Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

1 Zakład Biofizyki CM UJ Seminarium 5 TERMODYNAMICZNY OPIS UKŁAD Ó W BIOLOGICZNYCH.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "1 Zakład Biofizyki CM UJ Seminarium 5 TERMODYNAMICZNY OPIS UKŁAD Ó W BIOLOGICZNYCH."— Zapis prezentacji:

1 1 Zakład Biofizyki CM UJ Seminarium 5 TERMODYNAMICZNY OPIS UKŁAD Ó W BIOLOGICZNYCH

2 2 Zakład Biofizyki CM UJ Zagadnienie 1 Żywy organizm jako układ termodynamiczny

3 3 Zakład Biofizyki CM UJ Żywy organizm – układ otwarty, w którym zachodzą procesy nieodwracalne dążące do stanu równowagi !! Warunki, w jakich zachodzą procesy w żywym organizmie: - stała temperatura (izotermicznie) - stałe ciśnienie (izobarycznie) Procesy nieodwracalne prowadzą układ od stanu bardziej do mniej zorganizowanego - dopóki nie ustaną przepływy (osiągnięcie stanu równowagi = śmierć układu biologicznego).

4 4 Zakład Biofizyki CM UJ Zadanie 1 Proszę podać proste przykłady układów termodynamicznych: otwartego, zamkniętego i izolowanego. Jak funkcjonowałby organizm żywy w warunkach opisanych powyżej? Jak zmienia się entropia organizmu żywego w okresie dzieciństwa, w wieku dojrzałym i w czasie starzenia się?

5 5 Zakład Biofizyki CM UJ Zagadnienie 2 Bilans cieplny organizmu - przemiana podstawowa

6 6 Zakład Biofizyki CM UJ 6 Bilans cieplny organizmu stałocieplnego (+) przemiana materii (metabolizm) (+) promieniowanie padające na organizm (–) składowa wytworzonej mocy mechanicznej na jednostkę powierzchni (+) straty konwekcyjne (+) straty na promieniowanie (+) straty na parowanie (+) straty w procesie oddychania

7 7 Zakład Biofizyki CM UJ II zasada termodynamiki w odniesieniu do organizmu żywego  H = W e + Q m  H - zmiana entalpii na skutek utleniania substancji odżywczych W e - praca zewnętrzna wykonywana przez organizm Q m - ciepło metabolizmu Organizm człowieka przekształca energię chemiczną w pracę mechaniczną. Wydajność organizmu wynosi %

8 8 Zakład Biofizyki CM UJ Przemiana podstawowa Przemiana podstawowa (spoczynkowa) - niezbędny wydatek energii (minimalne dzienne zapotrzebowanie energetyczne), jaki jest potrzebny organizmowi do podtrzymania jego podstawowych funkcji życiowych (czynności narządów krążenia, oddychania, procesy życiowe komórek itp.) w warunkach zupełnego spoczynku. Wskaźnikiem podstawowej przemiany materii jest współczynnik BMR (Basal Metabolic Rate). Norma podstawowej przemiany materii wynosi u człowieka przeciętnie 1 kcal na 1 kg wagi ciała w ciągu 1 godziny. Przemiana podstawowa dorosłego człowieka (m = 70 kg) wynosi średnio około 80 W = 3*10 5 J/h = 70 kcal/h = 1700 kcal/dobę

9 9 Zakład Biofizyki CM UJ Zadanie 2 Przemiana podstawowa dorosłego człowieka wynosi około 3*10 5 J/h. Jak szybko wzrastałaby temperatura jego ciała, gdyby organizm potraktować jako układ izolowany? Dane: Szukane:  T  = ? E podst = 3*10 5 J/h c w = 4200 J/(kg o C) m = 70 kg

10 10 Zakład Biofizyki CM UJ Zadanie 3 Wysiłek umysłowy wymaga przeciętnie 4-krotnie większego nakładu energii niż wynosi przemiana podstawowa. Ile cukru (glukozy) zużywa student podczas seminarium z biofizyki trwającego 90 min (=1,5 h), jeżeli przy spalaniu 1 mola glukozy otrzymujemy 2820 kJ energii? Dane: Szukane: m cukru = ?Szukane E podst = 3*10 5 J/h t = 1,5 h E 1 = 4 E podst E 2 = 2820 kJ M glukozy =180,16 g/mol Znajdź związek między zużyciem energii przez mózg, a energią uwolnioną ze spalania glukozy

11 11 Zakład Biofizyki CM UJ Zagadnienie 3 Mechanizmy transportu ciepła

12 12 Zakład Biofizyki CM UJ Mechanizmy transportu ciepła Otoczenie wodne Organizm Otoczenie powietrzne Promieniowanie

13 13 Zakład Biofizyki CM UJ Przewodnictwo cieplne - bodźcem jest różnica temperatur, odbywa się w kierunku malejących temperatur. gdzie: P = λS(T 1 – T 2 )/L P – strumień ciepła S i L – powierzchnia i grubość ciała λ – przewodność cieplna Konwekcja – unoszenie się ciepła za pośrednictwem poruszającego się medium (ciecz, gaz). Zależy od różnicy temperatur pomiędzy powierzchnią ciała i środowiskiem zewnętrznym. Parowanie - mechanizm, dzięki któremu organizmy stałocieplne nie ulegają przegrzaniu. Ochładzanie w wyniku parowania wynika z faktu, iż przekształcenie wody w parę wodną jest procesem endotermicznym. Promieniowanie - emitowane promieniowanie elektromagnetyczne długofalowe (9,4 μm) Prawo Stefana Boltzmanna Prawo przesunięć Wiena M= σ T 4 m T= [ μ mK]

14 14 Zakład Biofizyki CM UJ Straty ciepła przez promieniowanie ΔE – strata energii na jednostkę czasu (moc) A – powierzchnia ciała  – stała Stefana-Boltzmanna T C – temperatura ciała T O – temperatura otoczenia A – powierzchnia ciała [m 2 ]  – masa ciała [kg] H – wzrost [m]  E ~ A  (T c 4 - T o 4 ) [J/s] A= 0.202*M *H 0.725

15 15 Zakład Biofizyki CM UJ Zagadnienie 4 Mechanizmy transportu w skali komórkowej

16 16 Zakład Biofizyki CM UJ Rodzaje transportu przez błonę komórkową a) Transport bierny (dyfuzja; wykorzystanie w hemodializie) b) Transport czynny (wymaga dostarczenia energii; przewodnictwo nerwowe)

17 17 Zakład Biofizyki CM UJ Transport przez błonę komórkową Rodzaj cząsteczki Współczynnik przepuszczalności Rodzaj cząsteczki Współczynnik przepuszczalności Na cm/stryptofan10 -7 cm/s K+K+ 5 x cm/sglicerol5 x cm/s Cl cm/sindol5 x cm/s glukoza5 x cm/sH2OH2O5 x cm/s Błony są półprzepuszczalne, tzn. że łatwo przenika przez nie woda. Przepuszczalność innych substancji zależy od ich rozpuszczalności w tłuszczach. Najtrudniej przenikają przez błony substancje polarne (np. sacharoza) oraz jony.

18 18 Zakład Biofizyki CM UJ Hemodializa (sztuczna nerka) Przetoka tętniczo-żylna umożliwiająca podłączenie pacjenta do dializatora

19 19 Zakład Biofizyki CM UJ MARS – system usuwania toksyn z organizmu Schemat układu MARS (Molecular Adsorbent Recirculating System). Dializat albuminowy (20% stężenie albumin) krąży w obwodzie zamkniętym odbierając toksyny z krwi chorego (dializator MARS-FLUX) i oddając je w dializatorze diaFLUX oraz dwóch kolumnach adsorpcyjnych. Ruch dializatu albuminowego zależy od działania pompy albumin (aparatu MARS Monitor). Przepływ krwi i płynu dializacyjnego w dializatorze diaFlux zależy od działania aparatu do dializy (Teraklin - za zgodą). Proces przechodzenia toksyn przez błonę MARS. Eliminacji ulęgają zarówno wolne, drobnocząsteczkowe substancje rozpuszczalne w wodzie, jak i substancje związane z albuminami. Za proces ten odpowiada warstwa albumin powlekająca błonę dializacyjną i wysokie stężenie albumin w dializacie. Inne białka i hormony pozostają we krwi chorego (Teraklin - za zgoda).

20 20 Zakład Biofizyki CM UJ Zagadnienie 5 Zjawisko dyfuzji – prawo Ficka

21 21 Zakład Biofizyki CM UJ Zjawisko dyfuzji. Transport cząstek przez błonę (bierny) 21

22 22 Zakład Biofizyki CM UJ Prawo Ficka: D - współczynnik dyfuzji S - powierzchnia Transport bierny (dyfuzja) c-dc c stan równowagi Kierunek transportu X

23 23 Zakład Biofizyki CM UJ Potencjał chemiczny - praca wykonana podczas zmiany liczby moli składnika o jeden przy zachowaniu stałej temperatury, ciśnienia i liczby moli innych składników. praca chemiczna (osmotyczna, transportu) Różnice potencjałów chemicznych w układzie warunkują zachodzenie procesów związanych z transportem substancji.

24 24 Zakład Biofizyki CM UJ Potencjał chemiczny składnika i w mieszaninie gazów lub roztworze doskonałym potencjał chemiczny składnika i w stanie czystym (x i =1) stosunek molowy

25 25 Zakład Biofizyki CM UJ Gdy do układu zawierającego cząstki naładowane wprowadzany jest dodatkowy ładunek  Q, to zmiana entalpii swobodnej w warunkach izotermiczno-izobarycznych, związana z wprowadzeniem ładunku do układu jest równa: gdzie  jest potencjałem elektrycznym panującym w układzie. Ponieważ ładunek jest przenoszony przez cząstki to: gdzie z oznacza wartościowość jonu, a F jest stałą Faradaya (ładunek elektryczny związany z 1 molem jonów jednowartościowych), F= C/mol Zatem zmiana entalpii swobodnej na 1 mol wynosi: i jest nazywana potencjałem elektrochemicznym.

26 26 Zakład Biofizyki CM UJ Zagadnienie 6 Prawo Nernsta – elektroda pH-metryczna

27 27 Zakład Biofizyki CM UJ Zasada działania elektrody pH-metrycznej. Wartości pH występujące w organizmie człowieka.

28 28 Zakład Biofizyki CM UJ pH płynów ustrojowych i jego pomiar Skala pH - ilościowa skala kwasowości i zasadowości roztworów wodnych związków chemicznych. pH = -log 10 [H 3 O + ] Zakres skali: [0-14] Do określania pH używa się wskaźników kwasowości (substancje, których kolor zależy od pH roztworu, np.: błękit bromotymolowy, błękit tymolowy, czerwień metylowa, fenoloftaleina, lakmus, oranż metylowy). Zwykle jednak używa się papierków nasączonych mieszaniną substancji wskaźnikowych, które zmieniają kolor w szerokim zakresie pH.

29 29 Zakład Biofizyki CM UJ Dokładnych pomiarów pH dokonuje się metodą potencjometryczną (pH-metria). Zanurzając jedną elektrodę w roztworze o znanym pH, a drugą w próbce, można na podstawie pomiaru różnicy potencjałów elektrodowych tak utworzonego ogniwa dokładnie ustalić pH próbki. Wzór Nernsta C 1 -jonów hydroniowych znane c C 2 -jonów hydroniowych szukane V1V1 V2V2 Potencjały elektrodowe znane C 1 -jonów hydroniowych

30 30 Zakład Biofizyki CM UJ Przykładowe wartości pH SubstancjapH 1 M kwas solny0 Kwas akumulatorowy< 1,0 Kwas żołądkowy1,5 – 2 Sok cytrynowy2,4 Coca-cola2,5 Ocet2,9 Sok pomarańczowy3,5 Piwo4,5 Kawa5,0 Herbata5,5 Kwaśny deszcz< 5,6 Mleko6,5 Czysta woda7 Ślina człowieka6,5 – 7,4 Krew7,1 – 7,4 Woda morska8,0 Mydło9,0 – 10,0 Wodorotlenek amonu11,5 Wodorotlenek wapnia12,5 1 M roztwór NaOH14 Kwaśny Zasadowy Obojętny

31 31 Zakład Biofizyki CM UJ Zagadnienie 7 Osmoza – prawo Van’t Hoffa Ciśnienie osmotyczne i jego pomiar

32 32 Zakład Biofizyki CM UJ Transport cząstek przez błonę  G =  G A +  G B W warunkach izotermiczno-izobarycznych  G = -  A  n +  B  n ≤0 Entalpia swobodna każdego ze składników jest mniejsza w mieszaninie Mieszanie - proces nieodwracalny n A,  A n B,  B Możliwy transport cząstek substancji rozpuszczonej

33 33 Zakład Biofizyki CM UJ 33 Osmoza Niemożliwy transport cząstek substancji rozpuszczonej (błona półprzepuszczalna) Transport cząstek rozpuszczalnika przez elastyczną błonę: μ B > μ A Proces transportu odbywa się przy ustalonej temperaturze i objętości układu. W warunkach izotermiczno-izochorycznych stan równowagi jest określony przez warunek:  F = 0 T, p A,  A T, p B,  B Czysty rozpuszczalnik Roztwór

34 34 Zakład Biofizyki CM UJ T, p A,  A T, p B,  B Czysty rozpuszczalnik Roztwór n 1 -liczba moli rozpuszczalnika n 2 - liczba moli substancji rozpuszczonej przepływ rozpuszczalnika wzrost ciśnienia działającego na roztwór wzrost potencjału chemicznego rozpuszczalnika w roztworze stan równowagi

35 35 Zakład Biofizyki CM UJ Ciśnienie osmotyczne  - ciśnienie sprężystej błony, które w stanie równowagi hamuje transport osmotyczny praca wykonana przy przeniknięciu 1 mola rozpuszczalnika o obj.  V mol do roztworu, przy ciśnieniu  c m - stężenie molowe roztworu Prawo van’t Hoffa:

36 36 Zakład Biofizyki CM UJ Zachowanie komórek roślinnej i zwierzęcej znajdujących się w roztworze hiper-, izo- i hipotonicznym Osmoza w organizmach żywych

37 37 Zakład Biofizyki CM UJ Pomiar ciśnienia osmotycznego Błona półprzepuszczalna  przepuszcza rozpuszczalnik; nie przepuszcza substancji rozpuszczonej. Rurkę wypełniam roztworem i zanurzam w naczyniu z czystym rozpuszczalnikiem  rozpuszczalnik wnika do rurki. Ciśnienie hydrostatyczne wewnątrz rurki będzie rosło, aż do osiągnięcia stanu równowagi (  p). Przy podanych założeniach  p = ciśnieniu osmotycznemu.

38 38 Zakład Biofizyki CM UJ Zadanie 4 Oblicz ciśnienie osmotyczne wytwarzane przez 0,9 % roztwór NaCl i CaCl 2. Dane: Szukane:  = ?Szukane T 1 = 273 K + 20 o C =293 K c p = 0,9 % R = 8,31 J/molK  = 1,005 g/cm 3 dla roztworów 1%-owych  NaCl = 58 g/mol M CaCl2 = 110 g/mol

39 39 Zakład Biofizyki CM UJ Zagadnienie 8 Efekty fizykochemiczne na granicy faz

40 40 Zakład Biofizyki CM UJ Na różnych granicach faz zachodzi wiele procesów fizycznych i chemicznych. Granica fazy ciekłej i gazowej

41 41 Zakład Biofizyki CM UJ Adhezja Kropelki wody na pajęczynie

42 42 Zakład Biofizyki CM UJ

43 43 Zakład Biofizyki CM UJ Adsorpcja (nie mylić z absorpcją!) jest jednym z podstawowych zjawisk międzyfazowych. Proces adsorpcji spotykany jest w wielu układach naturalnych, biologicznych i chemicznych, jest także wykorzystywany w laboratoriach naukowych i przemyśle. Może zachodzić pomiędzy wszystkimi fazami.

44 44 Zakład Biofizyki CM UJ

45 45 Zakład Biofizyki CM UJ

46 46 Zakład Biofizyki CM UJ Zjawiska na granicy faz odpowiedzialne za oddziaływania na poziomie struktur biologicznych Lipidy i fosfolipidy

47 47 Zakład Biofizyki CM UJ

48 48 Zakład Biofizyki CM UJ

49 49 Zakład Biofizyki CM UJ

50 50 Zakład Biofizyki CM UJ

51 51 Zakład Biofizyki CM UJ

52 52 Zakład Biofizyki CM UJ


Pobierz ppt "1 Zakład Biofizyki CM UJ Seminarium 5 TERMODYNAMICZNY OPIS UKŁAD Ó W BIOLOGICZNYCH."

Podobne prezentacje


Reklamy Google