Биофизика пәнінен дәрістер
Лекция 1
Кіріспе. Биофизика пәні және оның мәселелері.
Биофизика ғылымының дамуы. Биофизиканың әдістері және бөлімдері.
Лекция 2
Биологиялық жүйелердің термодинамикасы.
Лекция 3
Биоэлектрлік потенциалдардың сипаттамалары және пайда болуының негізгі себептері. Клеткалар мембраналары
Нернст теңдеуі. Доннан тепе.теңдігі. Тыныштық потенциалы.
Лекция 4
Активті мембраналық тасмалдау. Әсерлесу потенциалы. Тірі жүйелерде электрлік потенциалдардың айырмашылықтарын тіркеп алу әдістемелері. Физиологияда және медицинада биоэлектрлік потенциалдарды тіркеудің мәні )
Лекция 5
Ферментативтік катализдің термодинамикалық және кинетикалық негіздері. Ферменттер
Лекция 6
Механика негіздері
Материалдық нүктенің кинематикасы мен динамикасы. Салмақ, салмақсыздық және олардың организмге әсері.
Лекция 7
Гидродинамика негізгі түсініктері
Гидродинамика идеал және реал сұйықтар. Ағын түрлері
Сұйық тұтқырлығы. Пуазейль жэне стокс заңдары
Молекулалың қысым. Беттік керілу
Лекция 8
Биологиялық жүйелердің электр өткізгіштігі
Биологиялық жүйелерде тұрақты және айнымалы токтардың өту заңдылықтары. Организм тканіне тұрақты тоқтың әсері. Биологиядағы Ом заңы. Поляризация құбылысы. Магнит .өрісінің организмге әсері.
Лекция 9
Механикалық діріл және оның әсері. Өшетін және еріксіз тербелістер. Гук заңы. Тербелістер мен толқындар. Техникадағы және биологиядағы тербелістер
Лекция 10
Фотобиология, биообъекттерге физикалық факторлардың әсері
Биообъекттердегі поляризациялық құбылыстардың физико.химиялық механизмдері. Голография жайында түсінік және оларды пайдалану мүмкіндіктері. Поляриметрия. Поляризацияланған жарықта биологиялық ұлпаларды зерттеу.
Лекция 11
Биологиялық құбылыстардың күн активтілігімен байланысы. Электромагнитті және корпускулярлық сәулеленудің физикалық табиғаты.
Лекция 12
Радиация. Иондаушы сәулелердің организмге әсері. Радиоактивті заттардың биосферадағы қозғалысы. Мутагендер және олардың
әсер ету механизмі
Лекция 13
Акустика негіздері
Инфрадыбыс және ультрадыбыстар оның қасиеттері және организмге әсері
Кіріспе. Биофизика пәні және оның мәселелері.
Биофизика ғылымының дамуы. Биофизиканың әдістері және бөлімдері.
Лекция 2
Биологиялық жүйелердің термодинамикасы.
Лекция 3
Биоэлектрлік потенциалдардың сипаттамалары және пайда болуының негізгі себептері. Клеткалар мембраналары
Нернст теңдеуі. Доннан тепе.теңдігі. Тыныштық потенциалы.
Лекция 4
Активті мембраналық тасмалдау. Әсерлесу потенциалы. Тірі жүйелерде электрлік потенциалдардың айырмашылықтарын тіркеп алу әдістемелері. Физиологияда және медицинада биоэлектрлік потенциалдарды тіркеудің мәні )
Лекция 5
Ферментативтік катализдің термодинамикалық және кинетикалық негіздері. Ферменттер
Лекция 6
Механика негіздері
Материалдық нүктенің кинематикасы мен динамикасы. Салмақ, салмақсыздық және олардың организмге әсері.
Лекция 7
Гидродинамика негізгі түсініктері
Гидродинамика идеал және реал сұйықтар. Ағын түрлері
Сұйық тұтқырлығы. Пуазейль жэне стокс заңдары
Молекулалың қысым. Беттік керілу
Лекция 8
Биологиялық жүйелердің электр өткізгіштігі
Биологиялық жүйелерде тұрақты және айнымалы токтардың өту заңдылықтары. Организм тканіне тұрақты тоқтың әсері. Биологиядағы Ом заңы. Поляризация құбылысы. Магнит .өрісінің организмге әсері.
Лекция 9
Механикалық діріл және оның әсері. Өшетін және еріксіз тербелістер. Гук заңы. Тербелістер мен толқындар. Техникадағы және биологиядағы тербелістер
Лекция 10
Фотобиология, биообъекттерге физикалық факторлардың әсері
Биообъекттердегі поляризациялық құбылыстардың физико.химиялық механизмдері. Голография жайында түсінік және оларды пайдалану мүмкіндіктері. Поляриметрия. Поляризацияланған жарықта биологиялық ұлпаларды зерттеу.
Лекция 11
Биологиялық құбылыстардың күн активтілігімен байланысы. Электромагнитті және корпускулярлық сәулеленудің физикалық табиғаты.
Лекция 12
Радиация. Иондаушы сәулелердің организмге әсері. Радиоактивті заттардың биосферадағы қозғалысы. Мутагендер және олардың
әсер ету механизмі
Лекция 13
Акустика негіздері
Инфрадыбыс және ультрадыбыстар оның қасиеттері және организмге әсері
1. Биофизика пәні және биофизика ғылымының дамуы. Биофизика- физикамен, химиямен, математикамен, экологиямен, морфологиямен, физиологиямен тығыз байланыста дамып келе жатқан және қалыпты жағдай мен эндогенді, экзогенді факторлардың әсерінде болатын биологиялық жүйелердің молекулярлық және физико-химиялық касиеттерін зерттейтін биологиялық ғылым. Организмге тән кейбір қасиеттер табиғатта кездеспейді. Басқа жаратылыстану ғылымдарымен тығыз байланыста болса да, биофизиканың өз заңдылықтары мен әдістері бар.
Биофизика ғылымының дамуына М.В. Волькенштейн, Л.А.Блюменфельд, Ю.М.Романовский, Н.В.Степанова, Д.С.Чернавский, В.С.Маркин, Ю.А.Чизмаджева ресей ғалымдары өз үлестерін қосқан. Қазақстанда биофизикалық зерттеу жұмыстарының дамуына Инюшин В.М., Тулеуханов С.Т., Абдрахитова А.К.. сияқты отандық ғалымдардың жұмыстары зор роль атқарады.
2. Организмдегі физикалық процестер және биологиялық жүйелердегі зерттеу әдістемелері.
Биофизика идеялары мен әдістері биологиялық процестерді макромолекулалық және клеткалық деңгейде кең қолданып қана қоймайды, ол сондай-ақ популяциялық деңгейге де таралады. Биофизикада пайдаланатын әдістерге әртүрлі оптикалық әдістер, спектроскопия, электрометриялық әдістер, микроэлектродты техника әдістері, хемилюминесценция, лазерлі спектроскопия, нысаналы атомдар әдісі жатады. Биофизикалық зерттеулер нәтижесі бірінші реттік молекулалық механизмдерді биологиялық процестердің ерекшеліктерімен тікелей байланыстырған жағдайда маңызды роль алады. Осы себептен биофизика фундаментальді биологиялық пәндер физиология мен биохимиямен, экология мен генетикамен тығыз байланысты.
Организмге физикалық факторлардың әсері.
Организмге сыртқы орта факторларының әсері (температура, рН, заттардың концентрациясы) организмнің структуралы- функционалды ұйыдасуында молекула ішіндегі өзгерістер жылдамдығының константасын өзгерте отырып, жүйенің тұрақтылығын бұзады. Осы себептен базалық математикалық модельдерде берілген структуралық элементтердің физикалық арақатынасын түсіндіру үшін өте көп жұмыс атқару қажет. Бұл сұрақ, яғни біртұтас молекулярлы-кинетикалық сипаттаудың дамуы қазіргі кездегі биофизиканың даму перспективаларының бірі болып табылады. Сонымен, қазіргі биофизика даму сатысы бастапқы теориялық түсініктерді биологиялық жүйелерде молекулалық деңгейде түсіндіру болып табылады.
Биофизиканың дамуына және оның биологияға, медицинаға енуіне биологиядағы өзіндік теориялық базалар құрылу нәтижесі себебін тигізді.
Биофизика хх-шы ғасырдың ғылымы. Бірақ хх-шы ғасырға дейін биофизика міндеттері шешілмеді деп айтуға болмайды. Мысалы Максвелл түрлі түсті көру теориясын, ал Гельмгольц нерв импульснің таралу жылдамдығын өлшеді. Міне осындай мысалдарды өте көп келтіруге болады. Бірақта тек қазіргі уақытта ғана биофизика организмнің физикалық қасиеті және оларға физикалы әсер етуінен (жарық, дыбыс, электр) іргелі (фундаментальды) мәселелерге – тұқым қуалаушылыққа және өзгерушілікке, онтогенез, филогенез, метоболизм және биоэнергетиканы зерттеуге көшті. Бұл биологияның және биохимияның қарқынды даму нәтижесінде мүмкін болды.
Соңғы жылдары ғалымдардың назары биофизикаға ауып отыр. Оның басты себебі табиғат заңдарының өлі табиғатқа да, тірі табиғатқа да ортақ екенін білдіретін болса, екінші жағынан физиканың жетістіктері биология мен медицинада кеңінен қолданылуында болып отыр. Биофизика дегеніміз әр түрлі сатыдағы биологиялық жүйелерде болып жатқан физикалық және химиялық процестерді зерттейтін ғылым.
Биофизиканың зерттейтін обьектісі биологиялық материалдар, яғни тірі организмдер. Олай болса, физиканың өлі табиғат үшін ашылған заңдарын өзгеріссіз тірі организмге қолдануға болмайды. Оның себебі тірі организм –биологиялық жүйе, үнемі динамикалық қозғалыста болады және гетерогендік әртекті жүйе болып саналады. Атап айтқанда биологиялық жүйе өзін-өзі басқаратын болғандықтан, бұған тән кейбір қасиеттер өлі табиғатта кездеспейді. Биофизиканың қалыптасуына ат салысушы ғалымдардың бірі профессор Б.Н. Тарусовтың айтуы бойынша биофизика дегеніміз биологиялық жүйелердің физикалық химиясы және химиялық физикасы екен.
1961 жылы Стокгольмде өткен 1-халықаралық биофизикалық конгресте биофизиканы мынандай салаларға бөлу ұсынылды:
1. молекула биофизикасы. Бұл сала организмді түзетін биологиялық молекулалардың құрылысы мен физикалық қасиеттерін қарастырады;
2. клетка биофизикасы. Бұл сала клетканың ультрақұрылысың оның физикалық және химиялық ерекшеліктерін және клетканың өтімділігің биоэлектрлік потенциалын қарастырады;
3. күрделі жүйе биофизикасы (немесе басқару және реттеу процесінің биофизикасы). Бұл сала организмдегі басқару жүйесінің ішкі байланысын зерттеу және оның модулін жасау, олардың физикалық табиғатын анықтау мәселелерімен айналысады.
Сонымен қатар биофизика организмге деген физикалық факторлар әсерін, иондалған сәуленің биологиялық әсерін (радиобиология), көз оптикасын, қозғалыс, тыныс алу, иіс сезу, есіту, қан айналыс органдарының жұмыс әрекетін қамтиды.
Мысалы адамдар, жануарлар үнемі механикалық қозғалыста болады. Оларды механикалық қозғалысқа түсіретін бұлшық ет болып саналады. Атап айтқанда бұлшық еттің жиырылуынан адамдар мен жануарлар механикалық қозғалысқа түседі. Бұлшық еттің жиырылуы адамдар мен жануарлар денесіне қажетті жылуды қамтамасыз ететін болса, әрі қарай химиялық энергияны бірден механикалық жұмысқа айналдыратын құрал болып саналады. Бұл кезде химиялық энергия жылулық немесе электр энергиясына емес, бірден механикалық энергияға айналады.
Биофизиканың міндетті өмірдегі құбылыстарды тану болып табылады. Физиканың бір бөлігі бола отырып, биофизика биологиядан бөлінбейді. Биофизика биологиямен, химиямен, физикамен, молекулалық биологиямен өте тығыз байланысты. Қазіргі заманғы биофизика бірқатар биологиялық құбылыстарды түсіндірудегі ірі жетістіктерге жетіп отыр. Соның ішінде біз биологиялы функцианалды молекуланың құрылысы және қасиеті жөнінде, клеткалы құрылымның әсер ету механизмі және қасиеті жөнінде; мынадай мембраналар, биоэнергетикалық органоидтар, механохимиялық жүйелер жөнінде таныс болдық. Биологиялық процестердің физика-математикалық моделдері жете зерттеліп, дамытылды. Термодинамика, информация теориясына, автоматты реттеу теориясына негізделген өмір құбылыстарындағы жалпы теориялық тәсілдер жүзеге асырылды. Алғаш рет энергияның сақталу заның, термодинамиканың негізін қалаған Майер, Джоул және Гельмгольц деген ғалымдар. Майер тірі организмдерді, адамдарды бақылау нәтижесінде өзінің теориясын ұсынды.
Биофизика ғылымының дамуына М.В. Волькенштейн, Л.А.Блюменфельд, Ю.М.Романовский, Н.В.Степанова, Д.С.Чернавский, В.С.Маркин, Ю.А.Чизмаджева ресей ғалымдары өз үлестерін қосқан. Қазақстанда биофизикалық зерттеу жұмыстарының дамуына Инюшин В.М., Тулеуханов С.Т., Абдрахитова А.К.. сияқты отандық ғалымдардың жұмыстары зор роль атқарады.
2. Организмдегі физикалық процестер және биологиялық жүйелердегі зерттеу әдістемелері.
Биофизика идеялары мен әдістері биологиялық процестерді макромолекулалық және клеткалық деңгейде кең қолданып қана қоймайды, ол сондай-ақ популяциялық деңгейге де таралады. Биофизикада пайдаланатын әдістерге әртүрлі оптикалық әдістер, спектроскопия, электрометриялық әдістер, микроэлектродты техника әдістері, хемилюминесценция, лазерлі спектроскопия, нысаналы атомдар әдісі жатады. Биофизикалық зерттеулер нәтижесі бірінші реттік молекулалық механизмдерді биологиялық процестердің ерекшеліктерімен тікелей байланыстырған жағдайда маңызды роль алады. Осы себептен биофизика фундаментальді биологиялық пәндер физиология мен биохимиямен, экология мен генетикамен тығыз байланысты.
Организмге физикалық факторлардың әсері.
Организмге сыртқы орта факторларының әсері (температура, рН, заттардың концентрациясы) организмнің структуралы- функционалды ұйыдасуында молекула ішіндегі өзгерістер жылдамдығының константасын өзгерте отырып, жүйенің тұрақтылығын бұзады. Осы себептен базалық математикалық модельдерде берілген структуралық элементтердің физикалық арақатынасын түсіндіру үшін өте көп жұмыс атқару қажет. Бұл сұрақ, яғни біртұтас молекулярлы-кинетикалық сипаттаудың дамуы қазіргі кездегі биофизиканың даму перспективаларының бірі болып табылады. Сонымен, қазіргі биофизика даму сатысы бастапқы теориялық түсініктерді биологиялық жүйелерде молекулалық деңгейде түсіндіру болып табылады.
Биофизиканың дамуына және оның биологияға, медицинаға енуіне биологиядағы өзіндік теориялық базалар құрылу нәтижесі себебін тигізді.
Биофизика хх-шы ғасырдың ғылымы. Бірақ хх-шы ғасырға дейін биофизика міндеттері шешілмеді деп айтуға болмайды. Мысалы Максвелл түрлі түсті көру теориясын, ал Гельмгольц нерв импульснің таралу жылдамдығын өлшеді. Міне осындай мысалдарды өте көп келтіруге болады. Бірақта тек қазіргі уақытта ғана биофизика организмнің физикалық қасиеті және оларға физикалы әсер етуінен (жарық, дыбыс, электр) іргелі (фундаментальды) мәселелерге – тұқым қуалаушылыққа және өзгерушілікке, онтогенез, филогенез, метоболизм және биоэнергетиканы зерттеуге көшті. Бұл биологияның және биохимияның қарқынды даму нәтижесінде мүмкін болды.
Соңғы жылдары ғалымдардың назары биофизикаға ауып отыр. Оның басты себебі табиғат заңдарының өлі табиғатқа да, тірі табиғатқа да ортақ екенін білдіретін болса, екінші жағынан физиканың жетістіктері биология мен медицинада кеңінен қолданылуында болып отыр. Биофизика дегеніміз әр түрлі сатыдағы биологиялық жүйелерде болып жатқан физикалық және химиялық процестерді зерттейтін ғылым.
Биофизиканың зерттейтін обьектісі биологиялық материалдар, яғни тірі организмдер. Олай болса, физиканың өлі табиғат үшін ашылған заңдарын өзгеріссіз тірі организмге қолдануға болмайды. Оның себебі тірі организм –биологиялық жүйе, үнемі динамикалық қозғалыста болады және гетерогендік әртекті жүйе болып саналады. Атап айтқанда биологиялық жүйе өзін-өзі басқаратын болғандықтан, бұған тән кейбір қасиеттер өлі табиғатта кездеспейді. Биофизиканың қалыптасуына ат салысушы ғалымдардың бірі профессор Б.Н. Тарусовтың айтуы бойынша биофизика дегеніміз биологиялық жүйелердің физикалық химиясы және химиялық физикасы екен.
1961 жылы Стокгольмде өткен 1-халықаралық биофизикалық конгресте биофизиканы мынандай салаларға бөлу ұсынылды:
1. молекула биофизикасы. Бұл сала организмді түзетін биологиялық молекулалардың құрылысы мен физикалық қасиеттерін қарастырады;
2. клетка биофизикасы. Бұл сала клетканың ультрақұрылысың оның физикалық және химиялық ерекшеліктерін және клетканың өтімділігің биоэлектрлік потенциалын қарастырады;
3. күрделі жүйе биофизикасы (немесе басқару және реттеу процесінің биофизикасы). Бұл сала организмдегі басқару жүйесінің ішкі байланысын зерттеу және оның модулін жасау, олардың физикалық табиғатын анықтау мәселелерімен айналысады.
Сонымен қатар биофизика организмге деген физикалық факторлар әсерін, иондалған сәуленің биологиялық әсерін (радиобиология), көз оптикасын, қозғалыс, тыныс алу, иіс сезу, есіту, қан айналыс органдарының жұмыс әрекетін қамтиды.
Мысалы адамдар, жануарлар үнемі механикалық қозғалыста болады. Оларды механикалық қозғалысқа түсіретін бұлшық ет болып саналады. Атап айтқанда бұлшық еттің жиырылуынан адамдар мен жануарлар механикалық қозғалысқа түседі. Бұлшық еттің жиырылуы адамдар мен жануарлар денесіне қажетті жылуды қамтамасыз ететін болса, әрі қарай химиялық энергияны бірден механикалық жұмысқа айналдыратын құрал болып саналады. Бұл кезде химиялық энергия жылулық немесе электр энергиясына емес, бірден механикалық энергияға айналады.
Биофизиканың міндетті өмірдегі құбылыстарды тану болып табылады. Физиканың бір бөлігі бола отырып, биофизика биологиядан бөлінбейді. Биофизика биологиямен, химиямен, физикамен, молекулалық биологиямен өте тығыз байланысты. Қазіргі заманғы биофизика бірқатар биологиялық құбылыстарды түсіндірудегі ірі жетістіктерге жетіп отыр. Соның ішінде біз биологиялы функцианалды молекуланың құрылысы және қасиеті жөнінде, клеткалы құрылымның әсер ету механизмі және қасиеті жөнінде; мынадай мембраналар, биоэнергетикалық органоидтар, механохимиялық жүйелер жөнінде таныс болдық. Биологиялық процестердің физика-математикалық моделдері жете зерттеліп, дамытылды. Термодинамика, информация теориясына, автоматты реттеу теориясына негізделген өмір құбылыстарындағы жалпы теориялық тәсілдер жүзеге асырылды. Алғаш рет энергияның сақталу заның, термодинамиканың негізін қалаған Майер, Джоул және Гельмгольц деген ғалымдар. Майер тірі организмдерді, адамдарды бақылау нәтижесінде өзінің теориясын ұсынды.
Негізгі әдебиеттер:
1. Арзыханов Б.С. Ультрадыбыстар әлеміне саяхат. Қайнар. 1987.
2. Кудряшов Ю.Б., Беренфельд Б.С. Основы радиационной биофизики.-М.: МГУ, 1982.
3. Березин Т.И. Медицинская биофизика. - М.: Высшая школа, 1988.
4. Блюменфельд Л.Д. Проблемы биологической физики. - М.: Наука, 1977.
5. Волькенштейн М.В. Биофизика. - М.: Наука, 1988.
6. Губанов Н.И., Утепбергенов А.А. Медицинская биофизика. - М.: Медицина, 1978.
Қосымша әдебиеттер:
1. Инюшин В.М. Конспект лекций по общей биофизике. Алматы: КазГУ, 1994.
2. Писаревский А.И. Введение в радиоционную биофизику. Минск,1968
3. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. -М.: Высшая школа, 1987.
4. Рубин А.Б, Биофизика. 1-2 том. - М: Книжный дом, 2000.
5. Тарусов Б.Н. и др. Биофизика. - М.: Высшая школа, 1968.
1. Арзыханов Б.С. Ультрадыбыстар әлеміне саяхат. Қайнар. 1987.
2. Кудряшов Ю.Б., Беренфельд Б.С. Основы радиационной биофизики.-М.: МГУ, 1982.
3. Березин Т.И. Медицинская биофизика. - М.: Высшая школа, 1988.
4. Блюменфельд Л.Д. Проблемы биологической физики. - М.: Наука, 1977.
5. Волькенштейн М.В. Биофизика. - М.: Наука, 1988.
6. Губанов Н.И., Утепбергенов А.А. Медицинская биофизика. - М.: Медицина, 1978.
Қосымша әдебиеттер:
1. Инюшин В.М. Конспект лекций по общей биофизике. Алматы: КазГУ, 1994.
2. Писаревский А.И. Введение в радиоционную биофизику. Минск,1968
3. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. -М.: Высшая школа, 1987.
4. Рубин А.Б, Биофизика. 1-2 том. - М: Книжный дом, 2000.
5. Тарусов Б.Н. и др. Биофизика. - М.: Высшая школа, 1968.
13. Лекция мәтіні
Лекция 1
Кіріспе. Биофизика пәні және оның мәселелері.
Биофизика ғылымының дамуы. Биофизиканың әдістері және бөлімдері.
Жоспары:
1. Биофизика пәні және биофизика ғылымының дамуы.
2. Организмдегі физикалық процестер және биологиялық жүйелердегі зерттеу
әдістемелері.
3. Биофизиканың әдістері және бөлімдері.
4. Биофизиканың химиялық негізі
1. Биофизика пәні және биофизика ғылымының дамуы. Биофизика- физикамен,
химиямен, математикамен, экологиямен, морфологиямен, физиологиямен тығыз
байланыста дамып келе жатқан және қалыпты жағдай мен эндогенді, экзогенді
факторлардың әсерінде болатын биологиялық жүйелердің молекулярлық және
физико-химиялық касиеттерін зерттейтін биологиялық ғылым. Организмге тән
кейбір қасиеттер табиғатта кездеспейді. Басқа жаратылыстану ғылымдарымен
тығыз байланыста болса да, биофизиканың өз заңдылықтары мен әдістері бар.
Биофизика ғылымының дамуына М.В. Волькенштейн, Л.А.Блюменфельд,
Ю.М.Романовский, Н.В.Степанова, Д.С.Чернавский, В.С.Маркин, Ю.А.Чизмаджева
ресей ғалымдары өз үлестерін қосқан. Қазақстанда биофизикалық зерттеу
жұмыстарының дамуына Инюшин В.М., Тулеуханов С.Т., Абдрахитова А.К.. сияқты
отандық ғалымдардың жұмыстары зор роль атқарады.
2. Организмдегі физикалық процестер және биологиялық жүйелердегі зерттеу
әдістемелері.
Биофизика идеялары мен әдістері биологиялық процестерді макромолекулалық
және клеткалық деңгейде кең қолданып қана қоймайды, ол сондай-ақ
популяциялық деңгейге де таралады. Биофизикада пайдаланатын әдістерге
әртүрлі оптикалық әдістер, спектроскопия, электрометриялық әдістер,
микроэлектродты техника әдістері, хемилюминесценция, лазерлі спектроскопия,
нысаналы атомдар әдісі жатады. Биофизикалық зерттеулер нәтижесі бірінші
реттік молекулалық механизмдерді биологиялық процестердің ерекшеліктерімен
тікелей байланыстырған жағдайда маңызды роль алады. Осы себептен биофизика
фундаментальді биологиялық пәндер физиология мен биохимиямен, экология мен
генетикамен тығыз байланысты.
Организмге физикалық факторлардың әсері.
Организмге сыртқы орта факторларының әсері (температура, рН, заттардың
концентрациясы) организмнің структуралы- функционалды ұйыдасуында молекула
ішіндегі өзгерістер жылдамдығының константасын өзгерте отырып, жүйенің
тұрақтылығын бұзады. Осы себептен базалық математикалық модельдерде
берілген структуралық элементтердің физикалық арақатынасын түсіндіру үшін
өте көп жұмыс атқару қажет. Бұл сұрақ, яғни біртұтас молекулярлы-
кинетикалық сипаттаудың дамуы қазіргі кездегі биофизиканың даму
перспективаларының бірі болып табылады. Сонымен, қазіргі биофизика даму
сатысы бастапқы теориялық түсініктерді биологиялық жүйелерде молекулалық
деңгейде түсіндіру болып табылады.
Биофизиканың дамуына және оның биологияға, медицинаға енуіне
биологиядағы өзіндік теориялық базалар құрылу нәтижесі себебін тигізді.
Биофизика хх-шы ғасырдың ғылымы. Бірақ хх-шы ғасырға дейін биофизика
міндеттері шешілмеді деп айтуға болмайды. Мысалы Максвелл түрлі түсті көру
теориясын, ал Гельмгольц нерв импульснің таралу жылдамдығын өлшеді. Міне
осындай мысалдарды өте көп келтіруге болады. Бірақта тек қазіргі уақытта
ғана биофизика организмнің физикалық қасиеті және оларға физикалы әсер
етуінен (жарық, дыбыс, электр) іргелі (фундаментальды) мәселелерге – тұқым
қуалаушылыққа және өзгерушілікке, онтогенез, филогенез, метоболизм және
биоэнергетиканы зерттеуге көшті. Бұл биологияның және биохимияның қарқынды
даму нәтижесінде мүмкін болды.
Соңғы жылдары ғалымдардың назары биофизикаға ауып отыр. Оның басты
себебі табиғат заңдарының өлі табиғатқа да, тірі табиғатқа да ортақ екенін
білдіретін болса, екінші жағынан физиканың жетістіктері биология мен
медицинада кеңінен қолданылуында болып отыр. Биофизика дегеніміз әр түрлі
сатыдағы биологиялық жүйелерде болып жатқан физикалық және химиялық
процестерді зерттейтін ғылым.
Биофизиканың зерттейтін обьектісі биологиялық материалдар, яғни тірі
организмдер. Олай болса, физиканың өлі табиғат үшін ашылған заңдарын
өзгеріссіз тірі организмге қолдануға болмайды. Оның себебі тірі организм
–биологиялық жүйе, үнемі динамикалық қозғалыста болады және гетерогендік
әртекті жүйе болып саналады. Атап айтқанда биологиялық жүйе өзін-өзі
басқаратын болғандықтан, бұған тән кейбір қасиеттер өлі табиғатта
кездеспейді. Биофизиканың қалыптасуына ат салысушы ғалымдардың бірі
профессор Б.Н. Тарусовтың айтуы бойынша биофизика дегеніміз биологиялық
жүйелердің физикалық химиясы және химиялық физикасы екен.
1961 жылы Стокгольмде өткен 1-халықаралық биофизикалық конгресте
биофизиканы мынандай салаларға бөлу ұсынылды:
1. молекула биофизикасы. Бұл сала организмді түзетін биологиялық
молекулалардың құрылысы мен физикалық қасиеттерін қарастырады;
2. клетка биофизикасы. Бұл сала клетканың ультрақұрылысың оның физикалық
және химиялық ерекшеліктерін және клетканың өтімділігің биоэлектрлік
потенциалын қарастырады;
3. күрделі жүйе биофизикасы (немесе басқару және реттеу процесінің
биофизикасы). Бұл сала организмдегі басқару жүйесінің ішкі байланысын
зерттеу және оның модулін жасау, олардың физикалық табиғатын анықтау
мәселелерімен айналысады.
Сонымен қатар биофизика организмге деген физикалық факторлар әсерін,
иондалған сәуленің биологиялық әсерін (радиобиология), көз оптикасын,
қозғалыс, тыныс алу, иіс сезу, есіту, қан айналыс органдарының жұмыс
әрекетін қамтиды.
Мысалы адамдар, жануарлар үнемі механикалық қозғалыста болады. Оларды
механикалық қозғалысқа түсіретін бұлшық ет болып саналады. Атап айтқанда
бұлшық еттің жиырылуынан адамдар мен жануарлар механикалық қозғалысқа
түседі. Бұлшық еттің жиырылуы адамдар мен жануарлар денесіне қажетті жылуды
қамтамасыз ететін болса, әрі қарай химиялық энергияны бірден механикалық
жұмысқа айналдыратын құрал болып саналады. Бұл кезде химиялық энергия
жылулық немесе электр энергиясына емес, бірден механикалық энергияға
айналады.
Биофизиканың міндетті өмірдегі құбылыстарды тану болып табылады.
Физиканың бір бөлігі бола отырып, биофизика биологиядан бөлінбейді.
Биофизика биологиямен, химиямен, физикамен, молекулалық биологиямен өте
тығыз байланысты. Қазіргі заманғы биофизика бірқатар биологиялық
құбылыстарды түсіндірудегі ірі жетістіктерге жетіп отыр. Соның ішінде біз
биологиялы функцианалды молекуланың құрылысы және қасиеті жөнінде, клеткалы
құрылымның әсер ету механизмі және қасиеті жөнінде; мынадай мембраналар,
биоэнергетикалық органоидтар, механохимиялық жүйелер жөнінде таныс болдық.
Биологиялық процестердің физика-математикалық моделдері жете зерттеліп,
дамытылды. Термодинамика, информация теориясына, автоматты реттеу
теориясына негізделген өмір құбылыстарындағы жалпы теориялық тәсілдер
жүзеге асырылды. Алғаш рет энергияның сақталу заның, термодинамиканың
негізін қалаған Майер, Джоул және Гельмгольц деген ғалымдар. Майер тірі
организмдерді, адамдарды бақылау нәтижесінде өзінің теориясын ұсынды.
Жиырлатын (сократительный) жүйелердің механикалық-химиялық табиғатын
1939 жылы бұлшық ет талшықтарының белогын –миозинді зерттеген Энгельгард
және Любимовпен ашқан.
1945 жылы Шредингер биофизика және молекулярлы биологияның дамуына
елеулі әсер еткен физиканың көз қарасы бойынша өмір деген не кітап
жазды. Бұл кітапта бірқатар маңызды мәселелер қарастырылды. Соның
біріншісі өмірдің термодинамикалық негізі. Шредингер организм теріс
энтропиямен қоректенеді деді. Бұл тұтас алғанда биосфера және организмдер
бөлінбеген, бірақ қоршаған ортамен және заттармен және энергиямен
алмастырылған ашық жүйелер екенін білдіреді. Ашық жүйелердегі тепе-
теңсіздік күй қоршаған ортадағы энтропиямен сақталынады.
Екінші мәселе жалпы организмнің құрылымды ерекшеліктері. Шредингер
бойынша организм апериодты кристалл болып табылады. Яғни қатты денеге
ұқсас, жоғарғы тәртіпке салынған жүйе, бірақ клетка, молекула, атомдардың
орналасуындағы периодтылықтан айырылған деп сипатталады. Мұндай пікір
(пайымдау) клетка және биологиялық макромолекулалар (белок, нуклеин
қышқылдар) организмдер құрылысы үшін орынды. Информация теориясы негізінде
өмір құбылысының қарастыруда апериодты кристалл жөніндегі түсінік маңызды
екенін көруге болады.
Үшінші мәселе биологиялық құбылыстың квантты механика заңына
сәйкестілігі. Тимофеев-Ресовский, Дельбрюк және Шредингер жүргізген
радиобиологиялық зерттеулер нәтижесін талқылай отырып, радиациалы
мутагенездің квантты табиғаты болатынын атап өтті. Биологияда квантты
механиканы қолдану жаңалық емес, себебі организмдер негізінде макроскопиялы
(көзбен көруге болады) болады.
Тірі организм ашық, өзін реттеуші, өзі өндіретін және геторегенді жүйені
дамытушы ретінде және маңызды функциональды заттар биополимерлер белоктар
және нуклеин қышқылдарды құралады. Организм тарихи жүйе, ол филогенетикалық
эволюцияның даму нәтижесі және өзі зиготадан кәрілікке және өлімге дейінгі
онтогенетикалы даму жолын өтеді.
Тірі табиғатын негізгі ерекшеліктері оның шексіз әр түрлігіне
байланысты. Қазіргі уақытта әр түрлі тірі организмдердің 3•106 дейін
түрлері белгілі. Әр түрлі көп клеткалы өсімдіктер немесе омыртқасыз
жануарлар санға жеткіз өте көп болады. Жерде екі бірдей организмдер
болмайды. Бұны өте кең аралықта жүзеге асатын генетикалық өзгергіштігімен
және ортамен өзара әрекеттесудің әртүрлігімен түсіндіріледі. Дарвиндік
эволюциясы өзгергіштікпен, шексіз жеке организмдермен байланысты.
Өлі табиғата жағдай басқаша болады. Әр түрлі атомдар саны, изотоптарды
санағанда бірнеше мыңдардан құралады. Қазіргі кезде 102 дейін элементарлы
бөліктері белгілі. Бірақта бұндай әр түрлілік тұқымқуалаушылықтың
жоқтығынан өлі табиғатын даму үшін маңызды мәнге ие болмайды.
Ашық жүйенің стационарлы күйі тепе-теңсіз және тұрақты немесе тұрақсыз
болу мүмкін. Бірқатар факторлар биологиялық жүйелердің тепе-теңсіз екенін
дәлелдейді. Биологиялы дамуы жүйенің тепе-теңсіз жағдайда ғана болуы
мүмкін. Динамикалық қайтымсыз процесстер жай өзгеретін немесе тіпті
өзгермей қалатын біріккен (ұйымдасқан) құрылымдар ішінде жүреді. Бұл
молекулярлыдан бастап, барлық биологиялық құрылымдар үшін орындалады.
Биологиялық құрылымның пайда болуын екі сатымен көрсетуге болады:
құрайтын элементердің биосинтезі (макромолекула, клетка) және олардан
ұйымдасқан (біріккен) жүйелерді жинау. Жинақтау процессі едәуір дәрежеде
термодинамикалық бақылауда болады, яғни молекулярлы деңгейде жүйе ен аз
химиялық потенциалды күйге ұмтылады.
Биологияда біз термодинамикалық және кинетикалық құбылыстадың күрделі
комплекстерімен кездесеміз. Термодинамикалық және кинетикалық айырмашылығы
химиялық реакциялардың өтуімен сипатталады. Реакция жүруі мүмкін, егер ол
тек қана бос энергия төменденуімен бірге жүрсе, ∆G0. Егер жүйелердің
бастапқы және соңғы күйі жоғарғы активациалы барьермен (кедергі) бөлінсе,
Аррениус заңына сәйкес, реакцияның жылдамдық константасы тең:
k=Aexp(-Eа RT)
А-экспоненциальды көбейткіш, R-газ тұрақтылығы, Т-абсолютті температура.
Eа –активациялық барьер. Сондықтанда тепе-теңсіз күйді жоғарғы барьермен
қорғалған тепе-теңдік ретінде қарастыруға болады. Мысалы, Н2 және О2
қоспасынан тұратын, тізбекті реакция кезінде сірінке жалынымен жарылатын
шытырлауық газ, бірақ тұрақты, яғни активациясы (активтілігі) болмаған
жағдайда квази тепе-теңдікте болады.
Биофизиканың әдістері және бөлімдері.
Тірі табиғат, тірі организмдер көп сатылы күрделі жүйелер болып
табылады. Биофизика және биология үлкен және кіші молекулалар, клеткалы
органоидтар, клеткалар, ткандер, органдар, организмдер, популяция,
бисфералармен айналысады.
Биофизика шартты түрде үш салаларға бөлінеді: молекулярлы биофизика,
клеткалы биофизика, күрделі жүйенің биофизикасы. Осы үш саланың әдістерін
және құрамын сипаттайық.
Молекулярлы биофизика биологиялы функциональды молекуланың физика-
химиялық қасиеттерін, құрылысын және ен алдымен биополимерлер – белок және
нуклеин қышқылдарын зерттейді. Молекулярлы физиканың міндеті биологиялы
функциональды молекулаға жауапты болатын физикалық механизмдерді шешу болып
табылады. Мысалы белок-ферменттің каталитикалық активтілігіне. Молекулярлы
биофизика биофизиканың ең дамыған саласы болып саналады. Ол молекулярлы
биологиядан және химиядан бөлінбейді. Осы саладағы ең үлкен жетістіктер
клеткалар және организмдерге қарағанда молекулаларды (күрделі белок
молекуласы) зерттеу болып саналады. Молекулярлы биофизика бір жағынан
биология, химия пәндерге (биохимия, молекулярлы биология, биоорганикалы
және бионеорганикалы химия), екінші жағынан кіші және үлкен молекулалы
физикасына сүйенеді.
Молекулярлы биофизиканың басты міндеттері молекуланың құрылысы және оның
функционалдылығы болғандықтан, ол молекуланың тепе-теңдік қасиетін
қарастырады. Молекулярлы биофизиканың теориялық аппараты (құралы) – тепе-
теңдік термодинамикасы, статикалық механика және молекула, химия жөнінде
болғандықтан квантық механика болып табылады. Биологиялы функциональды
молекуланы (биологиялық молекула) экспериментті зерттеу үшін көптеген
физикалық әдістер қолданылады. Біріншіден макромолекула физикасында
қолданатын әдістер: олардың молекулярлы массасын, көлемін және формасын
анықтау үшін ультрацентрифугадағы седиментация, зерттелетін заттардың
ертіндісін рентген сәулесі, жарықты шашырату арқылы анықтайды. Екінші
рентген сәулесінен бастап және радиожиілікті сәулеленумен аяқталатын
заттардың жарықпен әрекеттесуіне негізделген молекуланың құрылысын зерттеу
әдістері. Оптика және спектроскопия әдістеріне рентген құрылымды анализ, γ-
резонансты спектроскопия, электронды және тербеліс спектрлер, яғни
ультракүлгіндегі люминесценция және жұтылу спектрлері және көрінетін
областарда инфрақызыл спектрлері жатады.
Өте бағалы информацияны ядролы және электронды парамагнитті резонанс
(ЯМР және ЭПР) береді. Үшіншіден биологиялы макромолекуланың өзгеруін
(айналуын) зерттеу үшін қолданатын калориметрия әдіс. Сонында белок және
нуклеин қышқылдарын электронды микроскопия арқылы зерттеледі.
Осы әдістерді қолдану биологияға тән болып табылады. Молекулярлы физика
клетканың функционалдығын және ткандік жүйенің құрылысын зерттейтін клетка
биофизикасына ауысады. Оның басты міндетті биологиялық мембрана және
биоэнергетикалық процестердің физикасын зерттеумен байланысты. Клетка
биофизикасы нерв импульснің таралуын және генерациясын зерттейді, механика-
химиялық процессін (соның ішінде, бұлшық еттін жиырылуы), фотобиологиялық
құбылысты (фотосинтез, көру) зерттейді.
Биофизиканың химиялық негізі
Тірі клетка, тірі организм өте күрделі химиялық машина болып саналады.
Олар метоболизмнің нәтижесінде қоршаған ортаға заттардың бөлінуі және
сырттан түсетін, заттардың химиялық өзгеруі арқасында тіршілік етеді.
Биология және биофизика химиямен тығыз байланысты.
Ешқандай физикалық әдістер өз бетінше күрделі молекуланың құрылысын
химиялық зерттеулерсіз анықтай алмайды. Осы мәселелерді заттардың құрылысын
және оның химиялық реакциялардағы өзгерулерін химия шешеді. Тірі
организмдегі химиялық реакциялардың жүруі, биологиялық молекуланың қасиеті
және құрылысы жөніндегі биохимия ғылымы тәуелсіз дами бастады. Биохимия
күрделі метоболизмді түсіндіруде (ұғындыру) үлкен жетістіктерге жетті.
Физикамен одақтас болған биохимиядан негізгі биологиялық құбылыстарды, ен
алдымен тұқым қуалауды түсіндіретін физика-химиялықпен айналысатын
молекулярлы биология дамыды. Құрамында металл атомдары болатын биологиялық
молекуланы зерттейтін биоорганикалық химия, ал сосын бионеорганикалық химия
пайда болды.
Биологиялық молекуланың химиясының негізі ерекшеліктерін атап
көрсетейік:
1. Тірі жүйе міндетті түрде химиялық гетерогенді.
2. Тірі табиғат химиялық құрылыммен сипатталады. Негізгі химиялық
механизмдер және негізгі заттар барлық тірі табиғата бір тұтас. Барлық
ақуыздар жиырма аминқышқылдардан, барлық нуклеин қышқылдар төрт
нуклеотидтерден құралады. Бір және сол атомды құрылымдар барлық
организмдерде болады. Биохимиялық процестер іргелі және ұқсас
(біртекті) болып келеді.
3. Организмнің және клеткалардың қасиеті және құрылысы, ақуыздарды
синтездеуге генетикалық ақпаратын беретін, яғни заң шығаруға ие
болатын нуклеин қышқылдармен (ДНК және РНК) басқарылады. Ақуыздар өз
кезегінде орындаушы болып келеді, өйткені клеткадағы бір де бір
химиялық реакциялар арнай ферменттер қатысуынсыз жүрмейді.
4. Биохимиялық процесстер және биологиялық молекулалар эволюцианың даму
нәтижесі болып табылады. Химияны зерттегенде биологиялық дамуды
міндетті түрде ескеру керек.
5. Өмір дәлділікпен және жекелікпен сипатталады. Молекуланың
құрылысындағы айырмашылық, мысалы метил және этил топтарының
арасындағы айырмашылық химияда маңызды мәнеге ие болмайды, ал
биологияда өте маңызды (этил спиртті С2Н5ОН мастық күйге, ал метил
спиртті СН3ОН соқырлыққа әкеледі). Биологиялық молекула және
макромолекулалар қатаң түрде белгілі құрылысқа және құрылымға ие
болады.
6. Организмдегі химиялық реакциялар метаболизмнің көп сатылы
процестеріндегі тура және қайтымды байланыстармен реттелген сияқты,
клеткалы және клетка ішілік мембраналармен жүзеге асатын
компартментация әсерінен реакцияның кеңістіктік бөлінуімен реттеледі.
Электролиттер
Организмдер көптеген иондардан органикалық және неорганикалық катиондар
және аниондардан, ақуыздардағы амин қышқылдар қалдықтарының негіздік және
қышқылдық топтардан және нуклеин қышқылдарындағы нуклеотидтерден құралады.
Иондардың электролиттік диссоциациясы олардың сулы ортасымен анықталады.
Электролиттік теориясы физикалық химия курсында баяндалады.
Бренстед теориясы бойынша қышқыл дегеніміз протон бөлініп шығатын
молекула, ал негіз протонды қосып алатын молекула.
Н2О Н++ ОН- реакциясындағы су қышқыл болады және
Н2О+Н+ Н3О+ реакциясында негіз болады (оксония ионы). Су өте әлсіз
электролит, оның диссоциация константасы аз болады. 25°С-та судың [Н+][ОН-
]=K[Н2О] = 10-14моль2л2
Өйткені [Н+]= [ОН-], судағы сутегі иондардың концентрациясы 10-7мольл
құрайды. Бұл шаманы ондық логарифмен рН–пен белгілейміз. Су үшін, яғни
нейтралды орта үшін, рН=7. Сәйкес қышқыл үшін рН7, ал негіз үшін рН7.
Биологиялық электролиттер әдетте әлсіз, яғни олар аз диссоциацияланады.
Кейбір қышқылдардың диссоциациясын қарастырайық НА Н++ А-. Диссоциация
константасы, яғни бұл реакцияның тепе-теңдік константасы К тең
К =аН аА
а НА
аН =аА және а НА ертіндідегі сәйкесті заттардың активтілігі.
Ертіндідегі активтілік молярлы концентрацияға тең. Сондықтан
[Н+]2=К [НА], рК=lgK белгілейміз, рН=½(pKlg[HA]). Судағы әлсіз
қышқылдың ионизация дәрежесі
α= [A‾] ≈[Н+] = √ К
[A‾]+[HA] [HA] [HA].
Негізгі биохимиялық процестер
Биологиялық молекулалар биологиялық эволюцияның дамуы кезінде пайда
болатын әртүрлі организмдердің тіршілік әрекетінің процестеріне қатысады.
Үлкен және кіші биологиялық молекулалар биосинтез, метоболизм және
биоэнергетиканы қамтамасыз етеді. Нуклеин қышқылдар ақуыздардың
биосинтезіне жауапты. Осыдан олар заң шығарушы қызметін атқаратынын
көруге болады. Өз кезегінде орындаушылар ақуыздар барлық биохимиялық
процестерге катализатор-фермент ретінде міндетті түрде қатысады.
Биосинтезді және метаболизмді жүзеге асыру үшін клеткалардағы химиялық
түрде жиналған қажетті энергия, көбінесе АТФ болып саналады. Метоболиттік
биоэнергетикалық процестердің өзіндік нәтижесі АДФ және неорганикалық
фосфаттан АТФ-ты синтездеуге ие болады. Бұл тыныс алу және ащу
процестерінде жүреді. Оттегінің қатысуымен өтетін метоболиттік процестер
(ен алдымен тыныс алу кезіндегі тотығып фосфорилдену) аноэробты
процестерге қарағанда біршама аз және эволюциясы кеш анықталған. Оттегі
қатысуынсыз азық заттарындағы органикалық молекула толық жануы (тотығу)
мүмкін емес. Оған қарамастан осы күнгі анаэробтық клетканың қасиеті
көрсеткендей және олар өмір сүру үшін қажетті энергияны тотығу-тотықсыздану
процестері жүру кезінде алынады. Аэробты жүйеде сутегі акцептор (тотықтыру)
ретінде О2, ал анаэробтыда басқа заттар болады. Оттегінсіз (О2) тотығу екі
ашу жолымен жүзеге асады. Гликолиз және спирттік ашу. Гликолиз үш
көміртегінен тұратын екі молекула пируватқа (пирожүзім қышқылы) дейін
гексозаның (глюкоза) көп сатылы ыдырауы кезінде жүреді. Осы жолда НАД-тың
екі молекулалары НАД-қа дейін тотықсызданады және АДФ-тың екі молекулалары
фосфорилденіп АТФ-тың екі молекуласы алынады. Қайтымды реакция әсерінен
НАД·H НАД+H пируваттан лактат (сүт қышқылы) алынады. Спирттік ашу
кезінде пируваттан этил спиртті алынады. Қосымша СО2 бөлінеді. Реакцияда:
С6Н12 О6 +4НАД +2АДФ-2Ф 2Н3С·CO·COOH+4НАД·Н+2АТФ,
пируват
2Н3С·CO·COOH+4НАД·Н 2Н3С·CН (OH)·COOH+ 4НАД,
лактат
2Н3С·CO·COOH+4НАД·Н 2С2Н5 ОН +2СО2 +4НАД
Судың ыдырауы және СО2 бөлінуімен жүретін пентозофосфат деп аталатын
гликолиттік және спирттік ашу қосымша саты болып табылады.
Сыртқы ортада СО2 болғандықтан фотосинтез жүру мүмкіндігіне ие болды.
Алғашқы бактериалды фотосинтез, ал сосын жасыл өсімдік фотосинтезі 3-2·109
(3-2миллион) жыл бұрын дамыған. Фотосинтез жарықтың жұтылуынан және оның
энергиясы биологиялық молекулалардың химиялық энергиясына айналуынан
тұрады. Бұл үшін жарықты сіңіретін (жұтатын) қосылыс қажет болды. Соның
бірі порфиринді циклдерден тұратын хлорофилл және цитохромдар. Кванттық
жарықтың жұтылу нәтижесінде хлорофилдегі электрондар жүйесі жоғарғы
деңгейдегі энергияға ауысады. Әр қарай электрондарды тасмалдайтын тізбек
жұмыс істейді, оның негізгі қатысушылар тотығу-тотықсыздану ферменттері
цитохромдар болып табылады. Алғашқыда хлорофилдегі жиналған энергия қоры
биологиялық тиімді түрге АТФ және НАДФ-ке бөлінеді. Фотофосфорилдену
жүреді.
Демек, эволюцияның ең соңғы сатысында СО2–ның көмірсуларға дейін
фотосинтетикалық тотықсыздану (тотығу) пайда болған. Сонда прокариоттағы
суттегі (бактериалды фотосинтез) көзі ретінде әр түрлі молекулалар, ал
жасыл өсімдіктерде су қызмет етеді. Қоршаған ортаға оттегі бөлінеді. Оның
атмосфераға жиналуы фотосинтездің нәтижесі болып табылады. Жалпы реакциясы:
6СО2+12Н2О С6Н12 О6 +6Н2О +6О2
Метоболизмнің күрделі процестері, қор болып жиналған және жұмсалған
энергия клеткада шоғырланған (локализованы). Тыныс алу митохондрия
мембранасында, ал фотосинтез хлоропластың мембранасында жүзеге асады.
Биологиялық процестер эволюциялы бейімделген. Шөлдегі жануарлар және
құстардың метоболиттік энергия көзі гликоген емес май болып табылады. Шөлде
тек қана энергияның шығуын ғана қамтамасыз етпейді, сонымен бірге
гликогеннің тотығуына қарағанда судың максималды бөлінуін қажет ететін
майдың тотығу кезінде екі есе суды өндіру керек.
Күшті және әлсіз әрекеттесулер
Биологиялық молекулалардағы әрекеттесулерде синтетикалық органикалық
қосылыстар молекулалары тәрізді күшті коваленттік байланыс болады. С-С
байланысын үзу үшін қажетті энергия 348,6 кДжмоль, С-N байланысның
энергиясы 336 кДжмоль тең. Күшті әрекеттесулерді биополимерлердің,
аминқышқылдық қалдықтардың, нуклеотидтердің, гексозалардың тізбектік
құрылысы анықтайды. Күшті байланыстар сыртқы атомдардың электрондарынан
түзіледі. Коваленттік байланыстың теориясы тек қана кванттық механикаға
негізделуі мүмкін. Сәйкесті физика немесе теориялық химия квантты механика
деп аталады.
Ферменттермен катализденетін биохимиялық реакциялардың жүру кезінде
химиялық байланыстардың, электрон қабатының қайта құрылуына әкеледі.
Бірақта биологиялық молекулалар жұмыс істемес еді және бізге белгілі
түрде өмір сүрмес еді, егер биологиялық молекулалар ішінде күшті
әрекеттесулерден басқа олардың арасында валентсіз, химиялық емес әлсіз
күштердің әрекетті болмаса. Клеткалар және олардың органоидтары
гетерогенді. Олардың тіршілік етуі және қызметі валентсіз сипатта молекула
аралық әрекеттесулермен анықталады. Клеткадағы барлық молекулярлық
функцияны орындайтындар-ақуыздар липидтермен және көмірсулармен, нуклеин
қышқылдарымен және кіші молекулалармен әрекеттеседі. Бұл әрекеттесулер
көбінесе әлсіз, себебі күшті әрекеттесулер аса қатты және тұрақты құрылымды
және биологиялық молекулалар орындау үшін және олар әртүрлі міндеттерді
шешу үшін қажетті молекулярлы қозғалғыштығынан айырылған құрылымды құрайды.
Биологиялық жүйедегі әлсіз әрекеттесулердің түрлерін аттап өтейік және
оларды сипаттайық.
1.Ионды байланыстар. Иондар арасында әрекетесу күші Кулон заңымен
түсіндіріледі. е1 және е2 зарядтарымен екі иондардың әрекеттесу энергиясы
тең: Uион = е1 е2
Er
r-иондар арасындағы ара қашықтық, Е-ортаның диэлектиктік өткізгіштігі.
Әр аттас (разноименные) зарядтар тартылады, Uион 0, аттас (одноименные)
зарядар тебіседі, Uион 0. Ионды байланыстар ақуыздағы ионогендердің
арасында (мысалы, Глу- ,Лиз+), осындай топтардың арасында және кіші ионға
қарсы (противоионами) нуклеин қышқылындағы фосфат топтарының және
катиондардың арасында және т.б. түзіледі.
2. Ионды-дипольды әрекеттесулер
Иондар және молекуланың полярлы топтары арасында ионды-дипольды
әрекеттесулер түзіледі. Олар ионның зарядымен және әрекеттесуші атом
топтарының диполдік моментімен анықталады.
3.Сутектік байланыс. О-Н, N-H,F-N,C-H, кейде S-H топтарындағы сутегі
атомы құратын донорлы-акцепторлы әрекеттесу болып табылады. Сутегі осы
топтарды валентті қаныққан атомдармен О, N,F, байланыстырады, мысалы, суда:
Н Н
О Н...О Н...
Сутектік байланыс судың қасиетін және құрылысын анықтайды, олар
биополимерлердің құрылысының құрылуында және олардың кіші молекулалармен
әрекеттесуінде өте маңызды роль атқарады.
4.Гидрофобты әрекеттесу. Биополимерлер-ақуыздар және нуклеин қышқылдар
сулы ортада қызметін атқарады. Гидрофобты күштер полярсыз атомдар
топтарымен және су молекуласының арасында тебісу күштерінен пайда болады.
Гидрофобты әрекеттесулер ақуыздардың, надмолекулалар жүйесінің
(мембраналар) және т,б. құрылысының құрылуында маңызды роль атқарады.
Әлсіз әрекеттесулер молекуланың иілгіштгіне, яғни биополимерлердің
конформациялық қасиетіне жауапты болып келеді.
Негізгі әдебиеттер:
1.Антонов В.Ф. и др. Биофизика. М.: ГІҢВЛАДОС, 1999
2.Березин Т.И. Медицинская биофизика. - М.: Высшая школа, 1988.
3.Блюменфельд Л.Д. Проблемы биологической физики. - М.: Наука, 1977.
4.Волькенштейн М.В. Биофизика. - М.: Наука, 1988.
5.Губанов Н.И., Утепбергенов А.А. Медицинская биофизика. - М.: Медицина,
1978.
6.Инюшин В.М. Конспект лекций по обіңей биофизике. Алматы: КазГУ, 1994.
7.Кудряшов Ю.Б., Беренфельд Б.С. Основы радиационной биофизики.-М.: МГУ,
1982.
Қосымша әдебиеттер:
1.Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. -М.: Высшая школа, 1987.
2.Рубин А.Б, Биофизика. 1-2 том. - М: Книжный дом, 2000.
3.Тарусов Б.Н. и др. Биофизика. - М.: Высшая школа, 1968.
4.Тулеуханов С.Т. и др. Оценка состояний биокибернетических систем по
биоритмологическим показателям на принципах распознавания образов. - М.:
ИКИ, 1994.
Лекция 2
Биологиялық жүйелердің термодинамикасы.
4. Термодинамиканың негізгі түсініктері. Термодинамикалық жүйелердің
классификациясы.
5. Термодинамиканың бірінші заңын изопроцестерге қолдану
6. Термодинамиканың екінші бастамасы
4.Энропия
Организм және клетка қоршаған ортаның және клетканың арасында, сонымен
қатар клетканың ішінде заттарды тасмалдаудың және химиялық реакциялардың
нәтижесінде жұмыс істейтін химиялық машина. Осыған сәйкес биологиялық
жүйені физикалық тұрғыдан түсіндіруде термодинамикаға негізделеді.
Термодинамика физиканың бір бөлімі ретінде энергия мен жұмыстың
арасындағы қатысты карастырады. Термодинамиканы кейде жылудың жалпы
теориясы деп те атайды.
Термодинамикалық дене немесе жүйе деп белгілі бір көлемге ие болатын
затты айтады. Термодинамикалық жүйе (дене) үш параметрмен, температура Т,
көлем V және қысым Р-сипатталады. Жүйенің бір күйден екінші күйге өтуін
термодинамикалық процесс дейді (бір күйден екінші күйге өткенде бір
параметрдің мәні өзгерсе болғаны). Айталық, термодинамикалық жүйе бір
күйден (V1, Р1, Т1) екінші күйге (V2, Р2, Т2) өтті делік. Онда ол і
күйлерді бастан кешірсін. Енді осы жүйе кері бағытта 2 күйден 1 күйге
келген кезде, барлық күйлерді басынан кешіре отырып, жүйенің өзінде де және
оны қоршаған ортада да ешқандай өзгеріс байқалмаса, онда ондай процесті
қайтымды процесс деп атайды. Егер жүйе 2-күйден 1-күйге өткенде не жүйенің
өзінде, не оны қоршаған ортада өзгеріс болатын болса, ондай процесті
қайтымсыз процесс деп атайды. Өмірде болып жататын процестер қайтымсыз
процесс болып саналады.
Енді термодинамиканың заңдарын қарастырайық.
Термодинамиканың бірінші заңы
Термодинамикалық тепе-теңдіктің жоқ болуына қарамастан жүйенің ұзақ
уақыт бойына өзінің кейбір физикалық және химиялық қасиеттерін сақтап тұру
қасиеті стационар күй деп аталады. Егер жүйенің параметрлері оның қоршаған
ортамен әрекеттесу кезінде уақыт өткен сайын өзгермесе, онда жүйенің күйін
стационарлы деп атайды. Осындай күйдің мысал ретінде үй тоңазытқышытың ішкі
бөлігінің жұмысының күйі, адам денесінің күйі, үй бөлмесін жылытатын ауаның
күйі және т.б.
Жүйенің әр түрлі бөлігіндегі стационарлы күйде болатын параметрлердің
мәні әдетте өзгеше (әр түрлі) болып келеді. Адам денесінің әр
бөліктеріндегі температура, биологиялық мембраналардың әр бөліктеріндегі
диффузияланатын молекуланың концентрациясы және т.б. Жүйедегі, сонымен,
кейбір параметрлер тұрақты градиенттерді ұстап тұрып, тұрақты жылдамдықпен
химиялық реакциялар жүру мүмкін.
Стационарлық күй жүйе арқылы өтетін зат және энергия ағыны есебінде
ұстап тұрылады. Схема түрінде суретте жүйенің әр түрлі нүктесінде
температура бірдей емес стационарлық күйі (а) көрсетілген.
Ағын жоқ
кіретін Т1≠Т2 шығатын
Т1 = Т2
ағын ● ● ағын
● ●
1 2
1 2
а)
б)
Стационарлы күйде энергия және зат қоршаған ортамен алмасады (ашық жүйе)
немесе тек энергиямен алмасатын (жабық жүйе) жүйелер болуы мүмкін. Қоршаған
ортамен энергия не заттармен алмаспаған термодинамикалық жүйені жекеленген
(тұйық, изолированный) деп атайды. Жекеленген жүйе уақыт өткен соң
термодинамикалық тепе-теңдік күйге келеді. Мұндай күйдегі, стационарлық
күйдегі сияқты жүйенің параметрлері уақыт өткен соң өзгеріссіз қалады.
Жекеленген жүйенің термодинамикалық тепе-теңдігі б) суретте көрсетілген.
Термодинамикалық жүйе деп клетканы, организмді және т.б. айтуға болады.
Термодинамикалық жүйенің ашық және жабық деген екі түрі бар. Жабық жүйе де
оқшауланған және тұйық болып бөлінеді. Егер жүйе өзін қоршаған ортаға
энергия бермесе және алмаса, онымен зат алмаспаса, онда оны оқшауланған
жүйе деп атайды. Басқаша айтқанда оқшауланған жүйе өзін қоршаған ортамен
энергия және зат алмаспайды. Ал жүйе өзін қоршаған ортамен тек қана энергия
алмаса алатын болса, онда оны тұйық жүйе деп атайды. Ал жүйе өзін қоршаған
ортаға энергия берсе және алса, онымен зат алмаса алатын болса, ондай
жүйені ашық жүйе деп атайды. Шынын айтқанда организм жылу машинасы ретінде
емес, химиялық машина ретінде жұмыс істейді. Жабық жүйені қоршаған ортамен
әрекеттесуін қарастырайық. Олардың арасындағы энергия алмасуы екі әртүрлі
процестеріндегі жұмыс және жылу алмасу кезінде жүзеге асуы мүмкін.
Жылу алмасу процесіндегі энергия берілуі жылу мөлшеріне, ал жұмыс жасалу
процесіндегі энергия берілу мөлшері жұмыс болып табылады. Оның көлемі
өзгерген кезде газбен жасалатын жұмысты есептеп шығарайық. Цилиндірлік
ыдыстағы поршеннің астында болатын газ V1-ден V2 дейін изобарлы кеңейеді
деп болжайық (сурет-1). Сонда поршень ∆ℓ=ℓ1−ℓ2 орны ауысады, ал көлем
∆V=V1− V2 өзгереді.
∆ℓ
... ... ... ... ... ... ℓ1 ℓ2
... ... ... ... ... ...
Сурет-1
Поршеньнің көлденен қимасының ауданына S газдың жағынан қысымның Р
болғандықтан күш әсер етеді F=pS. Себебі осы күштің бағыты поршеннің орын
ауыстыру бағытына сәйкес келеді, сонда газбен жасалатын жұмыс
A=F∆ℓ=pS∆ℓ=p∆V.
Газ кеңейген кезде ∆V0 және жұмыс оң (A0) болады; сығылған кезде ∆V0
және A0. Бұл жерде газбен жасалатын жұмыс туралы емес, ал сыртқы күштер
турал екенін ескеру керек.
Егер көлем өзгерген кезде газдың қысымы өзгересе, онда көлемнің dV аз
өзгеруіне сәйкес келетін элементарлы жұмысты былай есептеуге болады:
dA=pdV. (1.2)
(1.2) формуланы интегралдасақ газбен жасалатын жұмысты аламыз:
(1.3)
Мысал ретінде изотермиялық процесс кезіндегі идеалды газдың жұмысын
табайық. Бұл үшін (1.3) формуласыдағы қысымның орнына Менделеев-Клайперон
теңдеуін қойсақ:
Сонда
Бұл жерде m-газдың массасы, M-молярлы масса,Т-термодина–микалық
температура, R=8,31 Дж(моль·К) газ тұрақтысының молярлығы.
Термодинамиканың бірінші заңы энергияның сақталу заңынан туындайды. Дене
бір күйден екінші күйге өткенде оның ішкі энергиясының өзгеруі денеге
жасалған жұмыс пен дененің қабылдаған жылу мөлшерінің қосындысына тең:
dU=dA+dQ
Бұл термодинамиканың бірінші заңы. Термодинамиканың бірінші заңы
бойынша бұл формуланы былай тұжырымдауға болады: Денеге берілген жылу
мөлшері сол дененің ішкі энергиясын өзгертуге және сыртқы күштерге қарсы
жұмыс істеуге жұмсалады.
Термодинамиканың бірінші заңы табиғатта болып жатқан процестердің бағыты
жөнінде ешқандай мағлұмат бермейді. Екі дене алайық, сөйтіп оларды бірімен-
бірін әсерлестірейік (ол екі дене басқа денелермен әрекеттеспейді). Бір
дене Q1 жылу алды, ал екінші дене Q2
жылу берді делік. Сонда Q1= Q2 болады. Ал жылу қай бағытта жүреді,
бірінші денеден екінші денеге беріле ме, әлде екінші денеден бірінші денеге
беріле ме. Бұл жөнінде термодинамиканың бірінші заңы жауап бере алмайды.
Термодинамиканың бірінші заңын изопроцестерге қолдану
Газ күйін сипаттайтын параметрлер температура Т, көлем V және қысым Р-
қысым екені белгілі. Осы параметрлердің біреуі тұрақты болғанда жүретін
процесті изопроцестер деп атайды. Олар Бойль-Мариотт, Гей-Люссак және Шарль
заңдарымен анықталады. Енді термодинамиканың бірінші бастамасын осы
процестерге қолданайық.
1.Изотермиялық процесс. Бұл процесте Т=const болады, қысым мен көлем
былай байланысады: PV= const, яғни Бойль –Мариотт заңы бойынша: температура
тұрақты болғанда,газдың берілген массасы үшін газ қысымының оның көлеміне
көбейтіндісі де тұрақты шама болады.
Температура тұрақты болғандықтан бұл процесс кезінде ішкі энергия
өзгермейді, яғни dU=0. Олай болса, термодинамиканың бірінші бастамасы
изотериялық процесс үшін былай жазылады:
dQ=dA
Процесс кезінде температура тұрақты болса, ондай процесті изотермиялық
процесс деп атайды.
2. Изохоралық процесс. Бұл процесте V= const, қысым мен температура
= const түріннде байланысқан. Шарль заңы: көлем тұрақты болғанда
газдың берілген массасының қысымы газдың абсолют темпратурасына пропоционал
болады. Көлем тұрақты болғанда өтетін процесті изохоралық процесс деп
атайды. Изохоралық процесс үшін dA= 0. Олай болса бұл процесс үшін
термодинамиканың бірінші бастамасы былай жазылады: dQ= dU.
3. Изобаралық процесс P= const. Гей-Люссак заңы: қысым тұрақты
болғанда, газдың берілген массасының көлемі газдың абсолют темпратурасына
пропоционал болады. Бұл процесте =const . Бұл кездегі жұмыс қысымның
көлем өзгеруінің көбейтіндісімен анықталады.
A=Р(V2 -V1)
Денелердің жылулық қасиеттерін сипаттау үшін термодинамикаға жылу
сыйымдылық деген ұғым енгізіледі.
Денеге берілген немесе дененің берген жылуы мына формуламен анықталатыны
белгілі: Q=mcΔΤ
Мұндағы m-дененің массасы, c-дененің меншікті жылу сыйымдылығы, ΔΤ- дене
температурасының өзгеруі.
Кейбір жағдайларда дененің қызуы немесе сууы кезінде меншікті жылу
сыйымдылығы өзгеріп отыруы мүмкін. Олай болса, темпера–тураның өзгеру
интервалында температураның өте аз өзгеруін dΤ алып, ондағы с-ті тұрақты
деп қарастыруға болады. Олай болса: dQ=сmdΤ
Осыдан с=
Термодинамиканың екінші заңы.
Термодинамиканың бірінші бастамасы энергияның сақталу занынан туындайды,
бірақ процестің жүру бағыттың түсіндірмейді.
Термодинамиканың екінші заңы өмірде болатын процестердің бағыты жөнінде
мағұлмат береді. Бұл заңның негізін салған француз физигі Сади Карно. 1884
жылы ол жылудың жұмысқа айналуы туралы ғылыми еңбек жазды.
Термодинамиканың екінші заңының мәнін түсіну үшін мысал қарастырайық.
Мысалы, тұз бен су алып, одан қоспа алуға мүмкіндік туады. Ал енді тұзды
судан ажырату үшін суды буға айналдырып жіберу керек. Оған энергия қажет.
Оның үстіне бұл кезде тұзды су қоспасын қоршаған ортаның да жағдайы
өзгеріске ұшырайды. Сонымен диффузия бір бағытта жүретін процесс екен. Сол
сияқты жылу алмасу да бір бағытта жүреді. Мысалы ыстық денені суық денемен
түйістірсек, онда біраздан кейін ол екі дене температурасының теңесетінін
байқаймыз. Ыстық дене суиды, ал суық дене жылиды. Сонда энергия ыстық
денеден суық денеге беріледі. Осыған кері процесс болуы мүмкін емес. Олай
болса жылу алмасу да бір бағытта жүретін процесс. Осы бағытты және өмірде
болатын жылу процестерінің қайтымсыздығы термодинамиканың екінші заңымен
анықталады. Бұл заңды сипаттайтын бірнеше анықтама бар, олар біріне-бірі
эквивалентті. Соларға тоқталайық.
Клаузиус анықтамасы. Жылу ешқашан да суық денеден ыстық денеге
берілмейді.
Томсон-Планк анықтамасы. Қыздырғышты суыту арқасында онан алынған жылу
мөлшерін түгелімен жұмысқа айналдыру мүмкін емес.
Оствальд анықтамасы. Мәңгі двигательдің екінші түрін жасау мүмкін емес.
Кейде термодинамиканың бұл екі заңын мәңгі двигательдер жасауға
болмайтынын дәлелдейтін заңдар деп те атайды.
Бірінші заң. Мәңгі двигательдің бірінші түрін жасау, яғни сырттан
энергия алмай жұмыс атқаратын машина жасау мүмкін емес.
Екінші заң. Мәңгі двигательдің екінші түрін жасау, яғни тек бір дененің
сууы нәтижесінде жұмыс жасайтын машина жасау мүмкін емес.
Жылу машинасы (двигатель)
Жылу машинасы деп отының ішкі энергиясын механикалық энергияға
айналдыратын, яғни отын молекуласының ретсіз (хаосты) қозғалысын тәртіпті
қозғалысқа түсіретін құралды айтады.
Жылу машинасындағы жұмыс жылу есебінде берілу арқылы жасалады, бірақ
жылудың бөлігі міндетті түрде тоңазытқышқа беріледі.
Суретте- мүмкін емес (а) және мүмкін (б) болатын периодты процестер
схема түрде көрсетілген.
Қыздырғыш Q Мәнгі A=Q
двигатель
екінші түрі
а)
Q1 Q2
Қыздырғыш жылу
тоңазытқыш
машинасы
А= Q1 - Q2 б)
Жылу машинасы мынадай бөліктерден тұрады: 1) жұмысшы дене (машинаның
жұмысшы бөлігінде, механикалық жұмыс атқарады); 2) қыздырғыш (жұмысшы
дененің ішкі энергиясын өсіруге көмектесетін құрал); 3) тоңазытқыш (жұмысшы
денеден жылу бөліп алады). Жұмысшы дене (мысалы газ) қыздырғыштан Q1 жылуын
алады. Жұмысшы дене көлемін ұлғайтады (газ поршеньді итереді). Жұмысшы дене
сығылған кезде Q2 энергиясын тоңазытқышқа береді.
Мұндай жылу машинасының пайдалы әсер коэффиценті (п.ә.к.) былай
есептеледі:
Жылу машинасының пайдалы әсер коэффиценті деп атқаратын жұмыстын
қыздырғыштан жұмысшы дене алған жылуға қатынасын айтады.
Сонымен, жылу машинасының ПӘК бірге тең бола алмайды, яғни машина
тоңазытқышсыз жұмыс істей алмайды. Бұл да термодинамика–ның екінші заңының
айтылуының бір түрі.
Енді термодинамиканың екінші бастамасын түсіндіретін кейбір мысалдарды
қарастырайық.
Поршень бар цилиндр алайық. Цилиндрдің ішінде, поршеньнің астында бір
моль идеал газ бар екен делік. Енді осы цилиндрге қыздырғышты әкеліп
түйістірсек, онда қыздырғыштың жылуы газға беріледі де, газ энергиясы
артып, ол поршеньді жоғары көтере бастайды (сурет-2). Бұл кезде газ
изотермиялық түрде кеңейеді де, оның көлемі V2 -ге жетеді. Суретте ол 1-2
изотермамен бейнеленеді. Бұл процесті изотермиялық кеңею деп атайды. Газ
көлемі V2 –жеткенде, қыздырғышты газдан бөліп алып кетеміз. Газ сонда да
кеңеюін тоқтатпайды. Ол кеңейе отырып V3 –көлемге жетеді. Бұл адиабаттық
кеңею деп аталады, яғни газ сырттан жылу алмайды және сыртқа жылу бермейді.
Суретте ол 2-3 бейнеленген. Енді цилиндрге мұздатқышты әкеліп жабыстрамыз.
Сонда газдың біраз жылуы мұздатқышқа өтеді. Ол жылуды Q2 деп белгілейік.
Поршень төмен түсе бастайды. Сөйтіп поршень 3 нүктеге келгенде, газдан
мұздатқышты ажыратамыз. Сонымен 2-3 бөлікте газ изотермиялық түрдесығылады.
Мұздатқыштан ажыратылған поршень тоқтап қалмай төмен қарай түсе береді.
Бұл кезде газ сыртқа жылу бермейді және сырттан жылу алмайды. Мұны
адиабаттық сығылу деп атайды. Бұл процесс 4-1 бейнелейді. Сөйтіп поршень
бастапқы (1 жағдайға) қайтып келеді.
Р
Р1V1 1 Т1
2 р2V2
р4V4 4
Т2 3 р3V3
V
сурет-2
Осыны Карно циклы деп атайды. Сонымен Карно циклы екі изотермиялық және
екі адиабаттық процестерден тұрады. Қыздырғыштан жұмысшы денеге жылу
мөлшерінің берілуі Т1-температурасы кезінде , ал жылу денесінен мұздатқышқа
берілуі Т2- температура кезінде жүреді. Карно циклының пайдалы әсер
коэффиценті қыздырғыш және мұздатқыштың температурасына байланысты болады
Т1 және Т2:
Энтропия.
Жүйедегі ретсіздік өлшемін энтропия деп атайды. Егер жүйеде толық тәртіп
орнаса, онда энтропия минимум болады. Ретсіздік артқан сайын энтропия өсе
түседі. Жүйеде толық хаос орнаса, онда энтропия ең жоғарғы мәнге
(максимумға) ие болады. Қатты дене, сұйық және газ алайық. Осы үшеуінің
атомдарының қозғалысын қарастырайық. Қайсысының атомдары ең жоғары
энтропияға ие болады деген сұрақ қойсақ, онда сұйық атомдарының қатты дене
атомдарына қарағанда ретсіз, жүйесіз қозғалыста болатынын білеміз. Олай
болса сұйықтағы энтропия қатты денеге қарағанда көп болады, энтропия S-пен
белгіленеді. Біз жоғарыда екенін тапқан едік. Осыдан немесе
табамыз. Бұл жерде Q2 жұмысшы дененің тоңазытқышқа берген жылуы.
Сондықтан да ол теріс. Олай болса (1) деп жазуға болады. Жалпы
алғанда шамасы жылудың келтірілген мөлшері деп аталады. Процестің өте
аз бөлігінде денеге берілген жылудың келтірілген мөлшері мынаған
тең:.
Кез келген қайтымсыз процесс үшін жылудың келтірілген мөлшерінің
қосындысы нольге тең болады. Сонда (1) теңдеу жалпы түрде былайша
жазылады:
Интеграл астында тұрғандегеніміз қайсібір функцияның толық
дифференциалы болып есептеледі. Ол функция тек қана жүйенің күйімен
анықталады. Бұл функция мынаған тең:
Осы функцияны энтропия деп атайды да, оны S деп белгілейді. Бұл
функцияны енгізген Клаузиус болатын. Жүйедегі ретсіздік өлшемі энтропия
болғандықтан, оны формула түрінде былайша өрнектеледі: S=klnW. Мұндағы k-
Больцман тұрақтысы, W-жүйе күйінің термодинамикалық ықтималдығы. Бұл
Больцман формуласы деп аталады. Жүйе белгілі бір макро күйге түсу үшін
бірнеше микро күйден өтеді. Жүйені макрокүйге түсіру қанша микро күйден
өткенін көрсететін санды жүйе күйінің термодинамикалық ықтималдығы деп
атайды.
Егер организмнің энергияның жаңа көзі болып саналмайтыны, екіншіден
организмге келіп түскен тамақтың тотығуы нәтижесінде организмнің жұмыс
істеуіне қажетті энергия бөлініп шығатыны дәлелденсе, онда термодинамиканың
бірінші бастамасын тірі организмге қолдануға болады екен. Бұл мәселені
дәлелдеу үшін сонау XVIII ғасырдан бастап көптеген тәжірибелер жүргізілді.
Ақыр соңында организмге келіп түскен тамақтан пайда болатын энергияның
мөлшері организм жұмыс істегенде кететін энергияның мелшеріне тең екені
анықталды (1-кесте).
1-кесте
Адам организмінде бір тәулік ішінде жүретін жылу балансы
Кіріс кДж Шығыс кДж
Берілген тамақ Бөлінген жылу 5743
Белок (56, 82) 991 Газбен 180
Майлар (140, 2) 5463 Дәретпен 96
Углеводтар 79, 92 1400 Дем алғанда 757
Тері арқылы 949
Әр түрлі түзетулер46
Барлығы 7854 7771
Шамамен алғанда берілген энергия (7854 кДж) денеден бөлінген энергияға
(7771 кДж) тең екен. Олай болса организм энергияның жаңа көзі болып
саналмайды екен. Осыдан келіп, термодинамиканың бірінші бастамасы
биологиялық жүйелерге де жарай береді деген қорытындыға келеміз. Жан-
жануарлардың организмінен бөлініп шыққан энергия оны қоршаған ортаға
таралып кетеді. Осы энергияны өлшеу үшін биологиялық калориметр деген
қолданылады. Биологиялық калориметр қабырғалары жылу өткізбейтін камерадан
тұрады. Камераға оттегі беріліп отырады, одан яғни камерадан ауа желдеткіш
арқылы далаға шығарылады. Су тутіктер арқылы камераға еніп, одан сыртқа
шығып жатады. Осы биологиялық камераға мал қамап қойса, онда оның денесінен
бөлініп шыққан энергия түтіктен суға беріледі де, судың температурасы
көтеріледі. Судың камераға кірердегі температурасы мен камерадан шығардағы
температурасын өлшеп, мал денесінен бөлініп шыққан энергия деп табуға
болады.
5. Гесс заңы
Тағамдар тотыққанда бөлініп шығатын энергияны калай анықтауға болады?
Жан-жануар организміне түскен тамақтың күрделі биохимиялық реакцияға
түсетіні мәлім. Соның нәтижесінде ол тамақ әсерінен қанша энергия бөлініп
шығатынын қалай табуға болады деген заңды сұрақ туады. Бұл сұраққа 1836
жылы ашылған Гесс заңы жауап береді.
Көптеген сатылардан өтіп келген химиялық реакцияның жылулық эффектісі
реакцияның жүріп өткен жолына байланысты болмайды, ол тек қана химиялық
жүйенің бастапқы күйдегі энергиясы мен соңғы күйдегі энергиясының
айырмасына байланысты болады.
Гесс заңы тамақтың жұғымдылығын (калориялығын) анықтау үшін мал
дәрігерлігі мсн медицинада тамақты өртейді. Ол құралды калориметриялық
бомба деп атайды. Сонда бөлініп шыққан жылуды өлшеп алады. Ал осы тамақты
адам жесе, онда тамақ организмде биохимиялық реакцияға түсіп, жылу бөліп
шығарады. Гесс заңы бойынша осы екі жылу біріне бірі тең болуға тиіс.
Глюкозаның тотығуы биохимиялық реакцияның мысалы бола алады.
Бір моль глюкоза алайық. Ол алты моль оттегімен қосылсын делік. Сонда
осы реакция нәтижесінде 2840 кДж жылу бөлініп шығады екен. Дәл осы жылу
глюкозаны калориметриялық бомбада жақса да немесе глюкоза адам немесе мал
денесінде болса да бөлініп шығады екен.
Ашық жүйенің қасиеті
Тірі жүйе негізінде ашық және сонымен бірге тепе-теңсіз болып келеді.
Оны бірінші түсінген совет биологы Бауэр тірі материя тепе-теңсіз күйде
болғандықтан, оның тұрақты жұмысқа қабілетілігінің сақталуын тірі табиғатын
молекулалық құрылысы қамтамасыз етеді, ал тірі жүйелер өндіретін жұмыс көзі
осы молекуланың күйіне, осы молекуланың құрылысына тән және ен ақырында бос
энергия ретінде қолданылады деген тұжырымға келді. Биологияға сәйкес
(байланысты) ашық жүйенің термодинамикасын әрқарай дамытқан Берталанфии
және көбінесе Пригожин болды.
Организм термодинамикалы ашық жүйе. Онда химиялық реакциялар жүреді.
Биохимиялық реакциялар барлық сатыларда каталитиктер болып табылады.
Катализатор ретінде белоктар – ферменттер қолданылады. Термодинамикалық
жүйе деп клетканы, организмді, және т.б. басқаларды айтуға болады.
Термодинамикалық жүйенің ашық, жабық деген екі түрі бар. Жабық жүйе де
оқшауланған және тұйық болып бөлінеді. Егер жүйе өзін қоршаған ортаға
энергия бермесе және ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Лекция 1
Кіріспе. Биофизика пәні және оның мәселелері.
Биофизика ғылымының дамуы. Биофизиканың әдістері және бөлімдері.
Жоспары:
1. Биофизика пәні және биофизика ғылымының дамуы.
2. Организмдегі физикалық процестер және биологиялық жүйелердегі зерттеу
әдістемелері.
3. Биофизиканың әдістері және бөлімдері.
4. Биофизиканың химиялық негізі
1. Биофизика пәні және биофизика ғылымының дамуы. Биофизика- физикамен,
химиямен, математикамен, экологиямен, морфологиямен, физиологиямен тығыз
байланыста дамып келе жатқан және қалыпты жағдай мен эндогенді, экзогенді
факторлардың әсерінде болатын биологиялық жүйелердің молекулярлық және
физико-химиялық касиеттерін зерттейтін биологиялық ғылым. Организмге тән
кейбір қасиеттер табиғатта кездеспейді. Басқа жаратылыстану ғылымдарымен
тығыз байланыста болса да, биофизиканың өз заңдылықтары мен әдістері бар.
Биофизика ғылымының дамуына М.В. Волькенштейн, Л.А.Блюменфельд,
Ю.М.Романовский, Н.В.Степанова, Д.С.Чернавский, В.С.Маркин, Ю.А.Чизмаджева
ресей ғалымдары өз үлестерін қосқан. Қазақстанда биофизикалық зерттеу
жұмыстарының дамуына Инюшин В.М., Тулеуханов С.Т., Абдрахитова А.К.. сияқты
отандық ғалымдардың жұмыстары зор роль атқарады.
2. Организмдегі физикалық процестер және биологиялық жүйелердегі зерттеу
әдістемелері.
Биофизика идеялары мен әдістері биологиялық процестерді макромолекулалық
және клеткалық деңгейде кең қолданып қана қоймайды, ол сондай-ақ
популяциялық деңгейге де таралады. Биофизикада пайдаланатын әдістерге
әртүрлі оптикалық әдістер, спектроскопия, электрометриялық әдістер,
микроэлектродты техника әдістері, хемилюминесценция, лазерлі спектроскопия,
нысаналы атомдар әдісі жатады. Биофизикалық зерттеулер нәтижесі бірінші
реттік молекулалық механизмдерді биологиялық процестердің ерекшеліктерімен
тікелей байланыстырған жағдайда маңызды роль алады. Осы себептен биофизика
фундаментальді биологиялық пәндер физиология мен биохимиямен, экология мен
генетикамен тығыз байланысты.
Организмге физикалық факторлардың әсері.
Организмге сыртқы орта факторларының әсері (температура, рН, заттардың
концентрациясы) организмнің структуралы- функционалды ұйыдасуында молекула
ішіндегі өзгерістер жылдамдығының константасын өзгерте отырып, жүйенің
тұрақтылығын бұзады. Осы себептен базалық математикалық модельдерде
берілген структуралық элементтердің физикалық арақатынасын түсіндіру үшін
өте көп жұмыс атқару қажет. Бұл сұрақ, яғни біртұтас молекулярлы-
кинетикалық сипаттаудың дамуы қазіргі кездегі биофизиканың даму
перспективаларының бірі болып табылады. Сонымен, қазіргі биофизика даму
сатысы бастапқы теориялық түсініктерді биологиялық жүйелерде молекулалық
деңгейде түсіндіру болып табылады.
Биофизиканың дамуына және оның биологияға, медицинаға енуіне
биологиядағы өзіндік теориялық базалар құрылу нәтижесі себебін тигізді.
Биофизика хх-шы ғасырдың ғылымы. Бірақ хх-шы ғасырға дейін биофизика
міндеттері шешілмеді деп айтуға болмайды. Мысалы Максвелл түрлі түсті көру
теориясын, ал Гельмгольц нерв импульснің таралу жылдамдығын өлшеді. Міне
осындай мысалдарды өте көп келтіруге болады. Бірақта тек қазіргі уақытта
ғана биофизика организмнің физикалық қасиеті және оларға физикалы әсер
етуінен (жарық, дыбыс, электр) іргелі (фундаментальды) мәселелерге – тұқым
қуалаушылыққа және өзгерушілікке, онтогенез, филогенез, метоболизм және
биоэнергетиканы зерттеуге көшті. Бұл биологияның және биохимияның қарқынды
даму нәтижесінде мүмкін болды.
Соңғы жылдары ғалымдардың назары биофизикаға ауып отыр. Оның басты
себебі табиғат заңдарының өлі табиғатқа да, тірі табиғатқа да ортақ екенін
білдіретін болса, екінші жағынан физиканың жетістіктері биология мен
медицинада кеңінен қолданылуында болып отыр. Биофизика дегеніміз әр түрлі
сатыдағы биологиялық жүйелерде болып жатқан физикалық және химиялық
процестерді зерттейтін ғылым.
Биофизиканың зерттейтін обьектісі биологиялық материалдар, яғни тірі
организмдер. Олай болса, физиканың өлі табиғат үшін ашылған заңдарын
өзгеріссіз тірі организмге қолдануға болмайды. Оның себебі тірі организм
–биологиялық жүйе, үнемі динамикалық қозғалыста болады және гетерогендік
әртекті жүйе болып саналады. Атап айтқанда биологиялық жүйе өзін-өзі
басқаратын болғандықтан, бұған тән кейбір қасиеттер өлі табиғатта
кездеспейді. Биофизиканың қалыптасуына ат салысушы ғалымдардың бірі
профессор Б.Н. Тарусовтың айтуы бойынша биофизика дегеніміз биологиялық
жүйелердің физикалық химиясы және химиялық физикасы екен.
1961 жылы Стокгольмде өткен 1-халықаралық биофизикалық конгресте
биофизиканы мынандай салаларға бөлу ұсынылды:
1. молекула биофизикасы. Бұл сала организмді түзетін биологиялық
молекулалардың құрылысы мен физикалық қасиеттерін қарастырады;
2. клетка биофизикасы. Бұл сала клетканың ультрақұрылысың оның физикалық
және химиялық ерекшеліктерін және клетканың өтімділігің биоэлектрлік
потенциалын қарастырады;
3. күрделі жүйе биофизикасы (немесе басқару және реттеу процесінің
биофизикасы). Бұл сала организмдегі басқару жүйесінің ішкі байланысын
зерттеу және оның модулін жасау, олардың физикалық табиғатын анықтау
мәселелерімен айналысады.
Сонымен қатар биофизика организмге деген физикалық факторлар әсерін,
иондалған сәуленің биологиялық әсерін (радиобиология), көз оптикасын,
қозғалыс, тыныс алу, иіс сезу, есіту, қан айналыс органдарының жұмыс
әрекетін қамтиды.
Мысалы адамдар, жануарлар үнемі механикалық қозғалыста болады. Оларды
механикалық қозғалысқа түсіретін бұлшық ет болып саналады. Атап айтқанда
бұлшық еттің жиырылуынан адамдар мен жануарлар механикалық қозғалысқа
түседі. Бұлшық еттің жиырылуы адамдар мен жануарлар денесіне қажетті жылуды
қамтамасыз ететін болса, әрі қарай химиялық энергияны бірден механикалық
жұмысқа айналдыратын құрал болып саналады. Бұл кезде химиялық энергия
жылулық немесе электр энергиясына емес, бірден механикалық энергияға
айналады.
Биофизиканың міндетті өмірдегі құбылыстарды тану болып табылады.
Физиканың бір бөлігі бола отырып, биофизика биологиядан бөлінбейді.
Биофизика биологиямен, химиямен, физикамен, молекулалық биологиямен өте
тығыз байланысты. Қазіргі заманғы биофизика бірқатар биологиялық
құбылыстарды түсіндірудегі ірі жетістіктерге жетіп отыр. Соның ішінде біз
биологиялы функцианалды молекуланың құрылысы және қасиеті жөнінде, клеткалы
құрылымның әсер ету механизмі және қасиеті жөнінде; мынадай мембраналар,
биоэнергетикалық органоидтар, механохимиялық жүйелер жөнінде таныс болдық.
Биологиялық процестердің физика-математикалық моделдері жете зерттеліп,
дамытылды. Термодинамика, информация теориясына, автоматты реттеу
теориясына негізделген өмір құбылыстарындағы жалпы теориялық тәсілдер
жүзеге асырылды. Алғаш рет энергияның сақталу заның, термодинамиканың
негізін қалаған Майер, Джоул және Гельмгольц деген ғалымдар. Майер тірі
организмдерді, адамдарды бақылау нәтижесінде өзінің теориясын ұсынды.
Жиырлатын (сократительный) жүйелердің механикалық-химиялық табиғатын
1939 жылы бұлшық ет талшықтарының белогын –миозинді зерттеген Энгельгард
және Любимовпен ашқан.
1945 жылы Шредингер биофизика және молекулярлы биологияның дамуына
елеулі әсер еткен физиканың көз қарасы бойынша өмір деген не кітап
жазды. Бұл кітапта бірқатар маңызды мәселелер қарастырылды. Соның
біріншісі өмірдің термодинамикалық негізі. Шредингер организм теріс
энтропиямен қоректенеді деді. Бұл тұтас алғанда биосфера және организмдер
бөлінбеген, бірақ қоршаған ортамен және заттармен және энергиямен
алмастырылған ашық жүйелер екенін білдіреді. Ашық жүйелердегі тепе-
теңсіздік күй қоршаған ортадағы энтропиямен сақталынады.
Екінші мәселе жалпы организмнің құрылымды ерекшеліктері. Шредингер
бойынша организм апериодты кристалл болып табылады. Яғни қатты денеге
ұқсас, жоғарғы тәртіпке салынған жүйе, бірақ клетка, молекула, атомдардың
орналасуындағы периодтылықтан айырылған деп сипатталады. Мұндай пікір
(пайымдау) клетка және биологиялық макромолекулалар (белок, нуклеин
қышқылдар) организмдер құрылысы үшін орынды. Информация теориясы негізінде
өмір құбылысының қарастыруда апериодты кристалл жөніндегі түсінік маңызды
екенін көруге болады.
Үшінші мәселе биологиялық құбылыстың квантты механика заңына
сәйкестілігі. Тимофеев-Ресовский, Дельбрюк және Шредингер жүргізген
радиобиологиялық зерттеулер нәтижесін талқылай отырып, радиациалы
мутагенездің квантты табиғаты болатынын атап өтті. Биологияда квантты
механиканы қолдану жаңалық емес, себебі организмдер негізінде макроскопиялы
(көзбен көруге болады) болады.
Тірі организм ашық, өзін реттеуші, өзі өндіретін және геторегенді жүйені
дамытушы ретінде және маңызды функциональды заттар биополимерлер белоктар
және нуклеин қышқылдарды құралады. Организм тарихи жүйе, ол филогенетикалық
эволюцияның даму нәтижесі және өзі зиготадан кәрілікке және өлімге дейінгі
онтогенетикалы даму жолын өтеді.
Тірі табиғатын негізгі ерекшеліктері оның шексіз әр түрлігіне
байланысты. Қазіргі уақытта әр түрлі тірі организмдердің 3•106 дейін
түрлері белгілі. Әр түрлі көп клеткалы өсімдіктер немесе омыртқасыз
жануарлар санға жеткіз өте көп болады. Жерде екі бірдей организмдер
болмайды. Бұны өте кең аралықта жүзеге асатын генетикалық өзгергіштігімен
және ортамен өзара әрекеттесудің әртүрлігімен түсіндіріледі. Дарвиндік
эволюциясы өзгергіштікпен, шексіз жеке организмдермен байланысты.
Өлі табиғата жағдай басқаша болады. Әр түрлі атомдар саны, изотоптарды
санағанда бірнеше мыңдардан құралады. Қазіргі кезде 102 дейін элементарлы
бөліктері белгілі. Бірақта бұндай әр түрлілік тұқымқуалаушылықтың
жоқтығынан өлі табиғатын даму үшін маңызды мәнге ие болмайды.
Ашық жүйенің стационарлы күйі тепе-теңсіз және тұрақты немесе тұрақсыз
болу мүмкін. Бірқатар факторлар биологиялық жүйелердің тепе-теңсіз екенін
дәлелдейді. Биологиялы дамуы жүйенің тепе-теңсіз жағдайда ғана болуы
мүмкін. Динамикалық қайтымсыз процесстер жай өзгеретін немесе тіпті
өзгермей қалатын біріккен (ұйымдасқан) құрылымдар ішінде жүреді. Бұл
молекулярлыдан бастап, барлық биологиялық құрылымдар үшін орындалады.
Биологиялық құрылымның пайда болуын екі сатымен көрсетуге болады:
құрайтын элементердің биосинтезі (макромолекула, клетка) және олардан
ұйымдасқан (біріккен) жүйелерді жинау. Жинақтау процессі едәуір дәрежеде
термодинамикалық бақылауда болады, яғни молекулярлы деңгейде жүйе ен аз
химиялық потенциалды күйге ұмтылады.
Биологияда біз термодинамикалық және кинетикалық құбылыстадың күрделі
комплекстерімен кездесеміз. Термодинамикалық және кинетикалық айырмашылығы
химиялық реакциялардың өтуімен сипатталады. Реакция жүруі мүмкін, егер ол
тек қана бос энергия төменденуімен бірге жүрсе, ∆G0. Егер жүйелердің
бастапқы және соңғы күйі жоғарғы активациалы барьермен (кедергі) бөлінсе,
Аррениус заңына сәйкес, реакцияның жылдамдық константасы тең:
k=Aexp(-Eа RT)
А-экспоненциальды көбейткіш, R-газ тұрақтылығы, Т-абсолютті температура.
Eа –активациялық барьер. Сондықтанда тепе-теңсіз күйді жоғарғы барьермен
қорғалған тепе-теңдік ретінде қарастыруға болады. Мысалы, Н2 және О2
қоспасынан тұратын, тізбекті реакция кезінде сірінке жалынымен жарылатын
шытырлауық газ, бірақ тұрақты, яғни активациясы (активтілігі) болмаған
жағдайда квази тепе-теңдікте болады.
Биофизиканың әдістері және бөлімдері.
Тірі табиғат, тірі организмдер көп сатылы күрделі жүйелер болып
табылады. Биофизика және биология үлкен және кіші молекулалар, клеткалы
органоидтар, клеткалар, ткандер, органдар, организмдер, популяция,
бисфералармен айналысады.
Биофизика шартты түрде үш салаларға бөлінеді: молекулярлы биофизика,
клеткалы биофизика, күрделі жүйенің биофизикасы. Осы үш саланың әдістерін
және құрамын сипаттайық.
Молекулярлы биофизика биологиялы функциональды молекуланың физика-
химиялық қасиеттерін, құрылысын және ен алдымен биополимерлер – белок және
нуклеин қышқылдарын зерттейді. Молекулярлы физиканың міндеті биологиялы
функциональды молекулаға жауапты болатын физикалық механизмдерді шешу болып
табылады. Мысалы белок-ферменттің каталитикалық активтілігіне. Молекулярлы
биофизика биофизиканың ең дамыған саласы болып саналады. Ол молекулярлы
биологиядан және химиядан бөлінбейді. Осы саладағы ең үлкен жетістіктер
клеткалар және организмдерге қарағанда молекулаларды (күрделі белок
молекуласы) зерттеу болып саналады. Молекулярлы биофизика бір жағынан
биология, химия пәндерге (биохимия, молекулярлы биология, биоорганикалы
және бионеорганикалы химия), екінші жағынан кіші және үлкен молекулалы
физикасына сүйенеді.
Молекулярлы биофизиканың басты міндеттері молекуланың құрылысы және оның
функционалдылығы болғандықтан, ол молекуланың тепе-теңдік қасиетін
қарастырады. Молекулярлы биофизиканың теориялық аппараты (құралы) – тепе-
теңдік термодинамикасы, статикалық механика және молекула, химия жөнінде
болғандықтан квантық механика болып табылады. Биологиялы функциональды
молекуланы (биологиялық молекула) экспериментті зерттеу үшін көптеген
физикалық әдістер қолданылады. Біріншіден макромолекула физикасында
қолданатын әдістер: олардың молекулярлы массасын, көлемін және формасын
анықтау үшін ультрацентрифугадағы седиментация, зерттелетін заттардың
ертіндісін рентген сәулесі, жарықты шашырату арқылы анықтайды. Екінші
рентген сәулесінен бастап және радиожиілікті сәулеленумен аяқталатын
заттардың жарықпен әрекеттесуіне негізделген молекуланың құрылысын зерттеу
әдістері. Оптика және спектроскопия әдістеріне рентген құрылымды анализ, γ-
резонансты спектроскопия, электронды және тербеліс спектрлер, яғни
ультракүлгіндегі люминесценция және жұтылу спектрлері және көрінетін
областарда инфрақызыл спектрлері жатады.
Өте бағалы информацияны ядролы және электронды парамагнитті резонанс
(ЯМР және ЭПР) береді. Үшіншіден биологиялы макромолекуланың өзгеруін
(айналуын) зерттеу үшін қолданатын калориметрия әдіс. Сонында белок және
нуклеин қышқылдарын электронды микроскопия арқылы зерттеледі.
Осы әдістерді қолдану биологияға тән болып табылады. Молекулярлы физика
клетканың функционалдығын және ткандік жүйенің құрылысын зерттейтін клетка
биофизикасына ауысады. Оның басты міндетті биологиялық мембрана және
биоэнергетикалық процестердің физикасын зерттеумен байланысты. Клетка
биофизикасы нерв импульснің таралуын және генерациясын зерттейді, механика-
химиялық процессін (соның ішінде, бұлшық еттін жиырылуы), фотобиологиялық
құбылысты (фотосинтез, көру) зерттейді.
Биофизиканың химиялық негізі
Тірі клетка, тірі организм өте күрделі химиялық машина болып саналады.
Олар метоболизмнің нәтижесінде қоршаған ортаға заттардың бөлінуі және
сырттан түсетін, заттардың химиялық өзгеруі арқасында тіршілік етеді.
Биология және биофизика химиямен тығыз байланысты.
Ешқандай физикалық әдістер өз бетінше күрделі молекуланың құрылысын
химиялық зерттеулерсіз анықтай алмайды. Осы мәселелерді заттардың құрылысын
және оның химиялық реакциялардағы өзгерулерін химия шешеді. Тірі
организмдегі химиялық реакциялардың жүруі, биологиялық молекуланың қасиеті
және құрылысы жөніндегі биохимия ғылымы тәуелсіз дами бастады. Биохимия
күрделі метоболизмді түсіндіруде (ұғындыру) үлкен жетістіктерге жетті.
Физикамен одақтас болған биохимиядан негізгі биологиялық құбылыстарды, ен
алдымен тұқым қуалауды түсіндіретін физика-химиялықпен айналысатын
молекулярлы биология дамыды. Құрамында металл атомдары болатын биологиялық
молекуланы зерттейтін биоорганикалық химия, ал сосын бионеорганикалық химия
пайда болды.
Биологиялық молекуланың химиясының негізі ерекшеліктерін атап
көрсетейік:
1. Тірі жүйе міндетті түрде химиялық гетерогенді.
2. Тірі табиғат химиялық құрылыммен сипатталады. Негізгі химиялық
механизмдер және негізгі заттар барлық тірі табиғата бір тұтас. Барлық
ақуыздар жиырма аминқышқылдардан, барлық нуклеин қышқылдар төрт
нуклеотидтерден құралады. Бір және сол атомды құрылымдар барлық
организмдерде болады. Биохимиялық процестер іргелі және ұқсас
(біртекті) болып келеді.
3. Организмнің және клеткалардың қасиеті және құрылысы, ақуыздарды
синтездеуге генетикалық ақпаратын беретін, яғни заң шығаруға ие
болатын нуклеин қышқылдармен (ДНК және РНК) басқарылады. Ақуыздар өз
кезегінде орындаушы болып келеді, өйткені клеткадағы бір де бір
химиялық реакциялар арнай ферменттер қатысуынсыз жүрмейді.
4. Биохимиялық процесстер және биологиялық молекулалар эволюцианың даму
нәтижесі болып табылады. Химияны зерттегенде биологиялық дамуды
міндетті түрде ескеру керек.
5. Өмір дәлділікпен және жекелікпен сипатталады. Молекуланың
құрылысындағы айырмашылық, мысалы метил және этил топтарының
арасындағы айырмашылық химияда маңызды мәнеге ие болмайды, ал
биологияда өте маңызды (этил спиртті С2Н5ОН мастық күйге, ал метил
спиртті СН3ОН соқырлыққа әкеледі). Биологиялық молекула және
макромолекулалар қатаң түрде белгілі құрылысқа және құрылымға ие
болады.
6. Организмдегі химиялық реакциялар метаболизмнің көп сатылы
процестеріндегі тура және қайтымды байланыстармен реттелген сияқты,
клеткалы және клетка ішілік мембраналармен жүзеге асатын
компартментация әсерінен реакцияның кеңістіктік бөлінуімен реттеледі.
Электролиттер
Организмдер көптеген иондардан органикалық және неорганикалық катиондар
және аниондардан, ақуыздардағы амин қышқылдар қалдықтарының негіздік және
қышқылдық топтардан және нуклеин қышқылдарындағы нуклеотидтерден құралады.
Иондардың электролиттік диссоциациясы олардың сулы ортасымен анықталады.
Электролиттік теориясы физикалық химия курсында баяндалады.
Бренстед теориясы бойынша қышқыл дегеніміз протон бөлініп шығатын
молекула, ал негіз протонды қосып алатын молекула.
Н2О Н++ ОН- реакциясындағы су қышқыл болады және
Н2О+Н+ Н3О+ реакциясында негіз болады (оксония ионы). Су өте әлсіз
электролит, оның диссоциация константасы аз болады. 25°С-та судың [Н+][ОН-
]=K[Н2О] = 10-14моль2л2
Өйткені [Н+]= [ОН-], судағы сутегі иондардың концентрациясы 10-7мольл
құрайды. Бұл шаманы ондық логарифмен рН–пен белгілейміз. Су үшін, яғни
нейтралды орта үшін, рН=7. Сәйкес қышқыл үшін рН7, ал негіз үшін рН7.
Биологиялық электролиттер әдетте әлсіз, яғни олар аз диссоциацияланады.
Кейбір қышқылдардың диссоциациясын қарастырайық НА Н++ А-. Диссоциация
константасы, яғни бұл реакцияның тепе-теңдік константасы К тең
К =аН аА
а НА
аН =аА және а НА ертіндідегі сәйкесті заттардың активтілігі.
Ертіндідегі активтілік молярлы концентрацияға тең. Сондықтан
[Н+]2=К [НА], рК=lgK белгілейміз, рН=½(pKlg[HA]). Судағы әлсіз
қышқылдың ионизация дәрежесі
α= [A‾] ≈[Н+] = √ К
[A‾]+[HA] [HA] [HA].
Негізгі биохимиялық процестер
Биологиялық молекулалар биологиялық эволюцияның дамуы кезінде пайда
болатын әртүрлі организмдердің тіршілік әрекетінің процестеріне қатысады.
Үлкен және кіші биологиялық молекулалар биосинтез, метоболизм және
биоэнергетиканы қамтамасыз етеді. Нуклеин қышқылдар ақуыздардың
биосинтезіне жауапты. Осыдан олар заң шығарушы қызметін атқаратынын
көруге болады. Өз кезегінде орындаушылар ақуыздар барлық биохимиялық
процестерге катализатор-фермент ретінде міндетті түрде қатысады.
Биосинтезді және метаболизмді жүзеге асыру үшін клеткалардағы химиялық
түрде жиналған қажетті энергия, көбінесе АТФ болып саналады. Метоболиттік
биоэнергетикалық процестердің өзіндік нәтижесі АДФ және неорганикалық
фосфаттан АТФ-ты синтездеуге ие болады. Бұл тыныс алу және ащу
процестерінде жүреді. Оттегінің қатысуымен өтетін метоболиттік процестер
(ен алдымен тыныс алу кезіндегі тотығып фосфорилдену) аноэробты
процестерге қарағанда біршама аз және эволюциясы кеш анықталған. Оттегі
қатысуынсыз азық заттарындағы органикалық молекула толық жануы (тотығу)
мүмкін емес. Оған қарамастан осы күнгі анаэробтық клетканың қасиеті
көрсеткендей және олар өмір сүру үшін қажетті энергияны тотығу-тотықсыздану
процестері жүру кезінде алынады. Аэробты жүйеде сутегі акцептор (тотықтыру)
ретінде О2, ал анаэробтыда басқа заттар болады. Оттегінсіз (О2) тотығу екі
ашу жолымен жүзеге асады. Гликолиз және спирттік ашу. Гликолиз үш
көміртегінен тұратын екі молекула пируватқа (пирожүзім қышқылы) дейін
гексозаның (глюкоза) көп сатылы ыдырауы кезінде жүреді. Осы жолда НАД-тың
екі молекулалары НАД-қа дейін тотықсызданады және АДФ-тың екі молекулалары
фосфорилденіп АТФ-тың екі молекуласы алынады. Қайтымды реакция әсерінен
НАД·H НАД+H пируваттан лактат (сүт қышқылы) алынады. Спирттік ашу
кезінде пируваттан этил спиртті алынады. Қосымша СО2 бөлінеді. Реакцияда:
С6Н12 О6 +4НАД +2АДФ-2Ф 2Н3С·CO·COOH+4НАД·Н+2АТФ,
пируват
2Н3С·CO·COOH+4НАД·Н 2Н3С·CН (OH)·COOH+ 4НАД,
лактат
2Н3С·CO·COOH+4НАД·Н 2С2Н5 ОН +2СО2 +4НАД
Судың ыдырауы және СО2 бөлінуімен жүретін пентозофосфат деп аталатын
гликолиттік және спирттік ашу қосымша саты болып табылады.
Сыртқы ортада СО2 болғандықтан фотосинтез жүру мүмкіндігіне ие болды.
Алғашқы бактериалды фотосинтез, ал сосын жасыл өсімдік фотосинтезі 3-2·109
(3-2миллион) жыл бұрын дамыған. Фотосинтез жарықтың жұтылуынан және оның
энергиясы биологиялық молекулалардың химиялық энергиясына айналуынан
тұрады. Бұл үшін жарықты сіңіретін (жұтатын) қосылыс қажет болды. Соның
бірі порфиринді циклдерден тұратын хлорофилл және цитохромдар. Кванттық
жарықтың жұтылу нәтижесінде хлорофилдегі электрондар жүйесі жоғарғы
деңгейдегі энергияға ауысады. Әр қарай электрондарды тасмалдайтын тізбек
жұмыс істейді, оның негізгі қатысушылар тотығу-тотықсыздану ферменттері
цитохромдар болып табылады. Алғашқыда хлорофилдегі жиналған энергия қоры
биологиялық тиімді түрге АТФ және НАДФ-ке бөлінеді. Фотофосфорилдену
жүреді.
Демек, эволюцияның ең соңғы сатысында СО2–ның көмірсуларға дейін
фотосинтетикалық тотықсыздану (тотығу) пайда болған. Сонда прокариоттағы
суттегі (бактериалды фотосинтез) көзі ретінде әр түрлі молекулалар, ал
жасыл өсімдіктерде су қызмет етеді. Қоршаған ортаға оттегі бөлінеді. Оның
атмосфераға жиналуы фотосинтездің нәтижесі болып табылады. Жалпы реакциясы:
6СО2+12Н2О С6Н12 О6 +6Н2О +6О2
Метоболизмнің күрделі процестері, қор болып жиналған және жұмсалған
энергия клеткада шоғырланған (локализованы). Тыныс алу митохондрия
мембранасында, ал фотосинтез хлоропластың мембранасында жүзеге асады.
Биологиялық процестер эволюциялы бейімделген. Шөлдегі жануарлар және
құстардың метоболиттік энергия көзі гликоген емес май болып табылады. Шөлде
тек қана энергияның шығуын ғана қамтамасыз етпейді, сонымен бірге
гликогеннің тотығуына қарағанда судың максималды бөлінуін қажет ететін
майдың тотығу кезінде екі есе суды өндіру керек.
Күшті және әлсіз әрекеттесулер
Биологиялық молекулалардағы әрекеттесулерде синтетикалық органикалық
қосылыстар молекулалары тәрізді күшті коваленттік байланыс болады. С-С
байланысын үзу үшін қажетті энергия 348,6 кДжмоль, С-N байланысның
энергиясы 336 кДжмоль тең. Күшті әрекеттесулерді биополимерлердің,
аминқышқылдық қалдықтардың, нуклеотидтердің, гексозалардың тізбектік
құрылысы анықтайды. Күшті байланыстар сыртқы атомдардың электрондарынан
түзіледі. Коваленттік байланыстың теориясы тек қана кванттық механикаға
негізделуі мүмкін. Сәйкесті физика немесе теориялық химия квантты механика
деп аталады.
Ферменттермен катализденетін биохимиялық реакциялардың жүру кезінде
химиялық байланыстардың, электрон қабатының қайта құрылуына әкеледі.
Бірақта биологиялық молекулалар жұмыс істемес еді және бізге белгілі
түрде өмір сүрмес еді, егер биологиялық молекулалар ішінде күшті
әрекеттесулерден басқа олардың арасында валентсіз, химиялық емес әлсіз
күштердің әрекетті болмаса. Клеткалар және олардың органоидтары
гетерогенді. Олардың тіршілік етуі және қызметі валентсіз сипатта молекула
аралық әрекеттесулермен анықталады. Клеткадағы барлық молекулярлық
функцияны орындайтындар-ақуыздар липидтермен және көмірсулармен, нуклеин
қышқылдарымен және кіші молекулалармен әрекеттеседі. Бұл әрекеттесулер
көбінесе әлсіз, себебі күшті әрекеттесулер аса қатты және тұрақты құрылымды
және биологиялық молекулалар орындау үшін және олар әртүрлі міндеттерді
шешу үшін қажетті молекулярлы қозғалғыштығынан айырылған құрылымды құрайды.
Биологиялық жүйедегі әлсіз әрекеттесулердің түрлерін аттап өтейік және
оларды сипаттайық.
1.Ионды байланыстар. Иондар арасында әрекетесу күші Кулон заңымен
түсіндіріледі. е1 және е2 зарядтарымен екі иондардың әрекеттесу энергиясы
тең: Uион = е1 е2
Er
r-иондар арасындағы ара қашықтық, Е-ортаның диэлектиктік өткізгіштігі.
Әр аттас (разноименные) зарядтар тартылады, Uион 0, аттас (одноименные)
зарядар тебіседі, Uион 0. Ионды байланыстар ақуыздағы ионогендердің
арасында (мысалы, Глу- ,Лиз+), осындай топтардың арасында және кіші ионға
қарсы (противоионами) нуклеин қышқылындағы фосфат топтарының және
катиондардың арасында және т.б. түзіледі.
2. Ионды-дипольды әрекеттесулер
Иондар және молекуланың полярлы топтары арасында ионды-дипольды
әрекеттесулер түзіледі. Олар ионның зарядымен және әрекеттесуші атом
топтарының диполдік моментімен анықталады.
3.Сутектік байланыс. О-Н, N-H,F-N,C-H, кейде S-H топтарындағы сутегі
атомы құратын донорлы-акцепторлы әрекеттесу болып табылады. Сутегі осы
топтарды валентті қаныққан атомдармен О, N,F, байланыстырады, мысалы, суда:
Н Н
О Н...О Н...
Сутектік байланыс судың қасиетін және құрылысын анықтайды, олар
биополимерлердің құрылысының құрылуында және олардың кіші молекулалармен
әрекеттесуінде өте маңызды роль атқарады.
4.Гидрофобты әрекеттесу. Биополимерлер-ақуыздар және нуклеин қышқылдар
сулы ортада қызметін атқарады. Гидрофобты күштер полярсыз атомдар
топтарымен және су молекуласының арасында тебісу күштерінен пайда болады.
Гидрофобты әрекеттесулер ақуыздардың, надмолекулалар жүйесінің
(мембраналар) және т,б. құрылысының құрылуында маңызды роль атқарады.
Әлсіз әрекеттесулер молекуланың иілгіштгіне, яғни биополимерлердің
конформациялық қасиетіне жауапты болып келеді.
Негізгі әдебиеттер:
1.Антонов В.Ф. и др. Биофизика. М.: ГІҢВЛАДОС, 1999
2.Березин Т.И. Медицинская биофизика. - М.: Высшая школа, 1988.
3.Блюменфельд Л.Д. Проблемы биологической физики. - М.: Наука, 1977.
4.Волькенштейн М.В. Биофизика. - М.: Наука, 1988.
5.Губанов Н.И., Утепбергенов А.А. Медицинская биофизика. - М.: Медицина,
1978.
6.Инюшин В.М. Конспект лекций по обіңей биофизике. Алматы: КазГУ, 1994.
7.Кудряшов Ю.Б., Беренфельд Б.С. Основы радиационной биофизики.-М.: МГУ,
1982.
Қосымша әдебиеттер:
1.Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. -М.: Высшая школа, 1987.
2.Рубин А.Б, Биофизика. 1-2 том. - М: Книжный дом, 2000.
3.Тарусов Б.Н. и др. Биофизика. - М.: Высшая школа, 1968.
4.Тулеуханов С.Т. и др. Оценка состояний биокибернетических систем по
биоритмологическим показателям на принципах распознавания образов. - М.:
ИКИ, 1994.
Лекция 2
Биологиялық жүйелердің термодинамикасы.
4. Термодинамиканың негізгі түсініктері. Термодинамикалық жүйелердің
классификациясы.
5. Термодинамиканың бірінші заңын изопроцестерге қолдану
6. Термодинамиканың екінші бастамасы
4.Энропия
Организм және клетка қоршаған ортаның және клетканың арасында, сонымен
қатар клетканың ішінде заттарды тасмалдаудың және химиялық реакциялардың
нәтижесінде жұмыс істейтін химиялық машина. Осыған сәйкес биологиялық
жүйені физикалық тұрғыдан түсіндіруде термодинамикаға негізделеді.
Термодинамика физиканың бір бөлімі ретінде энергия мен жұмыстың
арасындағы қатысты карастырады. Термодинамиканы кейде жылудың жалпы
теориясы деп те атайды.
Термодинамикалық дене немесе жүйе деп белгілі бір көлемге ие болатын
затты айтады. Термодинамикалық жүйе (дене) үш параметрмен, температура Т,
көлем V және қысым Р-сипатталады. Жүйенің бір күйден екінші күйге өтуін
термодинамикалық процесс дейді (бір күйден екінші күйге өткенде бір
параметрдің мәні өзгерсе болғаны). Айталық, термодинамикалық жүйе бір
күйден (V1, Р1, Т1) екінші күйге (V2, Р2, Т2) өтті делік. Онда ол і
күйлерді бастан кешірсін. Енді осы жүйе кері бағытта 2 күйден 1 күйге
келген кезде, барлық күйлерді басынан кешіре отырып, жүйенің өзінде де және
оны қоршаған ортада да ешқандай өзгеріс байқалмаса, онда ондай процесті
қайтымды процесс деп атайды. Егер жүйе 2-күйден 1-күйге өткенде не жүйенің
өзінде, не оны қоршаған ортада өзгеріс болатын болса, ондай процесті
қайтымсыз процесс деп атайды. Өмірде болып жататын процестер қайтымсыз
процесс болып саналады.
Енді термодинамиканың заңдарын қарастырайық.
Термодинамиканың бірінші заңы
Термодинамикалық тепе-теңдіктің жоқ болуына қарамастан жүйенің ұзақ
уақыт бойына өзінің кейбір физикалық және химиялық қасиеттерін сақтап тұру
қасиеті стационар күй деп аталады. Егер жүйенің параметрлері оның қоршаған
ортамен әрекеттесу кезінде уақыт өткен сайын өзгермесе, онда жүйенің күйін
стационарлы деп атайды. Осындай күйдің мысал ретінде үй тоңазытқышытың ішкі
бөлігінің жұмысының күйі, адам денесінің күйі, үй бөлмесін жылытатын ауаның
күйі және т.б.
Жүйенің әр түрлі бөлігіндегі стационарлы күйде болатын параметрлердің
мәні әдетте өзгеше (әр түрлі) болып келеді. Адам денесінің әр
бөліктеріндегі температура, биологиялық мембраналардың әр бөліктеріндегі
диффузияланатын молекуланың концентрациясы және т.б. Жүйедегі, сонымен,
кейбір параметрлер тұрақты градиенттерді ұстап тұрып, тұрақты жылдамдықпен
химиялық реакциялар жүру мүмкін.
Стационарлық күй жүйе арқылы өтетін зат және энергия ағыны есебінде
ұстап тұрылады. Схема түрінде суретте жүйенің әр түрлі нүктесінде
температура бірдей емес стационарлық күйі (а) көрсетілген.
Ағын жоқ
кіретін Т1≠Т2 шығатын
Т1 = Т2
ағын ● ● ағын
● ●
1 2
1 2
а)
б)
Стационарлы күйде энергия және зат қоршаған ортамен алмасады (ашық жүйе)
немесе тек энергиямен алмасатын (жабық жүйе) жүйелер болуы мүмкін. Қоршаған
ортамен энергия не заттармен алмаспаған термодинамикалық жүйені жекеленген
(тұйық, изолированный) деп атайды. Жекеленген жүйе уақыт өткен соң
термодинамикалық тепе-теңдік күйге келеді. Мұндай күйдегі, стационарлық
күйдегі сияқты жүйенің параметрлері уақыт өткен соң өзгеріссіз қалады.
Жекеленген жүйенің термодинамикалық тепе-теңдігі б) суретте көрсетілген.
Термодинамикалық жүйе деп клетканы, организмді және т.б. айтуға болады.
Термодинамикалық жүйенің ашық және жабық деген екі түрі бар. Жабық жүйе де
оқшауланған және тұйық болып бөлінеді. Егер жүйе өзін қоршаған ортаға
энергия бермесе және алмаса, онымен зат алмаспаса, онда оны оқшауланған
жүйе деп атайды. Басқаша айтқанда оқшауланған жүйе өзін қоршаған ортамен
энергия және зат алмаспайды. Ал жүйе өзін қоршаған ортамен тек қана энергия
алмаса алатын болса, онда оны тұйық жүйе деп атайды. Ал жүйе өзін қоршаған
ортаға энергия берсе және алса, онымен зат алмаса алатын болса, ондай
жүйені ашық жүйе деп атайды. Шынын айтқанда организм жылу машинасы ретінде
емес, химиялық машина ретінде жұмыс істейді. Жабық жүйені қоршаған ортамен
әрекеттесуін қарастырайық. Олардың арасындағы энергия алмасуы екі әртүрлі
процестеріндегі жұмыс және жылу алмасу кезінде жүзеге асуы мүмкін.
Жылу алмасу процесіндегі энергия берілуі жылу мөлшеріне, ал жұмыс жасалу
процесіндегі энергия берілу мөлшері жұмыс болып табылады. Оның көлемі
өзгерген кезде газбен жасалатын жұмысты есептеп шығарайық. Цилиндірлік
ыдыстағы поршеннің астында болатын газ V1-ден V2 дейін изобарлы кеңейеді
деп болжайық (сурет-1). Сонда поршень ∆ℓ=ℓ1−ℓ2 орны ауысады, ал көлем
∆V=V1− V2 өзгереді.
∆ℓ
... ... ... ... ... ... ℓ1 ℓ2
... ... ... ... ... ...
Сурет-1
Поршеньнің көлденен қимасының ауданына S газдың жағынан қысымның Р
болғандықтан күш әсер етеді F=pS. Себебі осы күштің бағыты поршеннің орын
ауыстыру бағытына сәйкес келеді, сонда газбен жасалатын жұмыс
A=F∆ℓ=pS∆ℓ=p∆V.
Газ кеңейген кезде ∆V0 және жұмыс оң (A0) болады; сығылған кезде ∆V0
және A0. Бұл жерде газбен жасалатын жұмыс туралы емес, ал сыртқы күштер
турал екенін ескеру керек.
Егер көлем өзгерген кезде газдың қысымы өзгересе, онда көлемнің dV аз
өзгеруіне сәйкес келетін элементарлы жұмысты былай есептеуге болады:
dA=pdV. (1.2)
(1.2) формуланы интегралдасақ газбен жасалатын жұмысты аламыз:
(1.3)
Мысал ретінде изотермиялық процесс кезіндегі идеалды газдың жұмысын
табайық. Бұл үшін (1.3) формуласыдағы қысымның орнына Менделеев-Клайперон
теңдеуін қойсақ:
Сонда
Бұл жерде m-газдың массасы, M-молярлы масса,Т-термодина–микалық
температура, R=8,31 Дж(моль·К) газ тұрақтысының молярлығы.
Термодинамиканың бірінші заңы энергияның сақталу заңынан туындайды. Дене
бір күйден екінші күйге өткенде оның ішкі энергиясының өзгеруі денеге
жасалған жұмыс пен дененің қабылдаған жылу мөлшерінің қосындысына тең:
dU=dA+dQ
Бұл термодинамиканың бірінші заңы. Термодинамиканың бірінші заңы
бойынша бұл формуланы былай тұжырымдауға болады: Денеге берілген жылу
мөлшері сол дененің ішкі энергиясын өзгертуге және сыртқы күштерге қарсы
жұмыс істеуге жұмсалады.
Термодинамиканың бірінші заңы табиғатта болып жатқан процестердің бағыты
жөнінде ешқандай мағлұмат бермейді. Екі дене алайық, сөйтіп оларды бірімен-
бірін әсерлестірейік (ол екі дене басқа денелермен әрекеттеспейді). Бір
дене Q1 жылу алды, ал екінші дене Q2
жылу берді делік. Сонда Q1= Q2 болады. Ал жылу қай бағытта жүреді,
бірінші денеден екінші денеге беріле ме, әлде екінші денеден бірінші денеге
беріле ме. Бұл жөнінде термодинамиканың бірінші заңы жауап бере алмайды.
Термодинамиканың бірінші заңын изопроцестерге қолдану
Газ күйін сипаттайтын параметрлер температура Т, көлем V және қысым Р-
қысым екені белгілі. Осы параметрлердің біреуі тұрақты болғанда жүретін
процесті изопроцестер деп атайды. Олар Бойль-Мариотт, Гей-Люссак және Шарль
заңдарымен анықталады. Енді термодинамиканың бірінші бастамасын осы
процестерге қолданайық.
1.Изотермиялық процесс. Бұл процесте Т=const болады, қысым мен көлем
былай байланысады: PV= const, яғни Бойль –Мариотт заңы бойынша: температура
тұрақты болғанда,газдың берілген массасы үшін газ қысымының оның көлеміне
көбейтіндісі де тұрақты шама болады.
Температура тұрақты болғандықтан бұл процесс кезінде ішкі энергия
өзгермейді, яғни dU=0. Олай болса, термодинамиканың бірінші бастамасы
изотериялық процесс үшін былай жазылады:
dQ=dA
Процесс кезінде температура тұрақты болса, ондай процесті изотермиялық
процесс деп атайды.
2. Изохоралық процесс. Бұл процесте V= const, қысым мен температура
= const түріннде байланысқан. Шарль заңы: көлем тұрақты болғанда
газдың берілген массасының қысымы газдың абсолют темпратурасына пропоционал
болады. Көлем тұрақты болғанда өтетін процесті изохоралық процесс деп
атайды. Изохоралық процесс үшін dA= 0. Олай болса бұл процесс үшін
термодинамиканың бірінші бастамасы былай жазылады: dQ= dU.
3. Изобаралық процесс P= const. Гей-Люссак заңы: қысым тұрақты
болғанда, газдың берілген массасының көлемі газдың абсолют темпратурасына
пропоционал болады. Бұл процесте =const . Бұл кездегі жұмыс қысымның
көлем өзгеруінің көбейтіндісімен анықталады.
A=Р(V2 -V1)
Денелердің жылулық қасиеттерін сипаттау үшін термодинамикаға жылу
сыйымдылық деген ұғым енгізіледі.
Денеге берілген немесе дененің берген жылуы мына формуламен анықталатыны
белгілі: Q=mcΔΤ
Мұндағы m-дененің массасы, c-дененің меншікті жылу сыйымдылығы, ΔΤ- дене
температурасының өзгеруі.
Кейбір жағдайларда дененің қызуы немесе сууы кезінде меншікті жылу
сыйымдылығы өзгеріп отыруы мүмкін. Олай болса, темпера–тураның өзгеру
интервалында температураның өте аз өзгеруін dΤ алып, ондағы с-ті тұрақты
деп қарастыруға болады. Олай болса: dQ=сmdΤ
Осыдан с=
Термодинамиканың екінші заңы.
Термодинамиканың бірінші бастамасы энергияның сақталу занынан туындайды,
бірақ процестің жүру бағыттың түсіндірмейді.
Термодинамиканың екінші заңы өмірде болатын процестердің бағыты жөнінде
мағұлмат береді. Бұл заңның негізін салған француз физигі Сади Карно. 1884
жылы ол жылудың жұмысқа айналуы туралы ғылыми еңбек жазды.
Термодинамиканың екінші заңының мәнін түсіну үшін мысал қарастырайық.
Мысалы, тұз бен су алып, одан қоспа алуға мүмкіндік туады. Ал енді тұзды
судан ажырату үшін суды буға айналдырып жіберу керек. Оған энергия қажет.
Оның үстіне бұл кезде тұзды су қоспасын қоршаған ортаның да жағдайы
өзгеріске ұшырайды. Сонымен диффузия бір бағытта жүретін процесс екен. Сол
сияқты жылу алмасу да бір бағытта жүреді. Мысалы ыстық денені суық денемен
түйістірсек, онда біраздан кейін ол екі дене температурасының теңесетінін
байқаймыз. Ыстық дене суиды, ал суық дене жылиды. Сонда энергия ыстық
денеден суық денеге беріледі. Осыған кері процесс болуы мүмкін емес. Олай
болса жылу алмасу да бір бағытта жүретін процесс. Осы бағытты және өмірде
болатын жылу процестерінің қайтымсыздығы термодинамиканың екінші заңымен
анықталады. Бұл заңды сипаттайтын бірнеше анықтама бар, олар біріне-бірі
эквивалентті. Соларға тоқталайық.
Клаузиус анықтамасы. Жылу ешқашан да суық денеден ыстық денеге
берілмейді.
Томсон-Планк анықтамасы. Қыздырғышты суыту арқасында онан алынған жылу
мөлшерін түгелімен жұмысқа айналдыру мүмкін емес.
Оствальд анықтамасы. Мәңгі двигательдің екінші түрін жасау мүмкін емес.
Кейде термодинамиканың бұл екі заңын мәңгі двигательдер жасауға
болмайтынын дәлелдейтін заңдар деп те атайды.
Бірінші заң. Мәңгі двигательдің бірінші түрін жасау, яғни сырттан
энергия алмай жұмыс атқаратын машина жасау мүмкін емес.
Екінші заң. Мәңгі двигательдің екінші түрін жасау, яғни тек бір дененің
сууы нәтижесінде жұмыс жасайтын машина жасау мүмкін емес.
Жылу машинасы (двигатель)
Жылу машинасы деп отының ішкі энергиясын механикалық энергияға
айналдыратын, яғни отын молекуласының ретсіз (хаосты) қозғалысын тәртіпті
қозғалысқа түсіретін құралды айтады.
Жылу машинасындағы жұмыс жылу есебінде берілу арқылы жасалады, бірақ
жылудың бөлігі міндетті түрде тоңазытқышқа беріледі.
Суретте- мүмкін емес (а) және мүмкін (б) болатын периодты процестер
схема түрде көрсетілген.
Қыздырғыш Q Мәнгі A=Q
двигатель
екінші түрі
а)
Q1 Q2
Қыздырғыш жылу
тоңазытқыш
машинасы
А= Q1 - Q2 б)
Жылу машинасы мынадай бөліктерден тұрады: 1) жұмысшы дене (машинаның
жұмысшы бөлігінде, механикалық жұмыс атқарады); 2) қыздырғыш (жұмысшы
дененің ішкі энергиясын өсіруге көмектесетін құрал); 3) тоңазытқыш (жұмысшы
денеден жылу бөліп алады). Жұмысшы дене (мысалы газ) қыздырғыштан Q1 жылуын
алады. Жұмысшы дене көлемін ұлғайтады (газ поршеньді итереді). Жұмысшы дене
сығылған кезде Q2 энергиясын тоңазытқышқа береді.
Мұндай жылу машинасының пайдалы әсер коэффиценті (п.ә.к.) былай
есептеледі:
Жылу машинасының пайдалы әсер коэффиценті деп атқаратын жұмыстын
қыздырғыштан жұмысшы дене алған жылуға қатынасын айтады.
Сонымен, жылу машинасының ПӘК бірге тең бола алмайды, яғни машина
тоңазытқышсыз жұмыс істей алмайды. Бұл да термодинамика–ның екінші заңының
айтылуының бір түрі.
Енді термодинамиканың екінші бастамасын түсіндіретін кейбір мысалдарды
қарастырайық.
Поршень бар цилиндр алайық. Цилиндрдің ішінде, поршеньнің астында бір
моль идеал газ бар екен делік. Енді осы цилиндрге қыздырғышты әкеліп
түйістірсек, онда қыздырғыштың жылуы газға беріледі де, газ энергиясы
артып, ол поршеньді жоғары көтере бастайды (сурет-2). Бұл кезде газ
изотермиялық түрде кеңейеді де, оның көлемі V2 -ге жетеді. Суретте ол 1-2
изотермамен бейнеленеді. Бұл процесті изотермиялық кеңею деп атайды. Газ
көлемі V2 –жеткенде, қыздырғышты газдан бөліп алып кетеміз. Газ сонда да
кеңеюін тоқтатпайды. Ол кеңейе отырып V3 –көлемге жетеді. Бұл адиабаттық
кеңею деп аталады, яғни газ сырттан жылу алмайды және сыртқа жылу бермейді.
Суретте ол 2-3 бейнеленген. Енді цилиндрге мұздатқышты әкеліп жабыстрамыз.
Сонда газдың біраз жылуы мұздатқышқа өтеді. Ол жылуды Q2 деп белгілейік.
Поршень төмен түсе бастайды. Сөйтіп поршень 3 нүктеге келгенде, газдан
мұздатқышты ажыратамыз. Сонымен 2-3 бөлікте газ изотермиялық түрдесығылады.
Мұздатқыштан ажыратылған поршень тоқтап қалмай төмен қарай түсе береді.
Бұл кезде газ сыртқа жылу бермейді және сырттан жылу алмайды. Мұны
адиабаттық сығылу деп атайды. Бұл процесс 4-1 бейнелейді. Сөйтіп поршень
бастапқы (1 жағдайға) қайтып келеді.
Р
Р1V1 1 Т1
2 р2V2
р4V4 4
Т2 3 р3V3
V
сурет-2
Осыны Карно циклы деп атайды. Сонымен Карно циклы екі изотермиялық және
екі адиабаттық процестерден тұрады. Қыздырғыштан жұмысшы денеге жылу
мөлшерінің берілуі Т1-температурасы кезінде , ал жылу денесінен мұздатқышқа
берілуі Т2- температура кезінде жүреді. Карно циклының пайдалы әсер
коэффиценті қыздырғыш және мұздатқыштың температурасына байланысты болады
Т1 және Т2:
Энтропия.
Жүйедегі ретсіздік өлшемін энтропия деп атайды. Егер жүйеде толық тәртіп
орнаса, онда энтропия минимум болады. Ретсіздік артқан сайын энтропия өсе
түседі. Жүйеде толық хаос орнаса, онда энтропия ең жоғарғы мәнге
(максимумға) ие болады. Қатты дене, сұйық және газ алайық. Осы үшеуінің
атомдарының қозғалысын қарастырайық. Қайсысының атомдары ең жоғары
энтропияға ие болады деген сұрақ қойсақ, онда сұйық атомдарының қатты дене
атомдарына қарағанда ретсіз, жүйесіз қозғалыста болатынын білеміз. Олай
болса сұйықтағы энтропия қатты денеге қарағанда көп болады, энтропия S-пен
белгіленеді. Біз жоғарыда екенін тапқан едік. Осыдан немесе
табамыз. Бұл жерде Q2 жұмысшы дененің тоңазытқышқа берген жылуы.
Сондықтан да ол теріс. Олай болса (1) деп жазуға болады. Жалпы
алғанда шамасы жылудың келтірілген мөлшері деп аталады. Процестің өте
аз бөлігінде денеге берілген жылудың келтірілген мөлшері мынаған
тең:.
Кез келген қайтымсыз процесс үшін жылудың келтірілген мөлшерінің
қосындысы нольге тең болады. Сонда (1) теңдеу жалпы түрде былайша
жазылады:
Интеграл астында тұрғандегеніміз қайсібір функцияның толық
дифференциалы болып есептеледі. Ол функция тек қана жүйенің күйімен
анықталады. Бұл функция мынаған тең:
Осы функцияны энтропия деп атайды да, оны S деп белгілейді. Бұл
функцияны енгізген Клаузиус болатын. Жүйедегі ретсіздік өлшемі энтропия
болғандықтан, оны формула түрінде былайша өрнектеледі: S=klnW. Мұндағы k-
Больцман тұрақтысы, W-жүйе күйінің термодинамикалық ықтималдығы. Бұл
Больцман формуласы деп аталады. Жүйе белгілі бір макро күйге түсу үшін
бірнеше микро күйден өтеді. Жүйені макрокүйге түсіру қанша микро күйден
өткенін көрсететін санды жүйе күйінің термодинамикалық ықтималдығы деп
атайды.
Егер организмнің энергияның жаңа көзі болып саналмайтыны, екіншіден
организмге келіп түскен тамақтың тотығуы нәтижесінде организмнің жұмыс
істеуіне қажетті энергия бөлініп шығатыны дәлелденсе, онда термодинамиканың
бірінші бастамасын тірі организмге қолдануға болады екен. Бұл мәселені
дәлелдеу үшін сонау XVIII ғасырдан бастап көптеген тәжірибелер жүргізілді.
Ақыр соңында организмге келіп түскен тамақтан пайда болатын энергияның
мөлшері организм жұмыс істегенде кететін энергияның мелшеріне тең екені
анықталды (1-кесте).
1-кесте
Адам организмінде бір тәулік ішінде жүретін жылу балансы
Кіріс кДж Шығыс кДж
Берілген тамақ Бөлінген жылу 5743
Белок (56, 82) 991 Газбен 180
Майлар (140, 2) 5463 Дәретпен 96
Углеводтар 79, 92 1400 Дем алғанда 757
Тері арқылы 949
Әр түрлі түзетулер46
Барлығы 7854 7771
Шамамен алғанда берілген энергия (7854 кДж) денеден бөлінген энергияға
(7771 кДж) тең екен. Олай болса организм энергияның жаңа көзі болып
саналмайды екен. Осыдан келіп, термодинамиканың бірінші бастамасы
биологиялық жүйелерге де жарай береді деген қорытындыға келеміз. Жан-
жануарлардың организмінен бөлініп шыққан энергия оны қоршаған ортаға
таралып кетеді. Осы энергияны өлшеу үшін биологиялық калориметр деген
қолданылады. Биологиялық калориметр қабырғалары жылу өткізбейтін камерадан
тұрады. Камераға оттегі беріліп отырады, одан яғни камерадан ауа желдеткіш
арқылы далаға шығарылады. Су тутіктер арқылы камераға еніп, одан сыртқа
шығып жатады. Осы биологиялық камераға мал қамап қойса, онда оның денесінен
бөлініп шыққан энергия түтіктен суға беріледі де, судың температурасы
көтеріледі. Судың камераға кірердегі температурасы мен камерадан шығардағы
температурасын өлшеп, мал денесінен бөлініп шыққан энергия деп табуға
болады.
5. Гесс заңы
Тағамдар тотыққанда бөлініп шығатын энергияны калай анықтауға болады?
Жан-жануар организміне түскен тамақтың күрделі биохимиялық реакцияға
түсетіні мәлім. Соның нәтижесінде ол тамақ әсерінен қанша энергия бөлініп
шығатынын қалай табуға болады деген заңды сұрақ туады. Бұл сұраққа 1836
жылы ашылған Гесс заңы жауап береді.
Көптеген сатылардан өтіп келген химиялық реакцияның жылулық эффектісі
реакцияның жүріп өткен жолына байланысты болмайды, ол тек қана химиялық
жүйенің бастапқы күйдегі энергиясы мен соңғы күйдегі энергиясының
айырмасына байланысты болады.
Гесс заңы тамақтың жұғымдылығын (калориялығын) анықтау үшін мал
дәрігерлігі мсн медицинада тамақты өртейді. Ол құралды калориметриялық
бомба деп атайды. Сонда бөлініп шыққан жылуды өлшеп алады. Ал осы тамақты
адам жесе, онда тамақ организмде биохимиялық реакцияға түсіп, жылу бөліп
шығарады. Гесс заңы бойынша осы екі жылу біріне бірі тең болуға тиіс.
Глюкозаның тотығуы биохимиялық реакцияның мысалы бола алады.
Бір моль глюкоза алайық. Ол алты моль оттегімен қосылсын делік. Сонда
осы реакция нәтижесінде 2840 кДж жылу бөлініп шығады екен. Дәл осы жылу
глюкозаны калориметриялық бомбада жақса да немесе глюкоза адам немесе мал
денесінде болса да бөлініп шығады екен.
Ашық жүйенің қасиеті
Тірі жүйе негізінде ашық және сонымен бірге тепе-теңсіз болып келеді.
Оны бірінші түсінген совет биологы Бауэр тірі материя тепе-теңсіз күйде
болғандықтан, оның тұрақты жұмысқа қабілетілігінің сақталуын тірі табиғатын
молекулалық құрылысы қамтамасыз етеді, ал тірі жүйелер өндіретін жұмыс көзі
осы молекуланың күйіне, осы молекуланың құрылысына тән және ен ақырында бос
энергия ретінде қолданылады деген тұжырымға келді. Биологияға сәйкес
(байланысты) ашық жүйенің термодинамикасын әрқарай дамытқан Берталанфии
және көбінесе Пригожин болды.
Организм термодинамикалы ашық жүйе. Онда химиялық реакциялар жүреді.
Биохимиялық реакциялар барлық сатыларда каталитиктер болып табылады.
Катализатор ретінде белоктар – ферменттер қолданылады. Термодинамикалық
жүйе деп клетканы, организмді, және т.б. басқаларды айтуға болады.
Термодинамикалық жүйенің ашық, жабық деген екі түрі бар. Жабық жүйе де
оқшауланған және тұйық болып бөлінеді. Егер жүйе өзін қоршаған ортаға
энергия бермесе және ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz