS > 0 процесс протекает самопроизвольно;
ΔS < 0 процесс не протекает самопроизвольно
ΔS = 0 – самопроизвольное протекание процесса возможно только при убыли энтальпии ∆H<0
Слайд 23
В каком направлении должна самопроизвольно протекать химическая реакция?
Самопроизвольный
процесс- это термодинамический процесс, который осуществляется без каких-либо внешних
воздействий
Слайд 24
Объединенное уравнение первого и второго законов термодинамики.
I. Q
= ∆U + А
II. ∆S =
Q =
T·∆S
T·∆S = ∆U + А
Слайд 25
Дж. Гиббс
(1839-1903)
В качестве критерия
самопроизвольности процессов
целесообразно ввести
новую
функцию состояния,
которая учитывает влияние
обоих факторов.
ΔG
= ΔH - TΔS
Свободная энергия Гиббса (G) функция состояния термодинамической системы, равная по абсолютной величине и обратная по знаку максимальной полезной работе, которую система может совершить в данном процессе
ΔG = -Amax
Свободная энергия Гиббса
Слайд 26
Критерий возможности самопроизвольного протекания процесса:
Процесс идет самопроизвольно
dG
(dH0)
Процесс не идет самопроизвольно dG>0 (dH>0, dS
состоянии равновесия
dG=0
Биохимические процессы
Экзэргонические ΔG < 0
Эндэргонические ΔG > 0
Слайд 27
Живая клетка
Нуждается в энергии для своего существования
Получает энергию
за счет окисления продуктов питания или использует солнечную энергию
Полученную
энергию переводит в химическую за счет синтеза АТФ
АТФ выполняет функцию аккумулятора энергии
Слайд 28
Макроэргическая связь
ΔG0реакции = -30,5 кДж/моль
ΔG0реакции = -61,0 кДж/моль
Слайд 29
Принцип И. Пригожина:
в открытой системе в
стационарном состоянии скорость производства энтропии, обусловленного протеканием в ней
необратимых процессов, принимает минимальное положительное значение для данных условий
∆Si/∆z→0
Энтропия – мера рассеяния энергии
При стационарном состоянии рассеяние энергии
Гиббса – минимально !
Слайд 30
Принцип энергетического сопряжения:
АТФ + Н2О → АДФ +
H3PO4 (а)
Глюкоза + фруктоза → сахароза + Н2О (б)
ΔG°р-ции
(a)= -30,5 кДж/моль
ΔG°р-ции (б)= +20,9 кДж/моль
ΣΔG сопряж.реакций < 0
Необходимое условие:
наличие общего промежуточного соединения
Глюкозо-1-фосфат
Слайд 31
Кинетика – наука о механизмах,
скоростях химических реакций
и факторах, влияющих на скорость реакций
Химическая кинетика
Исходные вещества
Продукты
реакции
Слайд 32
Скорость химической реакции
Скорость реакции определяется изменением концентрации одного
из реагирующих веществ или одного из продуктов реакции в
единицу времени.
моль/л⋅сек
Слайд 33
Простые(одностадийные) реакции
Мономолекулярные
А продукты
I2
2I
Тримолекулярные
2NO(г) + H2(г)
N2O(г) + H2O(г)
Бимолекулярные
А + В продукты
NO(г) + O3(г) NO2(г) + O2(г)
Слайд 34
Факторы, влияющие
на скорость реакции
Природа реагирующих веществ
Концентрация
Температура
Катализаторы
Слайд 35
Природа реагирующих веществ
(молекулы, ионы, атомы, радикалы)
Н2 + I2
2НI (медленно)
Н+ +
ОН– Н2О (мгновенно)
О2 + О О3 (очень быстро)
Н• + Cl• HCl (очень быстро)
Факторы, влияющие на скорость реакции
Слайд 36
Концентрация:
С повышением концентрации реагирующих веществ увеличивается скорость
реакции.
Скорость химической реакции (υх.р.) прямо пропорциональна
произведению концентраций реагирующих
веществ,
взятых в степенях, равных их коэффициентам в уравнении реакции.
Влияние концентрации на
скорость реакции
Закон действующих масс
aA + bB + → сС + dD
Слайд 37
Закон действующих масс
n = a + b +
d - общий порядок реакций
aA + bB + dD
→
Слайд 38
Уравнение Вант-Гоффа
При увеличении температуры на 100
скорость реакции возрастает
в 2- 4 раза
Для биореакций может не выполняться
γ =
7 - 9
Влияние температуры
!
Слайд 39
КАТАЛИЗ
Положительный Отрицательный
Основные принципы катализа
Каt ускоряет только ТД возможные реакции
Снижение
Еа υ↑
3. Каt, как правило, значительно меньше, чем реагентов
4. Действие Каt можно усилить (промоторы) или ослабить(каталитич. яды)
Слайд 40
Ферментативный катализ
Соблюдаются общие принципы катализа!
Особенности ферментов
как катализаторов
очень
высокая каталитическая активность
высокая специфичность действия
высокая чувствительность к изменениям рН
среды и температуры
возможность инактивации фермента
Слайд 41
Условия проявления ферментами
каталитической активности
невысокие температуры;
узкий интервал
значений рН, (обычно близкий к нейтральному);
постоянное давление.
Слайд 42
Схема
ферментативной реакции
Е + S ↔ ЕS
→ Р + Е
Слайд 44
Смещение химического равновесия
Слайд 45
Принцип адаптивных перестроек
Любая живая система при воздействии на
нее внешних факторов перестраивается так, чтобы уменьшить это воздействие
Гомеостаз
Стационарное
состояние
Слайд 46
Поверхностные явления
А - молекула в объеме
Б - молекула
на поверхности
Любая поверхность имеет избыточную свободную поверхностную энергию (СПЭ)
Слайд 47
Поверхностное натяжение, адсорбция, адгезия и другие процессы, протекающие
на границе раздела двух фаз, называются поверхностными явлениями.
Слайд 49
Поверхностные явления играют важную роль в
дыхании,
пищеварении,
экскреции.
Слайд 50
Они протекают in vivo на развитых поверхностях раздела:
поверхность кожи – 1,5 м2
эритроцитов – 3000 м2
альвеол – 1000 м2
Слайд 51
Поверхностное натяжение – это поверхностная энергия единицы площади
поверхности раздела фаз.
Поверхностное натяжение – важная характеристика биологических жидкостей.
В норме σ крови равно 45,4×10-3 н/м.
Слайд 52
Изменения σ сыворотки крови свидетельствует о наличии онкологических
заболеваний, анафилактическом шоке и других заболеваниях. Кроме того, поверхностное
натяжение уменьшается с возрастом.
Слайд 53
Адсорбция – самопроизвольный процесс накопления вещества на
поверхности раздела фаз
Адсорбент – вещество, на котором происходит
адсорбция
Вещество, молекулы которого могут адсорбироваться, называется адсорбтивом, а уже адсорбированные молекулы – адсорбатом
Абсорбция – процесс поглощения одного вещества всем объемом другого, а не только его поверхностью.
Сорбция – любой процесс поглощения вещества (как адсорбция, так и абсорбция)
Слайд 54
При растворении в воде какого-либо вещества может наблюдаться:
понижение
ее поверхностного натяжения. Такие вещества называются поверхностно-активными (ПАВ)
Слайд 55
Поверхностно-активными являются многие биоактивные соединения:
Жиры,
Фосфолипиды
Желчные
кислоты
Слайд 56
Применение ПАВ
Как моющие средства:
молекулы ПАВ адсорбируются
на поверхности жирного пятна, образуя гидрофильную систему, хорошо растворимую
в воде.
Слайд 57
2) Как антисептики в хирургии:
антимикробная активность ионогенных ПАВ
значительно выше (до 300 раз) активности традиционно используемого фенола.
Слайд 58
Обеззараживающее действие ПАВ объясняют их влиянием на проницаемость
клеточных мембран микроорганизмов, а также ингибирующим действием на ферментативные
системы бактерий.
Слайд 59
Хроматография
Метод разделения, анализа и физико-химического исследования веществ, основанный
на распределении компонентов смеси между двумя фазами.
Первооткрыватель: М.С.
Цвет (1903)
Слайд 60
Преимущества хроматографии
Быстрота выполнения анализа
Высокая чувствительность (до 10-8 %)
Отсутствие
химических превращений анализируемого вещества
Иногда хроматография – единственный
метод разделения смеси и выделения чистого вещества
Слайд 61
По агрегатному
состоянию фаз
Классификация методов хроматографии
По механизму взаимодействия сорбент-сорбат
По
способу
перемещения фаз
Газовая хроматография
Жидкостная хроматография
Распределительная
хроматография
Адсорбционная
хроматография
Проявительная
хроматография
По цели
применения
Фронтальная
хроматография
Вытеснительная
хроматография
Аналитическая хроматография (качественный и
количественный
анализ)
Промышленная хроматография
Препаративная
хроматография
Осадочная
хроматография
Ионообменная
хроматография
Эксклюзионная
хроматография
Аффинная
хроматография
Слайд 62
Применение хроматографических методов
в биологиии и в медицине
Определение
микрокомпонентов, появляющихся в биологических жидкостях при некоторых патологиях;
Проведение допинг-контроля;
Анализ
крови на присутствие алклголя, наркотиков, летучих веществ;
Разделение, очистка и количественное определение белков, аминокислот, нуклеиновых кислот, гармонов и других биополимеров;
Выделение природных или синтетических продуктов в чистом виде при производстве лекарственных препаратов;
Анализ лекарственных препаратов;
Деминерализация воды
