Биофизика және оның мәселелері
Биофизика және оның мәселелері. Термодинамика
1.Биофизикажәне оның мәселелері.
Биофизика- әртүрлі сатыдағы биологиялық жүйелерде болып жатқан
физикалық және химиялық процестерді зерттейтін ғылым. Биофизиканың
зерттейтін объектісі 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. Биофизиканың ғылым болып қалыптасуына физика, химия,
физиология, математика, биохимия тәрізді ғылымдардың зор ықпалы тиді. Осы
ғылымдардың негізінде дүниеге келген биофизиканың өз заңдылықтары, өз
әдістері бар. Биофизиканың мынадай салалары бар: 1) молекула биофизикасы,
ол организмді түзетін биологиялық молекулалардың құрылысы мен физикалық
қасиеттерін қарастырады. Сол сияқты биологиялық процестердің кинетикасы мен
термодинамикасын қарастырады; 2) клетка биофизикасы. Бұл сала клетканың
ультрақұрылысын, оның физикалық және химиялық ерекшеліктерін және клетканың
өтімділігін, биологиялық потенциалын қарастырады; 3) күрделі жүйе
биофизикасы (немесе басқару және реттеу процесінің биофизикасы). Сонымен
қатар, биофизика организмге деген физикалық факторлар әсерін, иондалған
сәуленің биологиялық әсерін (рабиобиология), көз оптикасын, қозғалыс, тыныс
алу, иіс сезу, есіту, қан айналыс органдарының жұмыс әрекетін қамтиды.
Биофизика ғылым ретінде бүгінгі күн кең дами бастады.
2 Термодинамиканың негізгі түсініктері.
Термодинамика физиканың материя қозғалысының жылулық формасын және
сонымен байланысты физикалық құбылыстарды зерттейтін бөлімі.
Термодинамикадағы басты орында тұрған ол энергия мен жұмыс арасындағы
қатынас. Термодинамикалық жүйе деп өзара бір-бірімен және басқа денелермен
зат, энергия алмаса алатын макроскопиялық денелер жиынтығын айтады. Егер
осындай алмасулар жүйеге енетін денелер арасында ғана болса, ондай жүйе
оңашаланған жүйе деп аталады. Егер жүйе сыртқы ортамен осындай алмасулар
жасайтын болса, ондай жүйе ашық жүйе деп аталады. Ал жүйе өзін қоршаған
ортамен тек қана энергия алмаса алатын болса, онда оны тұйық жүйе деп
атайды. Жүйенің күйі макроскопиялық физикалық шамалардың өзгеруін
көрсететін параметрлермен беріледі. Маңызды параметрлерге көлем,
температура, қысым, сонымен қоса электрлік поляризация, магниттеліну және
т.б. жатады. Жүйенің жалпылама күй теңдеуі
Күй теңдеуіне мысал ретінде идеал газға арналған Менделеев- Клапейрон
теңдеуін алуға болады:
Тепе-теңдік күй немесе термодинамикалық тепе-теңдік күйге дене
жеткілікті уақыт өткеннен кейін өздігінен өзі келеді, егер жүйе
оңашаланған болса. Тепе-теңдік күйде барлық қайтымсыз процестер
тоқталады, жүйе күйін сипаттайтын параметрлер уақытқа байланысты өзгеріссіз
қалады. Жүйенің бір күйден екінші күйге өтуі термодинамикалық процесс деп
аталады.
Бірақ табиғаттағы барлық процестер қайтымсыз процестер. Энергияның
біраз бөлігі жылуға айналатын болса, ондай процесс қайтымсыз, себебі жылу
қайтадан энергияға айнала алмайды. Сонымен, кез келген процесс қайтымды
болу үшін үйкеліс болмауы керек, Қайтымсыз процестер тек бір ғана бағытта
жүреді.
Ішкі энергия жүйеге кіретін барлық бөлшектердің кинетикалық және
потенциалық энергияларының қосындысы. Термодинамикада ішкі энергия
ұғымының өзі емес, оның өзгерісі басты роль атқарады.
Энтропия энергияның қайтымсыз шашырауының өлшем бірлігі және
термодинамикалық жүйе күйі функциясы болып табылады. Процестерді зерттеген
кезде оның өзгерісі ерекше қызығушылық тудырады. Энтропия мынаған тең
Қайтымды процестер үшін энтропия тұрақты, ал қайтымсыз процестер үшін
өседі.
Сонымен,
Бұл Клуазиус теңсіздігі. Энтропия жүйедегі ретсіздік өлшемі болып
табылады. Оны былайша да өрнектеуге болады:
Мұндағы -Больцман тұрақтысы, -жүйе күйінің термодинамикалық
ықтималдылығы. Бұл Больцман формуласы деп аталады. Жүйені макрокүйге түсіру
қанша микро күйден өткенін көрсететін санды жүйе жүйенің термодинамикалық
ықтималдығы деп атайды.
Еркін энергия бұл жүйенің ішкі энергиясының бір бөлігі, осының
есебінен жүйе қайтымды изотермиялық процесте жұмыс жасауы мүмкін.
мұндағы шамасын кейде байланысқан энергия деп те атайды. Егер жүйе
тепе-теңдік күйге жетсе, онда еркін энергия минимал, ал энтропия максимал
болады. Термодинамикалық тепе-теңдік күйде барлық макроскопиялық
процестер тоқтайды да, жүйедегі денелерге ортақ температура орнайды.
Термодинамиканың бірінші заңы энергияның сақталу заңы болып табылады.
Жүйеге берілген жылу оның ішкі энергиясын арттыруға және сыртқы күштерге
қарсы жұмыс істеуге кетеді:
Егер жүйе бернеше күйлерде бола отырып, өзінің алғашқы күйіне қайтып келсе,
онда ішкі энергия нолге тең
Сонымен жүйе оған берілген жылу мөлшері есебінен ғана жұмыс жасай
алады.
Термодинамиканың бірінші заңы табиғатта болып жатқан процестердің
бағыты жөнінде ешқандай мағлұмат бермейді. Термодинамиканың екінші заңы
өмірде болатын процестердің бағыты жөнінде мағлұмат береді. Анықтамалары:
Жылу ешқашан да суық денеден ыстық денеге берілмейді.
Мәңгі двигательдің екінші түрін жасау мүмкін емес.
Термодинамика заңдарын тірі табиғатқа да қолдануға болады.
Организмге келіп түскен тамақтан пайда болатын энергияның мөлшері организм
жұмыс істегенде кететін энергияның мөлшеріне тең екені анықталды. Шамамен
алғанда берілген энергия (7854 кДж) денеден бөлінген энегияға (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.
Жан-жануар организміне түскен тамақтың күрделі биохимиялық реакцияға
түсетіні мәлім. Соның нәтижесінде ол тамақ әсерінен қанша энергия бөлініп
шығатынын қалай табуға болады дегне заңда 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:
Мұндағы - реакцияның бастапқы энергиясы
-реакцияның соңғы энергиясы
Ол үшін 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.
Тірі организмдердегі энергияның түрленулері
Түрленетін энергия түрлері Осы түрленулер өтетін организм бөліктері
Химиялық энергия механикалықБұлшық еттерде
энергияға
Химиялық энергия электр Барлық клеткаларда
энергиясына
Химиялық энергия жарық Балықтар мен жәндіктердің сәуле шығаратын
энергиясына еттері
Жарық энергиясы химиялық Көз қарашығы фоторецепторлары, тері
энергияға клеткалары, бактериялар, өсімдіктер
жапырақтары
Акустикалық толқындардың Ішкі құрақтағы Корти органында
механикалық энергиясының
электр энергиясына
Барлық энергия түрлерінің Барлық клеткалар мен еттерде
жылу энергиясына
Термодинамикалық тепе-теңдік күй
1 Термодинамикалық стационар күй.
Термодинамика заңдарын биологиялық жүйелерге қолданғанда тірі
организмнің ерекшеліктеріне аса көңіл бөлу керек: 1) заттар мен энергия
ағынына биологиялық жүйелер ашық; 2)Тірі жүйелердегі процесстер қайтымсыз;
3) тірі жүйелер тепе-теңдіктен алыс; 4) биологиялық жүйелер гетерофазалы,
құрылымдық және жеке фазалары аздаған молекулалар санынан тұруы мүмкін.
Биологиялық жүйелер қасиеттерін нақты түрде сипаттау үшін қайтымсыз
процестер термодинамикасы теориясы қолданылады. Оның негізіг салушылар
Л.Онгазер мен И. Пригожин. Процестің уақытқа тәуелділігіне мысал ретінде:
иондарының концентрациясы клетканың ішіне қарағанда сыртында көп.
Бірақ концентрациясы градиенті мен потенциалодар айырмасының болуы
индарының ішке еніп кетуіне әкеледі, сондықтан концентрациясы тұрақты болып
қалады.
Стационарлық күй сипаттамалары:
Жүйеге енген зат мен одан бөлініп шыққан заттың тұрақтылығы;
Еркін энергия шығынының тұрақтылығы, олар жүйедегі заттар
концентрациясын тұрақты етіп ұстап тұрады.
Стационар күйдегі термодинамикалық параметрлердің тұрақтылығы.
Ашық жүйе стационар күйде зат мен электр зарядтары ағыны есебінен
ғана өмір сүре алады.
Сызықты тепе-тең емес термодинамика негізін қалаған Л.Онзагер мен
И.Пригожин болды. Ол тепе-тең күйге жақын процестерді қарастырады,
процестерден пайда болған жылдамдықтар мен күштердің арасында сызықтық
байланыстар болған кездегі.
Биологиялық жүйелер градиент санының артықтығымен сипатталады
(осмостық, электрлік, концентрлік және т.б.
Қандай да бір термодинамикалық параметрдің градинті ара қашықтыққа
байланысты өзгереді.
– үлкен параметрден кіші параметрге дейінгі бағыт.
Биологиялық жүйе оның градиенті болса, онда оның жұмыс істей алу
мүмкіндігі бар. Градиентті энергия қоймасы деп айтуға болады.
Еркін энергия
- термодинамикалық параметрлердің 1-ші және 2-ші нүктелердегі
мәні.
Жүйенің жұмыс істеуі осы еркін энергияны жұмсауына байланысты. Егер
жұмыс істелетін болса, онда градиент кемиді, себебі оның энергиясы
есебінен жұмыс жасалады, бірақ параллель оған қарама-қарсы бағытта екінші
градиент пайда болады. Қайтымсыз процестерде екінші градиенттің шамасы
бірінші градиентке қарағанда аз болады.
2 Биологиялық процестердің п.ә.к.
ПӘК- істелген жұмыстың осы жұмысты істеуге кеткен еркін энергия
өзгерісіне қатынасы:
ПӘК
ПӘК абсолю бірлікпен немесе процентпен берілуі мүмкін.
Термодинамиканың екінші бастамасына сәйкес қайтымды процестердің ПӘК
бірге тең, ал қайтымсыз процестердікі бірден кіші. Ал нақты биологиялық
процестердің ПӘК-і де бірден кіші. Нақты биологиялық процестердің ПӘК
жуық шамамен мынаған тең:
Гликолиз – 36%
Фс –75%
Қышқылдандыратын фосфорлану – 55%
Бұлшық еттің жиырылуы – 40%
Стационар күй дегеніміз термодинамикалық жүйенің параметрлері уақытқа
байланысты өзгермейді, бірақ зат алмасу мен энергия алмасу жүріп жататын
күй. Ашық жүйелер термодинамикалық тепе-тең күйлерге өтуі мүмкін.
Стационар күй:
Қоршаған ортамен тұрақты түрде энергия алмасу
Күйді сақтап тұру үшін еркін энергия тұрақты түрде жұмсалып отырады
Термодинамикалық потенциал тұрақты.
энтропия тұрақты, бірақ максимал емес
градиенттер болмайды.
Термодинамикалық тепе-теңдік
қоршаған ортамен зат және жылу алмасу болмайды
осы күйді ұстап тұру үшін еркін энергия жұмсалмайды
жүйенің жұмыс істей алу қабілеті мен термодинамикалық потенциалы нольге
тең.
энтропия максималь
• жүйеде градиенттер болмайды.
Пригожин теоремасы
Кез келген ашық термодинамикалқы жүйеде тұрақты түрде энтропия пайда
болады, оның ішінде биожүйелерде де.
Пригожин анықтамасы:
Сыртқы параметрлер белгілі болған стационар күйлерде ашық
термодинамикалық жүйелерде энтропия өзінің минимал мәніне ұмтылады.
Энтропия – еркін энергияны жұмсау өлшемі, сондықтан кез келген ашық
термодинамикалық жүйе стационар күйде еркін энергияны минимал жұмсайды.
Ле-Шателье-Браун принципі
Егер орнықты тепе-теңдік күйде тұрған жүйеге сырттан қандай да бір
параметрін (температура, қысым, концентрация) өзгерте отырып әсер етсек,
онда жүйеде сыртқы әсерлерді компенсациялайтын процестер арта бастайды.
Биоэлектрлік потенциалдар.
1. Биоэлектрлік потенциалдардың сипаттамалары және пайда болуының негізгі
себептері.
Биоэлектрлік потенциалдар деп жануарлардың, адамдардың тканінде,
клеткаларында пайда болатын потенциалдар айырмасын айтамыз. Тірі
организмдегі потенциалдар айырмасының қалай пайда болатынын түсіну үшін
ерітінділердегі потенциалдардың қалай пайда болатынын қарастыра кетейік.
Ерітінділерде пайда болатын потенциалдар электронды және ионды болып
екіге бөлінеді. Айталық, ерітіндіге мыс және және мырыш салынсын. Мыс
еріген кезде ьос электрондар бөліп шығарып, өзі оң зарядталса, мырыш ол
электрондарды қабылдайды да теріс зарядталады. Сөйтіп ерітіндіде
потенциалдар айырымы пайда болады. Ерітінділердегі иондардың әсерінен пайда
болатын потенциалдарды ион типті потенциалдар деп атайды. Ион типті
потенциалдар диффузиялық, мембраналық және фазааралық болып үшке бөлінеді.
Диффузиялық потенциалдар айырмасы Гендерсон формуласымен анықталады:
Мұндағы - катион мен анион қозғалғыштығы, -Кельвин шкаласындағы
температура, - универсаль газ тұрақтысы, - сұйықтар
концентрациясы, иондар валенттілігі.
болса, онда Гендерсон теңдеуі мына түрге келеді:
Бұл Нернст теңдеуі деп аталады.
Клеткалардың цитоплазмасында және сыртқы ортада негізінен калий ,
натрий , хлор иондар мен аминқышқыл аниондары жүреді.
Клетканың ішінде калий, хлор және аминқышқыл аниондары, ал клетканың
сыртында калий , және хлор иондары бар дейік. Калий және хлор
иондары мембрананың ішкі және сыртқы жағына еркін өтіп жүретін болса,
аминқышқыл анионы клетка ішінде қалып қояды. Мембрананың ішкі және сыртқы
жағындағы иондардың концентрациясының көбейтіндісі біріне-бірі тең болады
да, оны Доннан тепе-теңдігі деп атайды, яғни:
немесе
мұндағы - мембрананың ішіндегі калий және хлор иондары, ал -
мембрананың сыртындағы калий және хлор иондары. Сонда Нернст теңдеуі
былайша өрнектеледі:
Фазааралық потенциалдар араласпайтын екі сұйықтың шекарасында
потенциалдар пайда болады. Клетканың цитоплазмасын көп фазалы
микрогетерогенді жүйе деп қарастыратын болсақ, онда фазалар шекарасында
потенциалдар айырмасы пайда болады. Оны фазааралық потенциалдар деп
атайды.
Электродтық потенциалдлар шамасы мына формуламен анықталады:
мұндағы -металдың электродтық потенциалы, - қалыпты электродтық
потенциалы, - ерітінді концентрациясы, - металдағы ионның
концентрациясы, ол , бұл Нернст теңдеуі деп аталады. Қалыпты
электродтық потенциалдың шамасы кестеден алынады. Кейбір металдардың
қалыпты электродтық потенциалы мына кестеде берілген.
Элемент
Адам терісі -55
Бақа терісі -55
Бақа жүйкесі -64
Қоян бұлшық еттері -65
шамасының құраушыларын векторлық диаграмма түрінде кескіндеуге
болады, ол үшін абсцисса осіне актив кедергіні, ордината осіне реактив
кедергіні саламыз.
2-сурет
Импеданстың активті және реактивті қасиеттерінің болуы оны эквивалент
электр сұлбаларын қолдана отырып модельдеуге болады. Соларды қарастырайық.
3- сурет
Графиктер айнымалы ток жиілігі өзгерісінің импеданстың абсолют шамасына
әсерін көрсетеді.
Дәріс №5. Биологиядағы термодинамиканың бірінші бастамасы.
Биологиядағы термодинамиканың екінші бастамасы.
Термодинамика заңдары тек өлі табағатқа ғана жарамды деп ойлау ағаттық
болар еді. Термодинамика заңдарын тірі табиғатқа да пайдалануға болады. Ол
үшін термодинамикалық жүйе деп нені айтатынымызды келісіп алайық.
Классикалық физиканың термодинамикасындағы ғылыми көзқарас бойынша жабық
системадағы (жүйеде) қайтымсыз процестер энергияның минимум (азаятын), ал
энтропияның максимум (өсетін) бағытында жүреді. Сөйтіп, система тепе-
теңдік күйге ұмтылады.
Ал, биологиялық система ашық жүйе. Ол тепе-теңдік күйде болмайды.
Осындай системадағы қайтымсыз процестерге классикалық термодинамиканың
заңдарын қолдануда қажетті теорияға кейбір толықтырулар енгізілген.
Нәтижесінде қайтымсыз процестердің термодинамикалық теориясы жасалынып,
дамып келеді. Оны Ашық системаның қайтымсыз процестерінің термодинамикасы
деп атайды.
Системаның стационар күйінде қайтымсыз процестер жүріп тұру үшін оны
сипаттайтын термодинамикалық шамалардың сан мәндері ұзақ уақыт өзгермеуі
шарт. Мысалы, тірі организм өзін қоршаған ортамен зат және энергиямен
алмасады. Демек, ауадан оттегін, қоршаған ортадан коректік заттарды және
бірнеше энергия түрлерін қабылдайды да, сол ортаға метаболизм нәтижелерімен
қоса жылу бөліп шығарып, жұмыс та атқарады. Сонда организмнің жеке
органдары мен тканьдарының температурасы және оның (ішкі құрылымындағы)
тыныштық биопотенциалдары, осмос қысымдары, биологиялық сұйықтардың тұз
құрамдары, қышқылдығы ұзақ уақыт өзгеріссіз сақталады. Сөйтіп, биологиялық
системаның физикалық және химиялық қасиеттерінің ұзақ уақытта өзгеріссіз
сақталатын күйін оның стационар күйі дейді. Стационар күйде системадағы
физикалық және химиялық процестердің жүру жылдамдықтары тұрақты болады.
Стационар күйде жүретін процестер термодинамикалық тепе-теңдік күйге жақын
немесе одан алыс та болуы мүмкін. Организмге келіп түскен тамақтан пайда
болатын энергияның мөлшері организм жұмыс істегенде кететін энергияның
мөлшеріне тең. Шамамен алғанда берілген энергия 7857 кДж денеден бөлінген
энергияға 7771 кДж тең екен. Олай болса организм энергияның жаңа көзі болып
табылмайды. Осыдан, термодинамиканың бірінші бастамасы биологиялық
жүйелерге де жарайды деген қорытындыға келеміз. Термодинамиканың екінші
заңы өмірде болатын процестердің бағыты жөнінде мағлұмат береді. Бұл заңның
негізін салушы Карно. Оны сипаттайтын бірнеше анықтама бар:
Клуазиус анықтамаасы: Жылу ешқашан да суық денеден ыстық денеге берілмейді.
Планк анықтамасы: Қыздырғышты суыту арқасында алынған жылу мөлшерін
түгелімен жұмысқа айналдыру мүмкін емес.
1 Жылу берілу. Жылу өткізгіштік және сығылу. Калориметрлік әдіс. Гесс заңы.
Тірі организмдердегі жылу алмасу түрлері.
Температурасы жоғары денеден температурасы төмен денеге жылу беріледі. Яғни
жылу берілу бір бағытта жүреді. Мысалы ыстық дене алып оны суық денемен
түйістерсек, онгда осы екі дененің температурасы теңеседі. Сонда энергия
ыстық денеден суық денеге беріледі. Кері процесс жүруі мүмкін емес. Ендеше
бұл қайтымсыз процесс.
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 түтіктер 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 және камерадан шығардағы
температурасын өлшеп, мал денесінен бөлініп шыққан энергияны табуға болады.
Тағамдар тотыққанда бөлініп шығатын энергияны қалай анықтауға болады? 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 химиялық жүйенің
бастапқы және соңғы күйдегі энергияларының айырмасына байланысты болады.
Гесс заңы тамақтың жұғымдылығын анықтау үшін мал дәрігері мен медицинада
тамақты өртейді. Ол приборды калоримертлік бомба деп атайды. Сонда
бөлініп шыққан жылуды өлшеп алады. Ал осы тамақты адам жеес, онда тамақ
организмде биохимиялық реакцияға түсіп, жылу бөліп шығарады. Гесс заңы
бойынша осы екі жылу біріне бірі тең болуға тиіс.
2 Жылуөткізгіштіктің физикалық механизмдері. Ашық жүйелердің
термодинамикасы.
Қайтымсыз процестердің теориясын қалыптастыру барысында термодинамикалық
шамалардың ағыны деген ұғым енгізілген болатын. Мысалы, Фурье заңы бойынша
жылу ағынының интенсивтілігі температура градиентіне
пропорционал:
,
мұндағы - жылуөткізгіштік коэффициенті, минус таңбасы жылу ағынының
интенсивтілігі температураның төмендеу бағытында азаятындығын көрсетеді.
Фик заңы бойынша заттың диффузиялық ағынының интенсивтілігі оның
концентрациясының градиентіне пропорционал:
,
бұндағы - заттың концентрациясы, ал - диффузия коэффициенті.
Биологиялық системадағы электрлік шамалардың ағынын Ом заңы өрнектейді:
.
Осы теңдіктегі - ортаның меншікті электрөтімділігі, ал
потенциал градиенті () электр өрісінің кернеулігімен байланысты
. Тегінде, Ом заңының өрнегі . Ондағы - ток тығыздығы.
Мұның сан мәні өткізгіштің бір өлшем көлденең қимасы арқылы бір өлшем
уақытта өткен зарядтың шамасына тең . Ток тығыздығын электр
зарядтарының ағынының интенсивтілігі деп қарастырса , онда
жоғарыдағы теңдік шығады.
Күрделі биологиялық системада көптеген термодинамикалық ағындар бір-
бірімен тығыз байланыста. Мысалы, диффузия тек қана концентрация айырымымен
ғана анықталып қоймай, ол температура өзгерісіне (термодиффузия),
потенциалдар айырымына да тәуелді (электродиффузия) және т.б. Сонда
диффузиялық ағын бірнеше ағындардың алгебралық қосындысынан тұрады:
.
Соңғы теңдіктегі шамаларды төмендегідей әріптермен, яғни ;
; ; деп, және оларға сай коэффициентерін де басқаша
белгілейді: ; ;
Осы теңдікті нақтылы бір ағын үшін жазуға болады:
.
Сонда бұл кез келген -ші шаманың ағыны үшін былайша өрнектелінеді:
Мұндағы - әртүрлі шамалардың градиенттері, оны жалпылама күш
деп атайды. - оларға сай коэффициенттер. Соңғы теңдік жоғарыда
қарастырылған Фурье, Фик және Ом т.б. заңдарының жалпы түрі. Бұл теңдіктегі
Онзагер (американдық химик, физик) коэффициенті.
Онзагерше системаның стационар күйінде жүретін қайтымсыз процестегі
бір жалпылама күштің () оған сай емес, пайда болатын термодинамикалық
басқа ағындағы () үлесі, осы процесс кезінде туатын келесі ағындағы
() алғашқы жалпылама күштің () үлесіне тең болады. Мысалы,
организмдегі химиялық тотығу реакция барысында клеткалардың ішінде
оттегінің концентрациясының, айталық, алғашқы ағыны пайда болады. Сонымен
бірге клеткадан сыртқа көмірқышқыл газының, жылудың т.б. шамалардың келесі
ағындары тарайды.
Сөйтіп, әртүрлі ағындар бір ортада тарағанда ондағы ағындар
коэффициенттерінің мәндері өзара тең болады: . Бұл теңдікті Онзагер
коэффициенттерінің өзара алмасу принципі деп атайды.
Биологиялық ашық системада жүретін қайтымсыз процестердің теориясын
қалыптастыруда классикалық термодинамикадағы шамаларды, параметрлерді,
функцияларды және оларды өзара байланыстыратын теңдіктерді пайдаланады.
4 Биофизикалық процес-тердің қайтымдылығы мен қайтымсыздығы. Энтропия
өзгеруі.
Биологиялық система өзін қоршаған ортамен зат және энергиямен алмасуы
кезінде онда жүретін әртүрлі қайтымсыз процестер өзара тығыз байланысты.
Оларды сипаттайтын жалпы энтропияның өзгерісі екі құраушы-дан тұрады:
.
Мұндағы - системаның ішіндегі энтропия өзгерісінің шамасы. Бұл,
мысалы тірі организмнің биологиялық процестер кезінде жылу бөліп шығаруын
және атқаратын жұмысын және т.б. процестерді сипаттайды. Мәні үнемі оң сан
(). Сондықтан ол системадағы бейберекеттіліктің артатындығын
көрсетеді. Ал - осы системаның қоршаған ортамен әсерлесуін
сипаттайтын энтропияның өзгеру шамасы. Оның мәні, системадағы процестерге
байланысты, үш түрлі болуы мүмкін. Егер болса (оң шама), онда
системаның жалпы энтропиясының өзгерісі артады (яғни ) (жоғарыдағы
теңдікті қараңыз). Сонда системадағы күрделі биохимиялық тізбектердегі
бөлшектердің байланыстары үзіліп, қарапайым құраушыларға жіктеледі. Сол
сияқты, клеткалардың да құрылымдары бұзылып, системада хаостық
процестердің шамасы ұлғаяды. Бұндай күй бола қалса, системаның өмір сүруі
тоқтайды. Мысалы, бұл өсімдіктің көк жапырағын қайнаған суға салғандағы
күйі сияқты. Ал енді болса, онда бірінші жағдайда баяндалғандай,
системаның мүшкіл күйі тағы қайталанады. Үшінші жағдайда (шамасы
теріс) және болса, онда системаның жалпы энтропиясының өзгеріс шамасы
да теріс санмен анықталады. Сонда, системада жаңа күрделі биохимиялық
құрылымдар, элементтердің органикалық тізбектерінен жаңа клеткалар пайда
болып, организмде тканьдар өседі және т.б. процестер жүреді. Нәтижесінде,
системада тәртіп орнай бастайды. Бұл системаның жалпы энтропиясының
өзгеріс шамасының (ағынының) азайғандығын көрсетеді.
Сөйтіп, Сызықтық термодинамика қағидалары бойынша биологиялық
системаның энтропиясының өзгеріс шамаларының артуы да (мысалы ) және
кемуі де орын алады. Ал, классикалық термодинамикада қайтымсыз
процесс жүргенде энтропияның өзгеру шамасы тек қана артады .
Биологиялық системада бір уақытта, параллель жүретін процестердің бағыттары
қарама-қарсы да болады. Оларды сипаттайтын жалпы энтропия өзгерісінің
жылдамдығы, жоғарыдағы теңдікке сай, екі құраушыдан тұрады:
.
Бұндағы - системаның ішіндегі энтропия өзгерісінің (ағынының)
жылдамдығы, ал - осы системаның өзін қоршаған ортадан зат және
энергия қабылдау кезіндегі, оларды сипаттайтын энтропия өзгерісінің
(ағынының) жылдамдығы.
Егер системаның жалпы энтропия өзгерісінің (ағынының) жылдамдығы
тұрақты болса (яғни ), онда теңдіктен төмендегі өрнек шығады:
.
Осы теңдік ашық системаның стационар күйде болу шарты делінеді.
Системаның бұндай күйінде, бірдей уақыт аралығында, қарама-қарсы
бағытталған, энтропия өзгерістерінің (ағындар) жылдамдықтары тұрақты және
өзара тең болады екен.
5 Пригожин теоремасы. Ветеринарлық емденудің термодинамикалық тәсілдері.
Ашық системадағы қайтымсыз процестердің Сызықтық термодинамикасының
негізін салушы ғалымдардың бірі И. Пригожин (бельгиялық физик, химик, 1947
ж.) ... системаның стационар күйі экстремальдық принциппен сипатталынады
деді. Кейіннен ол принцип Пригожин теоремасы болып қалыптасты: Сыртқы
параметрлері межеленген ашық системаның стационар күйіндегі энтропияның
уақыт аралығындағы өзгерісі тұрақты, шамасы минимальды (болмашы, өте аз)
болады.
Бұл теоремадан төмендегідей де қорытынды шығады. Егер система, кейбір
себептермен, стационар күйден ауытқыса, онда бұл процесс системаның
энтропия шамасының өзгеріс жылдамдығы өте аз мәнге жеткенше жүреді.
Мембраналық процестердің биофизикасы. Жалпыбиологиялық процестер мен
энергетикалық процестердің беттесу механизмдері. Биомембраналардағы
энергияның түрленуінің жалпы сипаттамалары.
1 Мембрана – биосистеманың әмбәбап компоненті.
Биологиялық мембрана негізінен белоктардан, липидтерден және
көміртектен тұрады. Табиғи липидтер молекулаларының құрамына полярлы
зарядталған фосфатты бас мен ұзын көміртек тізбекшелері кіреді. Мембрана
жасаушы цитоплазмасын қоршаған ортадан бөліп тұратын нәрсе. Оның қалыңдығы
8-12 нм және ол үш қабаттан тұрады. Мембрана клеткаға суды, иондарды,
коректендіргіш заттарды өткізеді, ал клеткадан зат алмасу өнімдерін
шығарады, бірақ та жоғары молекулалы заттарды өткізбейді. Сонымен мембрана
клеткадағы зат алмасу процесін реттеп отырады. Кез келген зақым кезінде
мембрана өліп қалады. 1833 ж. Роберт Броун өсімдік материалынан жасушалық
ядроны ашқан. Ол микроскоп арқылы тозаң жіпшелерінің жасушаларын қарап,
дөңгеленген формалы денешіктерді тапқан. Оны "nuclei" — ядро деп атаған.
Ядро жасушаның ортасында орналасқан дөңгелек немесе сопақша формалы
жасушаның ең ірі органоиді. Ядро үш бөліктен тұрады: ортасында орналасқан
- ядрошықтан, ядроның сұйық бөлігі - нуклеплазмадан және ядролық
мембранадан. Тұрады. Ядро екі мембранадан тұратын қабықшамен қоршалған.
Сыртқы ядролық мембрана рибосомалармен қапталған, ішкі мембрана тегіс
болады. Электронды микроскоп арқылы зерттеу ядролық мембрананың жасушалың
мембрана жүйесінің бір бөлігі екендігін көрсетті. Сыртқы ядролық
мембрананың өсінділері эндоплазмалық тордың өзектерімен (каналдарымен)
байланысады да, біртұтас өзектер жүйесін құрайды. Ядроның тіршілік
әрекетінде ядро мен цитоплазма арасындағы зат алмасу басты рөл атқарады.
Ол негізгі екі жолмен жүзеге асады. Біріншіден, ядролық мембрананың
көптеген саңылаулары болады. Осы саңылаулар арқылы ядро мен цитоплазма
арасында молекула алмасуы жүреді. Ядро мен цитоплазма арасында зат алмасу
белсенді түрде жүргенімен, ядро қабықшасы ядроның құрамын цитоплазмадан
бөліп тұрады. Бұл өзін қоршап тұрған цитоплазмадан өзгеше, өзіндік
ядроішілік ортаның болуын камтамасыз етеді. Қазіргі кезде 1971 жылы
Николсон мен Сингер ұсынған биологиялық мембрананың сұйық-мозайкалық моделі
бар. Ол бойынша биологиялық мембрананың негізін фосфолипидті бимолекулалық
қабат, ол иондар мен су еріткіш молекулалар, мембраналық ферменттер
матрицалары, рецепторлар және т.б. мембранада орналасқан белоктар,
гликолипидтер мен гликопротейдтер үшін кедергі қызметін атқарады.
Плазмалық мембрана липидтерінің құрамына көп холестерин де кіреді. Пайда
болған билипидтік қабаттың шеті болмайды, олар өздігінен тұйықталуға
тырысады. Мембранадағы молекулалардың кеңістікте осындай қатаң түрде
орналасулары оның физикалық қасиеттерін сипаттайды. Мембраналардың
меншікті электрлік кедергісі, меншікті сиымдылығы және диэлектрлік
өтімділігі өте жоғары.
2 Мембранадағы фазалық ауысулар. Жасанды мембраналар.
Қалыпты физиологиялық жағдайларда мембраналар сұйық күйде (золь күй)
болады, бірақ та олардың сұйықтан айырмашылығы, ол қатаң реттелген . түрде
болады. Сондықтан, мембрананың күйі сұйық кристалды күй (гель күй) деп
аталады. Биологиялық мембраналардың физикалық әдістері мәліметтері бойынша
олар бірінші ретті фазалық ауысуларға ұшырайды. Температура төмендеген
сайын мембрана қатты кристалл күйге өтеді. Осындай ауысуларда мембрананың
жалпы құрылысы сақталады, бірақ жүйедегі реттілік артады. Золь күйде
бір липид молекуласына сәйкес келетін мембрана ауданы 0,58 нм2, ал гель
күйде 0,48 нм2 болады. Мембрана қалыңдығы гель-күйге өткенде артады, бірақ
мембрананың аудан көлемі артуына байланысты тұтас алғанда кемиді. Липидті
молекулалардың қозғалғыштығы екі фазалық күйлерде бір-бірінен
өзгешеліктері бар.
Гель күйде липидтер тек бірлескен тербеліске немесе айналмалы
қозғалыс жасаулары мүмкін. Ал сұйық күйде липидтер құйрықтары жоғары
еркіндікке ие, әсіресе олардың қозғалғыштықтары мембрана ортасында артады.
Кейінгі кезде золь күйден гель күйге немесе керісінше гель күйден
золь күйге өткенде мембраналарда диаметрі 2-6 нм тесіктер пайда болатыны
анықталған. Ендеше фазалық ауысулар кезінде иондар мен төменмолекулалық
қосылыстардың мембранадан өту қабілеттілігі артады. Мембраналардағы
фазалық ауысулар жылдам өтпейді, ал қандай да бір температура интервалында
болады. Фазалық ауысу температурасы дегеніміз мембраналық липидтердің
жартысының золь күйде, ал жартысының гель күйде болатын температура.
Молекулалар арасындағы байланыс нашар болған сайын, соғұрлым мембрананың
сұйық күйге ауысу температурасы төмен болады..
Әртүрлі климаттық жағдайларда өмір сүруші тірі организмдердің
липидтеріндегі молекулалардың қаныққан және қанықпаған байланыстары
әртүрлі, ол олардың суыққа және ыстыққа үйренулеріне көмегін тигізеді.
Сонымен қоса бір дененің әртүрлі бөліктерінің температурасы да әртүрлі
болуы мүмкін. Мысалы полярлық оленнің тұяғының температурасы -20С,
ал денесі жаныңдағы аяғының температурасы +30С. Бірақ та мембраналар
фазалық ауысуларға түспейді, себебі тұяқтағы липидтер қанықпаған, ал
жоғары жақтығылары қаныққан липидтер. Мембранадағы липидтердегі фазалық
ауысулар коллективті түрде болады, себебі неғұрлым көп липидтер фазалық
ауысулар жасаса, басқаларының да оны жасауы оңайлай түседі.
3 Биомембрананың физикалық қасиеттері. Молекулалық құрылымдардың химиялық
байланыстарындағы энергияның сақталуы.
Мембраналық липидтер дегеніміз - төмен молекулалы заттар, олардың
қасиеттері майларға жақындайды. Кез келген липидті молекула екі бөліктен:
молекуланың төрттен бір бөлігін құрайтын бас пен екі ұзын полярлы емес
құйрықтан тұрады. Липидтердің бастары әртүрлі құрылымды болуы мүмкін,
бірақ биомембрана липидтері үшін ең кең тараған түрі қант және фосфорлы
қышқылдар – соған сәйкес глико- және фосфо-липидтер болып екіге бөлінеді.
Липидтер бастары не теріс зарядталған, не зарядсыз, бірақ олардың
дипольдік моменті нольге тең емес. Липидтердің осы қасиеттеріне
байланысты олардың екеуінің де ерігіштіктері нашар, суда еру үшін
құйрығы, ал майда басы бөгет жасайды.Мембранадағы белоктар мен липидтердің
қатынасы біркелкі емес және ол жасаушаның функциональды қызметіне
байланысты болады. Мысалы эритроциттердің ауданының 75% липидтер, ал 25%
белоктарды құрайды. Липидтер тұтқырлығы аз болған сайын, соғұрлым зат
өтімділігі жақсырақ болады. Мембраналардың тұтқырлығы биоқабаттың
агрегаттық күйіне, яғни температураға байланысты. Липидтік биоқабаттың
жеке молекулалары бір орында тұрмайды, олар қабат бойында 5 мкмс
жылдамдықпен үздіксіз қозғалып жүреді. Бұл қозғалысқа белоктар да
қатысады. Осы мембрананың беттік қабатында липидтер мен молекулалардың
хаосты ауысулары латеральды диффузия деп аталады. Белоктардың
латеральды диффузиясының жылдамдығы липидтерге қарағанда көп кіші, сонымен
қоса мембранаға кіріп кеткен белоктар клетка ішіндегі белоктармен араласып
диффузия құбылысына қатыспайды. Мұнымен қоса, липидті молекуланың бір
моноқабаттан екінші қабатқа өтуі де мүмкін, бұл процесті флип-флоп деп
атайды. Бірақ та флип-флопа латеральды диффузиядан 1010 есе кем.
Мембраналық белоктар мен липидтер ілгерлемелі қозғалыспен қоса, айналмалы
қозғалысқа да түседі, немесе басқаша айтқанда айналмалы диффузияға түседі.
Осы кезде белоктар мен липидтердің бұрыштық жылдамдықтары өте үлкен.
Қалыпты температураларда ол: форфолипидтер шін – 109 радс;
родопсиндер үшін – 106 радс;
цитохромоксидаздар – 104 радс.
Тасымалдау құбылыстары.
1 Мембрана арқылы заттың транспорты (көшуі). Белсенді және белсенді емес
транспорт.
Көміртек молекулалары тек қана мембрананың ішкі жағында орналасады.
Ферментативті және транспорттық белоктардың асимметриялы орналасуы заттың
мембрана арқылы белсенді транспортталуына алып келеді. Ол тұтас түрде
жасаушаның өмір сүруінде басты орын алады. Бейтарап молекулалар мен
иондардың биомембрана арқылы белсенді және белсенді емес ауысулары
болады. Белсенді транспорт – гидролиз есебінен энергия жоғалту, ал
белсенді емес транспортта жасаушаның энергия жоғалтуы болмайды, ол кезде
заттың диффузиясы электрохимиялық потенциал аз жаққа қарай жүреді.
Белсенді транспортқа мысал ретінде цитоплазмалық мембрана арқылы калий
және натрий иондарының жасауша ішіне өтуі немесе одан шығуын алуға болады.
Белсенді емес транспорт биомембрана арқылы заттың өтуі. Кез келген
тірі жасауша мембранамен қоршалған, ол оны қоршаған ортадан қорғайды және
ішкі ортаны реттейді. Мембрана арқылы керекті заттар ішке кіреді, ал
керексіз заттар сыртқа шығады. Әртүрлі заттар мембрана арқылы екі негізгі
механизм арқылы іске асады: диффузия және белсенді транспорт арқылы.
Негізгі заттың белсенді емес пассивті транспортының механизмі диффузия
болып табылады. Диффузия дегеніміз - молекулалардың жылулық қозғалысы
нәтижесінде тығыздығы жоғары аймақтан тығыздығы төмен аймаққа заттың
өздігінен тасымалдануы. Рик заңына сәйкес диффузия жылдамдығы
шамасы концентрация градиенті және диффузия өтетін аудан -ке
тура пропорциональ: , мұндағы минус таңбасы заттың тығыздығы жоғары
жақтан тығыздығы төмен жаққа тасымалданатынын көрсетеді. - диффузия
коэффициенті деп аталады, ол заттың химиялық табиғатына және темпертураға
байланысты. Жасауша мембранасы арқылы заттың тасымалдануын Коллеидер мен
Берлундом ұсынған қарапайым теңдеумен анықтауға болады:
мұндағы және мембрананың әртүрлі жақтарындағы заттың
концентрациялары, - өтімділік коэффицинті, ол мембрана қасиетіне және
оның күйіне байланысты. Диффузия процесі көптеген химиялық және
биологиялық жүйелер үшін маңызды роль атқарады.
2 Мембрана арқылы аминоқышқыл мен қанттың транспорты.
Ірі гидрофильді молекулалар (қант, амин қышқылы) мембрана арқылы
арнайы молекулалар - мембраналық тасушылар арқылы орын ауыстырады.
Мембраналық тасушылар интегральдық белоктардан тұрады, олар
транспортаушы молекулалар центрлерімен байланысқан. Белок пен тасымалдаушы
арасында орнаған байланыс қайтымды және жоғары дәрежелі. Транспорттаушы
молекула мембрана арқылы өтеді. Заттың мембрана арқылы тасымалдануында
транспортты молекулалар қолданылатын болса, ондай диффузия жеңілдетілген
диффузия деп аталады. Мембрананың осындай транспорталынуы диффузияның
бір түрі болып табылады, себебі транспортанушы зат концентрациясы градиент
бойынша орын ауыстырады. Басқа ешқандай қосымша энергия қажет етпейді.
Аминқышқылының жасаушалар мембраналары арқылы орын ауыстыруының екі түрлі
механизмі бар: екінші ретті белсенді транспорт және глутатионды
транспортты жүйе. Екінші ретті белсенді транспорт деп жасауша
мембранасының ішкі және сыртқы жақтарындағы натрий концентрациясы
градиентін қолдана отырып затты тасымалдауды айтамыз. Екінші ретті белсенді
транспорт жасауша ішіндегі натрий иондарының концентрациясының аздығына
негізделген. Арнайы белок-транспортер амин қышқылы мен натрий ионын
байланыстырады. Ең бастысы натрий жоқ болса амин қышқылы тасушы белокпен
байланыса алмайды. Мембранадағы өзінің орналасуын өзгерте отырып белок
натрий ионын цитозольге концентрация градиенті бойынша береді. Осыдан соң
аминқышқылы өзінің белокпен байланысын үзіп цитоплозмада қалып қалады.
Натрий иондары жан-жануар жүйелерінде ең басты зат болып саналады. Осы
иондардың жоғары электрохимиялық градиенті натрий-калий сорғысын тудырады.
Басқарылатын зат қант, аминқышқылдары және басқа кейбір иондар. Мысалы, ас
қорыту органдарындағы коректік заттарды сіңіргенде глюкоза мен амин қышқылы
тік ішек жасаушасынан қанға натрий иондарымен бірге түседі. Бүйректе
фильтрация жасалғаннан кейін ғана бұл заттар қанға қайтып оралады.
Биоэлектрлік құбылыстардың ашылуы мен зерттеуінің қысқаша тарихы. Электр
тогының биологиялық әсерлері.
1 Клеткадағы электрогенездің механизмі.
Клетка – негізгі биологиялық құрылымның бірлігі, элементар тірі жүйе. Ол
жеке организм немесе көп клеткалы түрде өмір сүруі мүмкін. Өсімдіктер мен
жануарлардың құрамына кіретін клеткалар бір-бірінен бөлінген, олар ашық
жүйелер болып табылады. Клеткада әртүрлі төмен және жоғары молекулаалық
қосылыстар белоктардан бастап нуклейн қышқылдарына дейін синтезделеді.
Бұл синтез ферменттер көмегімен іске асады. Клетка АТФ
(адинозинмонофосфат) молекулаларында химиялық энергияны жинайды, ол арқылы
организм жұмыс істейді. Бұл процестердің барлығы өмір сүруге қажетті зат
тасымалдаумен тығыз байланысты. Мембрана клеткалардың өмір сүруінде ерекше
орын алады. Олар арқылы зат транспорты, оларда негізгі биоэлектрлік
процестер жүреді. Мембраналардың көміртекті құйрықтары электрлі
поляризацияланған көміртек, азот және фосфордан тұратын баспен қосылған.
Мембаран құрамына кіретін белоктар да алуан түрлі. Белокты молекулалар
мембрананы жан-жағынан жауып тұрады, олар оның механикалық ақауларға
шыдауына көмектеседі.
Электрогенез грек тілінен аударғанда даму дегенді білдіреді.
Электрогенез – тірі клетка ішінде иондардың біркелкі таралмауын қамтамасыз
ететін физика-химиялық процестер жиынтығына негізделген тірі табиғаттағы
әсер потенциалының пайда болуы. Ыдысты жартылай өткізетін мембранамен
бөлеміз және оның екі жағына да концентрациясы әртүрлі бір электролит
ерітіндісін құямыз. Мембрана бір таңбалы ионды ғана өткізсін. Ыдыстың екі
жағындағы калий хлоридінің концентрациясы және , және .
Калий иондары сол жақтағы ыдыстан оң жақтағы ыдысқа өтеді, ал мембрана
арқылы өтпеген хлор иондары ыдыстың сол жағында қалып қалады. Сондықтан
калий иондары оң зарядталған, сондықтан дысытың оң жағында оң зарядтар
көп, ал ыдыстың сол жағындағы калий иондарын жоғалтқан бөлігі теріс
зарядталады. Осы кезде пайда болған электр өрісі калий иондарының ары
қарай диффузиялануына бөгет жасайды да, ол процесс тоқтайды. Мембрананың
қарама-қарсы жағында калий және хлор иондарынан тұратын екі электр қабаты
пайда болады, ол концентрация градиентіне кері бағытта. Осы арқылы екі
жақта пайда болған потенциалдар айырмасын анықтауға болады, ол мынаған тең
Сонымен, мембраналық потенциал температура мен, иондар концентрациясының
градиентіне байланысты. Осы теңдеудегі ерітінділер концентрациясының
орнына олардың белсенділіктерін алуға болады. Себебі электролиттер
ерітінділеріндегі иондар бір-бірімен өзар әсерлеседі: олар бірін-бірі
тебеді, бірімен бірі қосылып нейтрал молекулалар түзеді, ол жеке
бөлшектердің санын азайтыды және олардың барлығы электрохимиялық
реакцияларға қатыспайды. Белсенділік- электрохимиялық процестерде иондар
концентрациясының белсенділігіне тең шама. Белсенділік
мұндағы - белсенділік коэффициенті.
Мембрана арқылы иондар диффузиясы тепе-тең болады, оны Доннан тепе-теңдігі
деп атайды.
Биологиялық мембраналардың құрылысы мен функциялары кейінгі жылдары
зерттелуде.
2.Иондық және электродтық биопотенциалдар. Тыныштық потенциалы, қозғалыс
потенциалы.
Тірі терінің екі нүктесі арасындағы потенциалдар айырмасын өте
сезімтал электр өлшеуіш құралдың көмегімен анықтауға болады. Олар
организмнің өмір сүруіне қажетті, оны биопотенциалдар деп атайды. Клеткалар
мен терінің электр тогы көзі болуына негізделген, олар біртекті емес
құрылымдағы екінші ретті өткізгіштер болып табылады.
Тірі ағзалардағы электр тогының ашқан Л. Гальвани. Ол бойынша бұлшық
еттер мен нервтер электр тогының көзі болып табылады.
Электролитке металл салайық. Сонда металл мен электролит ерітіндісінің
арасындағы потенциалдар айырмасы пайда болады. Осыны электродтық потенциал
деп атайды. Бұл потенциалды тікелей өлшеуге болмайды. Сутегі электроды
пластинадан жасалады да, сутегімен қанықтырылады. Бұл электродтың
потенциалы нөлге тең деп алынады. Сонымен, ерітіндіге екі электрод (береуі
металл, екіншісі сутектік электрод) салынады. Электродтың потенциалдар
шамасы мына теңдеумен анықталады:
Мұндағы - металдың электродтық потенциалы, -қалыпты электродтық
потенциалы, - ерітінді концентрациясы, - металдағы ионның
концентрациясы, ол , бұл Нернст теңдеуі деп аталады. Қалыпты
электродтық потенциал шамасы кестеде көрсетілген.
элемент
, В -3,0 -2,96 -2,76 -0,76 0 0,34 0,80 1,36 2,6
Жануарлар мен адамдардың клеткаларында тканінде биоэлектрлік потенциалдар
пайда болады. Бұл биоэлектрлік потенциалдар тыныштық потенциалы, әсер
потенциалы, постсинаптикалық және генераторлық болып бөлінеді. Тыныштық
потенциалы мембраналық тыныштық потенциалы деп аталады. Тірі клетка
тыныштық күйде тұрғанда оның ішіндегі зат пен сыртындағы ерітіндінің
арасында потенциалдар айырмасы пайда болады. Тыныштық потенциалының шамасы
50-100 В тең. Бұл потенциал мембрананың бетіне жиналады. Мемьбрананың
ішкі беті сыртқы бетіне қарағанда теріс зарядталады. Тыныштық
потенциалының пайда болуымембрана арқылы калий иондарының өзіне
байланысты болады. Протоплазмадағы калий концентрациясы клетка
сыртындағы сұйық ішіндегі концентрацияға қарағанда елу есе көп болады да,
мембрана арқылы сыртқы оң зарядталған калий иондары шығады. Сөйтіп
мембрананың ішкі ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
1.Биофизикажәне оның мәселелері.
Биофизика- әртүрлі сатыдағы биологиялық жүйелерде болып жатқан
физикалық және химиялық процестерді зерттейтін ғылым. Биофизиканың
зерттейтін объектісі 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. Биофизиканың ғылым болып қалыптасуына физика, химия,
физиология, математика, биохимия тәрізді ғылымдардың зор ықпалы тиді. Осы
ғылымдардың негізінде дүниеге келген биофизиканың өз заңдылықтары, өз
әдістері бар. Биофизиканың мынадай салалары бар: 1) молекула биофизикасы,
ол организмді түзетін биологиялық молекулалардың құрылысы мен физикалық
қасиеттерін қарастырады. Сол сияқты биологиялық процестердің кинетикасы мен
термодинамикасын қарастырады; 2) клетка биофизикасы. Бұл сала клетканың
ультрақұрылысын, оның физикалық және химиялық ерекшеліктерін және клетканың
өтімділігін, биологиялық потенциалын қарастырады; 3) күрделі жүйе
биофизикасы (немесе басқару және реттеу процесінің биофизикасы). Сонымен
қатар, биофизика организмге деген физикалық факторлар әсерін, иондалған
сәуленің биологиялық әсерін (рабиобиология), көз оптикасын, қозғалыс, тыныс
алу, иіс сезу, есіту, қан айналыс органдарының жұмыс әрекетін қамтиды.
Биофизика ғылым ретінде бүгінгі күн кең дами бастады.
2 Термодинамиканың негізгі түсініктері.
Термодинамика физиканың материя қозғалысының жылулық формасын және
сонымен байланысты физикалық құбылыстарды зерттейтін бөлімі.
Термодинамикадағы басты орында тұрған ол энергия мен жұмыс арасындағы
қатынас. Термодинамикалық жүйе деп өзара бір-бірімен және басқа денелермен
зат, энергия алмаса алатын макроскопиялық денелер жиынтығын айтады. Егер
осындай алмасулар жүйеге енетін денелер арасында ғана болса, ондай жүйе
оңашаланған жүйе деп аталады. Егер жүйе сыртқы ортамен осындай алмасулар
жасайтын болса, ондай жүйе ашық жүйе деп аталады. Ал жүйе өзін қоршаған
ортамен тек қана энергия алмаса алатын болса, онда оны тұйық жүйе деп
атайды. Жүйенің күйі макроскопиялық физикалық шамалардың өзгеруін
көрсететін параметрлермен беріледі. Маңызды параметрлерге көлем,
температура, қысым, сонымен қоса электрлік поляризация, магниттеліну және
т.б. жатады. Жүйенің жалпылама күй теңдеуі
Күй теңдеуіне мысал ретінде идеал газға арналған Менделеев- Клапейрон
теңдеуін алуға болады:
Тепе-теңдік күй немесе термодинамикалық тепе-теңдік күйге дене
жеткілікті уақыт өткеннен кейін өздігінен өзі келеді, егер жүйе
оңашаланған болса. Тепе-теңдік күйде барлық қайтымсыз процестер
тоқталады, жүйе күйін сипаттайтын параметрлер уақытқа байланысты өзгеріссіз
қалады. Жүйенің бір күйден екінші күйге өтуі термодинамикалық процесс деп
аталады.
Бірақ табиғаттағы барлық процестер қайтымсыз процестер. Энергияның
біраз бөлігі жылуға айналатын болса, ондай процесс қайтымсыз, себебі жылу
қайтадан энергияға айнала алмайды. Сонымен, кез келген процесс қайтымды
болу үшін үйкеліс болмауы керек, Қайтымсыз процестер тек бір ғана бағытта
жүреді.
Ішкі энергия жүйеге кіретін барлық бөлшектердің кинетикалық және
потенциалық энергияларының қосындысы. Термодинамикада ішкі энергия
ұғымының өзі емес, оның өзгерісі басты роль атқарады.
Энтропия энергияның қайтымсыз шашырауының өлшем бірлігі және
термодинамикалық жүйе күйі функциясы болып табылады. Процестерді зерттеген
кезде оның өзгерісі ерекше қызығушылық тудырады. Энтропия мынаған тең
Қайтымды процестер үшін энтропия тұрақты, ал қайтымсыз процестер үшін
өседі.
Сонымен,
Бұл Клуазиус теңсіздігі. Энтропия жүйедегі ретсіздік өлшемі болып
табылады. Оны былайша да өрнектеуге болады:
Мұндағы -Больцман тұрақтысы, -жүйе күйінің термодинамикалық
ықтималдылығы. Бұл Больцман формуласы деп аталады. Жүйені макрокүйге түсіру
қанша микро күйден өткенін көрсететін санды жүйе жүйенің термодинамикалық
ықтималдығы деп атайды.
Еркін энергия бұл жүйенің ішкі энергиясының бір бөлігі, осының
есебінен жүйе қайтымды изотермиялық процесте жұмыс жасауы мүмкін.
мұндағы шамасын кейде байланысқан энергия деп те атайды. Егер жүйе
тепе-теңдік күйге жетсе, онда еркін энергия минимал, ал энтропия максимал
болады. Термодинамикалық тепе-теңдік күйде барлық макроскопиялық
процестер тоқтайды да, жүйедегі денелерге ортақ температура орнайды.
Термодинамиканың бірінші заңы энергияның сақталу заңы болып табылады.
Жүйеге берілген жылу оның ішкі энергиясын арттыруға және сыртқы күштерге
қарсы жұмыс істеуге кетеді:
Егер жүйе бернеше күйлерде бола отырып, өзінің алғашқы күйіне қайтып келсе,
онда ішкі энергия нолге тең
Сонымен жүйе оған берілген жылу мөлшері есебінен ғана жұмыс жасай
алады.
Термодинамиканың бірінші заңы табиғатта болып жатқан процестердің
бағыты жөнінде ешқандай мағлұмат бермейді. Термодинамиканың екінші заңы
өмірде болатын процестердің бағыты жөнінде мағлұмат береді. Анықтамалары:
Жылу ешқашан да суық денеден ыстық денеге берілмейді.
Мәңгі двигательдің екінші түрін жасау мүмкін емес.
Термодинамика заңдарын тірі табиғатқа да қолдануға болады.
Организмге келіп түскен тамақтан пайда болатын энергияның мөлшері организм
жұмыс істегенде кететін энергияның мөлшеріне тең екені анықталды. Шамамен
алғанда берілген энергия (7854 кДж) денеден бөлінген энегияға (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.
Жан-жануар организміне түскен тамақтың күрделі биохимиялық реакцияға
түсетіні мәлім. Соның нәтижесінде ол тамақ әсерінен қанша энергия бөлініп
шығатынын қалай табуға болады дегне заңда 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:
Мұндағы - реакцияның бастапқы энергиясы
-реакцияның соңғы энергиясы
Ол үшін 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.
Тірі организмдердегі энергияның түрленулері
Түрленетін энергия түрлері Осы түрленулер өтетін организм бөліктері
Химиялық энергия механикалықБұлшық еттерде
энергияға
Химиялық энергия электр Барлық клеткаларда
энергиясына
Химиялық энергия жарық Балықтар мен жәндіктердің сәуле шығаратын
энергиясына еттері
Жарық энергиясы химиялық Көз қарашығы фоторецепторлары, тері
энергияға клеткалары, бактериялар, өсімдіктер
жапырақтары
Акустикалық толқындардың Ішкі құрақтағы Корти органында
механикалық энергиясының
электр энергиясына
Барлық энергия түрлерінің Барлық клеткалар мен еттерде
жылу энергиясына
Термодинамикалық тепе-теңдік күй
1 Термодинамикалық стационар күй.
Термодинамика заңдарын биологиялық жүйелерге қолданғанда тірі
организмнің ерекшеліктеріне аса көңіл бөлу керек: 1) заттар мен энергия
ағынына биологиялық жүйелер ашық; 2)Тірі жүйелердегі процесстер қайтымсыз;
3) тірі жүйелер тепе-теңдіктен алыс; 4) биологиялық жүйелер гетерофазалы,
құрылымдық және жеке фазалары аздаған молекулалар санынан тұруы мүмкін.
Биологиялық жүйелер қасиеттерін нақты түрде сипаттау үшін қайтымсыз
процестер термодинамикасы теориясы қолданылады. Оның негізіг салушылар
Л.Онгазер мен И. Пригожин. Процестің уақытқа тәуелділігіне мысал ретінде:
иондарының концентрациясы клетканың ішіне қарағанда сыртында көп.
Бірақ концентрациясы градиенті мен потенциалодар айырмасының болуы
индарының ішке еніп кетуіне әкеледі, сондықтан концентрациясы тұрақты болып
қалады.
Стационарлық күй сипаттамалары:
Жүйеге енген зат мен одан бөлініп шыққан заттың тұрақтылығы;
Еркін энергия шығынының тұрақтылығы, олар жүйедегі заттар
концентрациясын тұрақты етіп ұстап тұрады.
Стационар күйдегі термодинамикалық параметрлердің тұрақтылығы.
Ашық жүйе стационар күйде зат мен электр зарядтары ағыны есебінен
ғана өмір сүре алады.
Сызықты тепе-тең емес термодинамика негізін қалаған Л.Онзагер мен
И.Пригожин болды. Ол тепе-тең күйге жақын процестерді қарастырады,
процестерден пайда болған жылдамдықтар мен күштердің арасында сызықтық
байланыстар болған кездегі.
Биологиялық жүйелер градиент санының артықтығымен сипатталады
(осмостық, электрлік, концентрлік және т.б.
Қандай да бір термодинамикалық параметрдің градинті ара қашықтыққа
байланысты өзгереді.
– үлкен параметрден кіші параметрге дейінгі бағыт.
Биологиялық жүйе оның градиенті болса, онда оның жұмыс істей алу
мүмкіндігі бар. Градиентті энергия қоймасы деп айтуға болады.
Еркін энергия
- термодинамикалық параметрлердің 1-ші және 2-ші нүктелердегі
мәні.
Жүйенің жұмыс істеуі осы еркін энергияны жұмсауына байланысты. Егер
жұмыс істелетін болса, онда градиент кемиді, себебі оның энергиясы
есебінен жұмыс жасалады, бірақ параллель оған қарама-қарсы бағытта екінші
градиент пайда болады. Қайтымсыз процестерде екінші градиенттің шамасы
бірінші градиентке қарағанда аз болады.
2 Биологиялық процестердің п.ә.к.
ПӘК- істелген жұмыстың осы жұмысты істеуге кеткен еркін энергия
өзгерісіне қатынасы:
ПӘК
ПӘК абсолю бірлікпен немесе процентпен берілуі мүмкін.
Термодинамиканың екінші бастамасына сәйкес қайтымды процестердің ПӘК
бірге тең, ал қайтымсыз процестердікі бірден кіші. Ал нақты биологиялық
процестердің ПӘК-і де бірден кіші. Нақты биологиялық процестердің ПӘК
жуық шамамен мынаған тең:
Гликолиз – 36%
Фс –75%
Қышқылдандыратын фосфорлану – 55%
Бұлшық еттің жиырылуы – 40%
Стационар күй дегеніміз термодинамикалық жүйенің параметрлері уақытқа
байланысты өзгермейді, бірақ зат алмасу мен энергия алмасу жүріп жататын
күй. Ашық жүйелер термодинамикалық тепе-тең күйлерге өтуі мүмкін.
Стационар күй:
Қоршаған ортамен тұрақты түрде энергия алмасу
Күйді сақтап тұру үшін еркін энергия тұрақты түрде жұмсалып отырады
Термодинамикалық потенциал тұрақты.
энтропия тұрақты, бірақ максимал емес
градиенттер болмайды.
Термодинамикалық тепе-теңдік
қоршаған ортамен зат және жылу алмасу болмайды
осы күйді ұстап тұру үшін еркін энергия жұмсалмайды
жүйенің жұмыс істей алу қабілеті мен термодинамикалық потенциалы нольге
тең.
энтропия максималь
• жүйеде градиенттер болмайды.
Пригожин теоремасы
Кез келген ашық термодинамикалқы жүйеде тұрақты түрде энтропия пайда
болады, оның ішінде биожүйелерде де.
Пригожин анықтамасы:
Сыртқы параметрлер белгілі болған стационар күйлерде ашық
термодинамикалық жүйелерде энтропия өзінің минимал мәніне ұмтылады.
Энтропия – еркін энергияны жұмсау өлшемі, сондықтан кез келген ашық
термодинамикалық жүйе стационар күйде еркін энергияны минимал жұмсайды.
Ле-Шателье-Браун принципі
Егер орнықты тепе-теңдік күйде тұрған жүйеге сырттан қандай да бір
параметрін (температура, қысым, концентрация) өзгерте отырып әсер етсек,
онда жүйеде сыртқы әсерлерді компенсациялайтын процестер арта бастайды.
Биоэлектрлік потенциалдар.
1. Биоэлектрлік потенциалдардың сипаттамалары және пайда болуының негізгі
себептері.
Биоэлектрлік потенциалдар деп жануарлардың, адамдардың тканінде,
клеткаларында пайда болатын потенциалдар айырмасын айтамыз. Тірі
организмдегі потенциалдар айырмасының қалай пайда болатынын түсіну үшін
ерітінділердегі потенциалдардың қалай пайда болатынын қарастыра кетейік.
Ерітінділерде пайда болатын потенциалдар электронды және ионды болып
екіге бөлінеді. Айталық, ерітіндіге мыс және және мырыш салынсын. Мыс
еріген кезде ьос электрондар бөліп шығарып, өзі оң зарядталса, мырыш ол
электрондарды қабылдайды да теріс зарядталады. Сөйтіп ерітіндіде
потенциалдар айырымы пайда болады. Ерітінділердегі иондардың әсерінен пайда
болатын потенциалдарды ион типті потенциалдар деп атайды. Ион типті
потенциалдар диффузиялық, мембраналық және фазааралық болып үшке бөлінеді.
Диффузиялық потенциалдар айырмасы Гендерсон формуласымен анықталады:
Мұндағы - катион мен анион қозғалғыштығы, -Кельвин шкаласындағы
температура, - универсаль газ тұрақтысы, - сұйықтар
концентрациясы, иондар валенттілігі.
болса, онда Гендерсон теңдеуі мына түрге келеді:
Бұл Нернст теңдеуі деп аталады.
Клеткалардың цитоплазмасында және сыртқы ортада негізінен калий ,
натрий , хлор иондар мен аминқышқыл аниондары жүреді.
Клетканың ішінде калий, хлор және аминқышқыл аниондары, ал клетканың
сыртында калий , және хлор иондары бар дейік. Калий және хлор
иондары мембрананың ішкі және сыртқы жағына еркін өтіп жүретін болса,
аминқышқыл анионы клетка ішінде қалып қояды. Мембрананың ішкі және сыртқы
жағындағы иондардың концентрациясының көбейтіндісі біріне-бірі тең болады
да, оны Доннан тепе-теңдігі деп атайды, яғни:
немесе
мұндағы - мембрананың ішіндегі калий және хлор иондары, ал -
мембрананың сыртындағы калий және хлор иондары. Сонда Нернст теңдеуі
былайша өрнектеледі:
Фазааралық потенциалдар араласпайтын екі сұйықтың шекарасында
потенциалдар пайда болады. Клетканың цитоплазмасын көп фазалы
микрогетерогенді жүйе деп қарастыратын болсақ, онда фазалар шекарасында
потенциалдар айырмасы пайда болады. Оны фазааралық потенциалдар деп
атайды.
Электродтық потенциалдлар шамасы мына формуламен анықталады:
мұндағы -металдың электродтық потенциалы, - қалыпты электродтық
потенциалы, - ерітінді концентрациясы, - металдағы ионның
концентрациясы, ол , бұл Нернст теңдеуі деп аталады. Қалыпты
электродтық потенциалдың шамасы кестеден алынады. Кейбір металдардың
қалыпты электродтық потенциалы мына кестеде берілген.
Элемент
Адам терісі -55
Бақа терісі -55
Бақа жүйкесі -64
Қоян бұлшық еттері -65
шамасының құраушыларын векторлық диаграмма түрінде кескіндеуге
болады, ол үшін абсцисса осіне актив кедергіні, ордината осіне реактив
кедергіні саламыз.
2-сурет
Импеданстың активті және реактивті қасиеттерінің болуы оны эквивалент
электр сұлбаларын қолдана отырып модельдеуге болады. Соларды қарастырайық.
3- сурет
Графиктер айнымалы ток жиілігі өзгерісінің импеданстың абсолют шамасына
әсерін көрсетеді.
Дәріс №5. Биологиядағы термодинамиканың бірінші бастамасы.
Биологиядағы термодинамиканың екінші бастамасы.
Термодинамика заңдары тек өлі табағатқа ғана жарамды деп ойлау ағаттық
болар еді. Термодинамика заңдарын тірі табиғатқа да пайдалануға болады. Ол
үшін термодинамикалық жүйе деп нені айтатынымызды келісіп алайық.
Классикалық физиканың термодинамикасындағы ғылыми көзқарас бойынша жабық
системадағы (жүйеде) қайтымсыз процестер энергияның минимум (азаятын), ал
энтропияның максимум (өсетін) бағытында жүреді. Сөйтіп, система тепе-
теңдік күйге ұмтылады.
Ал, биологиялық система ашық жүйе. Ол тепе-теңдік күйде болмайды.
Осындай системадағы қайтымсыз процестерге классикалық термодинамиканың
заңдарын қолдануда қажетті теорияға кейбір толықтырулар енгізілген.
Нәтижесінде қайтымсыз процестердің термодинамикалық теориясы жасалынып,
дамып келеді. Оны Ашық системаның қайтымсыз процестерінің термодинамикасы
деп атайды.
Системаның стационар күйінде қайтымсыз процестер жүріп тұру үшін оны
сипаттайтын термодинамикалық шамалардың сан мәндері ұзақ уақыт өзгермеуі
шарт. Мысалы, тірі организм өзін қоршаған ортамен зат және энергиямен
алмасады. Демек, ауадан оттегін, қоршаған ортадан коректік заттарды және
бірнеше энергия түрлерін қабылдайды да, сол ортаға метаболизм нәтижелерімен
қоса жылу бөліп шығарып, жұмыс та атқарады. Сонда организмнің жеке
органдары мен тканьдарының температурасы және оның (ішкі құрылымындағы)
тыныштық биопотенциалдары, осмос қысымдары, биологиялық сұйықтардың тұз
құрамдары, қышқылдығы ұзақ уақыт өзгеріссіз сақталады. Сөйтіп, биологиялық
системаның физикалық және химиялық қасиеттерінің ұзақ уақытта өзгеріссіз
сақталатын күйін оның стационар күйі дейді. Стационар күйде системадағы
физикалық және химиялық процестердің жүру жылдамдықтары тұрақты болады.
Стационар күйде жүретін процестер термодинамикалық тепе-теңдік күйге жақын
немесе одан алыс та болуы мүмкін. Организмге келіп түскен тамақтан пайда
болатын энергияның мөлшері организм жұмыс істегенде кететін энергияның
мөлшеріне тең. Шамамен алғанда берілген энергия 7857 кДж денеден бөлінген
энергияға 7771 кДж тең екен. Олай болса организм энергияның жаңа көзі болып
табылмайды. Осыдан, термодинамиканың бірінші бастамасы биологиялық
жүйелерге де жарайды деген қорытындыға келеміз. Термодинамиканың екінші
заңы өмірде болатын процестердің бағыты жөнінде мағлұмат береді. Бұл заңның
негізін салушы Карно. Оны сипаттайтын бірнеше анықтама бар:
Клуазиус анықтамаасы: Жылу ешқашан да суық денеден ыстық денеге берілмейді.
Планк анықтамасы: Қыздырғышты суыту арқасында алынған жылу мөлшерін
түгелімен жұмысқа айналдыру мүмкін емес.
1 Жылу берілу. Жылу өткізгіштік және сығылу. Калориметрлік әдіс. Гесс заңы.
Тірі организмдердегі жылу алмасу түрлері.
Температурасы жоғары денеден температурасы төмен денеге жылу беріледі. Яғни
жылу берілу бір бағытта жүреді. Мысалы ыстық дене алып оны суық денемен
түйістерсек, онгда осы екі дененің температурасы теңеседі. Сонда энергия
ыстық денеден суық денеге беріледі. Кері процесс жүруі мүмкін емес. Ендеше
бұл қайтымсыз процесс.
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 түтіктер 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 және камерадан шығардағы
температурасын өлшеп, мал денесінен бөлініп шыққан энергияны табуға болады.
Тағамдар тотыққанда бөлініп шығатын энергияны қалай анықтауға болады? 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 химиялық жүйенің
бастапқы және соңғы күйдегі энергияларының айырмасына байланысты болады.
Гесс заңы тамақтың жұғымдылығын анықтау үшін мал дәрігері мен медицинада
тамақты өртейді. Ол приборды калоримертлік бомба деп атайды. Сонда
бөлініп шыққан жылуды өлшеп алады. Ал осы тамақты адам жеес, онда тамақ
организмде биохимиялық реакцияға түсіп, жылу бөліп шығарады. Гесс заңы
бойынша осы екі жылу біріне бірі тең болуға тиіс.
2 Жылуөткізгіштіктің физикалық механизмдері. Ашық жүйелердің
термодинамикасы.
Қайтымсыз процестердің теориясын қалыптастыру барысында термодинамикалық
шамалардың ағыны деген ұғым енгізілген болатын. Мысалы, Фурье заңы бойынша
жылу ағынының интенсивтілігі температура градиентіне
пропорционал:
,
мұндағы - жылуөткізгіштік коэффициенті, минус таңбасы жылу ағынының
интенсивтілігі температураның төмендеу бағытында азаятындығын көрсетеді.
Фик заңы бойынша заттың диффузиялық ағынының интенсивтілігі оның
концентрациясының градиентіне пропорционал:
,
бұндағы - заттың концентрациясы, ал - диффузия коэффициенті.
Биологиялық системадағы электрлік шамалардың ағынын Ом заңы өрнектейді:
.
Осы теңдіктегі - ортаның меншікті электрөтімділігі, ал
потенциал градиенті () электр өрісінің кернеулігімен байланысты
. Тегінде, Ом заңының өрнегі . Ондағы - ток тығыздығы.
Мұның сан мәні өткізгіштің бір өлшем көлденең қимасы арқылы бір өлшем
уақытта өткен зарядтың шамасына тең . Ток тығыздығын электр
зарядтарының ағынының интенсивтілігі деп қарастырса , онда
жоғарыдағы теңдік шығады.
Күрделі биологиялық системада көптеген термодинамикалық ағындар бір-
бірімен тығыз байланыста. Мысалы, диффузия тек қана концентрация айырымымен
ғана анықталып қоймай, ол температура өзгерісіне (термодиффузия),
потенциалдар айырымына да тәуелді (электродиффузия) және т.б. Сонда
диффузиялық ағын бірнеше ағындардың алгебралық қосындысынан тұрады:
.
Соңғы теңдіктегі шамаларды төмендегідей әріптермен, яғни ;
; ; деп, және оларға сай коэффициентерін де басқаша
белгілейді: ; ;
Осы теңдікті нақтылы бір ағын үшін жазуға болады:
.
Сонда бұл кез келген -ші шаманың ағыны үшін былайша өрнектелінеді:
Мұндағы - әртүрлі шамалардың градиенттері, оны жалпылама күш
деп атайды. - оларға сай коэффициенттер. Соңғы теңдік жоғарыда
қарастырылған Фурье, Фик және Ом т.б. заңдарының жалпы түрі. Бұл теңдіктегі
Онзагер (американдық химик, физик) коэффициенті.
Онзагерше системаның стационар күйінде жүретін қайтымсыз процестегі
бір жалпылама күштің () оған сай емес, пайда болатын термодинамикалық
басқа ағындағы () үлесі, осы процесс кезінде туатын келесі ағындағы
() алғашқы жалпылама күштің () үлесіне тең болады. Мысалы,
организмдегі химиялық тотығу реакция барысында клеткалардың ішінде
оттегінің концентрациясының, айталық, алғашқы ағыны пайда болады. Сонымен
бірге клеткадан сыртқа көмірқышқыл газының, жылудың т.б. шамалардың келесі
ағындары тарайды.
Сөйтіп, әртүрлі ағындар бір ортада тарағанда ондағы ағындар
коэффициенттерінің мәндері өзара тең болады: . Бұл теңдікті Онзагер
коэффициенттерінің өзара алмасу принципі деп атайды.
Биологиялық ашық системада жүретін қайтымсыз процестердің теориясын
қалыптастыруда классикалық термодинамикадағы шамаларды, параметрлерді,
функцияларды және оларды өзара байланыстыратын теңдіктерді пайдаланады.
4 Биофизикалық процес-тердің қайтымдылығы мен қайтымсыздығы. Энтропия
өзгеруі.
Биологиялық система өзін қоршаған ортамен зат және энергиямен алмасуы
кезінде онда жүретін әртүрлі қайтымсыз процестер өзара тығыз байланысты.
Оларды сипаттайтын жалпы энтропияның өзгерісі екі құраушы-дан тұрады:
.
Мұндағы - системаның ішіндегі энтропия өзгерісінің шамасы. Бұл,
мысалы тірі организмнің биологиялық процестер кезінде жылу бөліп шығаруын
және атқаратын жұмысын және т.б. процестерді сипаттайды. Мәні үнемі оң сан
(). Сондықтан ол системадағы бейберекеттіліктің артатындығын
көрсетеді. Ал - осы системаның қоршаған ортамен әсерлесуін
сипаттайтын энтропияның өзгеру шамасы. Оның мәні, системадағы процестерге
байланысты, үш түрлі болуы мүмкін. Егер болса (оң шама), онда
системаның жалпы энтропиясының өзгерісі артады (яғни ) (жоғарыдағы
теңдікті қараңыз). Сонда системадағы күрделі биохимиялық тізбектердегі
бөлшектердің байланыстары үзіліп, қарапайым құраушыларға жіктеледі. Сол
сияқты, клеткалардың да құрылымдары бұзылып, системада хаостық
процестердің шамасы ұлғаяды. Бұндай күй бола қалса, системаның өмір сүруі
тоқтайды. Мысалы, бұл өсімдіктің көк жапырағын қайнаған суға салғандағы
күйі сияқты. Ал енді болса, онда бірінші жағдайда баяндалғандай,
системаның мүшкіл күйі тағы қайталанады. Үшінші жағдайда (шамасы
теріс) және болса, онда системаның жалпы энтропиясының өзгеріс шамасы
да теріс санмен анықталады. Сонда, системада жаңа күрделі биохимиялық
құрылымдар, элементтердің органикалық тізбектерінен жаңа клеткалар пайда
болып, организмде тканьдар өседі және т.б. процестер жүреді. Нәтижесінде,
системада тәртіп орнай бастайды. Бұл системаның жалпы энтропиясының
өзгеріс шамасының (ағынының) азайғандығын көрсетеді.
Сөйтіп, Сызықтық термодинамика қағидалары бойынша биологиялық
системаның энтропиясының өзгеріс шамаларының артуы да (мысалы ) және
кемуі де орын алады. Ал, классикалық термодинамикада қайтымсыз
процесс жүргенде энтропияның өзгеру шамасы тек қана артады .
Биологиялық системада бір уақытта, параллель жүретін процестердің бағыттары
қарама-қарсы да болады. Оларды сипаттайтын жалпы энтропия өзгерісінің
жылдамдығы, жоғарыдағы теңдікке сай, екі құраушыдан тұрады:
.
Бұндағы - системаның ішіндегі энтропия өзгерісінің (ағынының)
жылдамдығы, ал - осы системаның өзін қоршаған ортадан зат және
энергия қабылдау кезіндегі, оларды сипаттайтын энтропия өзгерісінің
(ағынының) жылдамдығы.
Егер системаның жалпы энтропия өзгерісінің (ағынының) жылдамдығы
тұрақты болса (яғни ), онда теңдіктен төмендегі өрнек шығады:
.
Осы теңдік ашық системаның стационар күйде болу шарты делінеді.
Системаның бұндай күйінде, бірдей уақыт аралығында, қарама-қарсы
бағытталған, энтропия өзгерістерінің (ағындар) жылдамдықтары тұрақты және
өзара тең болады екен.
5 Пригожин теоремасы. Ветеринарлық емденудің термодинамикалық тәсілдері.
Ашық системадағы қайтымсыз процестердің Сызықтық термодинамикасының
негізін салушы ғалымдардың бірі И. Пригожин (бельгиялық физик, химик, 1947
ж.) ... системаның стационар күйі экстремальдық принциппен сипатталынады
деді. Кейіннен ол принцип Пригожин теоремасы болып қалыптасты: Сыртқы
параметрлері межеленген ашық системаның стационар күйіндегі энтропияның
уақыт аралығындағы өзгерісі тұрақты, шамасы минимальды (болмашы, өте аз)
болады.
Бұл теоремадан төмендегідей де қорытынды шығады. Егер система, кейбір
себептермен, стационар күйден ауытқыса, онда бұл процесс системаның
энтропия шамасының өзгеріс жылдамдығы өте аз мәнге жеткенше жүреді.
Мембраналық процестердің биофизикасы. Жалпыбиологиялық процестер мен
энергетикалық процестердің беттесу механизмдері. Биомембраналардағы
энергияның түрленуінің жалпы сипаттамалары.
1 Мембрана – биосистеманың әмбәбап компоненті.
Биологиялық мембрана негізінен белоктардан, липидтерден және
көміртектен тұрады. Табиғи липидтер молекулаларының құрамына полярлы
зарядталған фосфатты бас мен ұзын көміртек тізбекшелері кіреді. Мембрана
жасаушы цитоплазмасын қоршаған ортадан бөліп тұратын нәрсе. Оның қалыңдығы
8-12 нм және ол үш қабаттан тұрады. Мембрана клеткаға суды, иондарды,
коректендіргіш заттарды өткізеді, ал клеткадан зат алмасу өнімдерін
шығарады, бірақ та жоғары молекулалы заттарды өткізбейді. Сонымен мембрана
клеткадағы зат алмасу процесін реттеп отырады. Кез келген зақым кезінде
мембрана өліп қалады. 1833 ж. Роберт Броун өсімдік материалынан жасушалық
ядроны ашқан. Ол микроскоп арқылы тозаң жіпшелерінің жасушаларын қарап,
дөңгеленген формалы денешіктерді тапқан. Оны "nuclei" — ядро деп атаған.
Ядро жасушаның ортасында орналасқан дөңгелек немесе сопақша формалы
жасушаның ең ірі органоиді. Ядро үш бөліктен тұрады: ортасында орналасқан
- ядрошықтан, ядроның сұйық бөлігі - нуклеплазмадан және ядролық
мембранадан. Тұрады. Ядро екі мембранадан тұратын қабықшамен қоршалған.
Сыртқы ядролық мембрана рибосомалармен қапталған, ішкі мембрана тегіс
болады. Электронды микроскоп арқылы зерттеу ядролық мембрананың жасушалың
мембрана жүйесінің бір бөлігі екендігін көрсетті. Сыртқы ядролық
мембрананың өсінділері эндоплазмалық тордың өзектерімен (каналдарымен)
байланысады да, біртұтас өзектер жүйесін құрайды. Ядроның тіршілік
әрекетінде ядро мен цитоплазма арасындағы зат алмасу басты рөл атқарады.
Ол негізгі екі жолмен жүзеге асады. Біріншіден, ядролық мембрананың
көптеген саңылаулары болады. Осы саңылаулар арқылы ядро мен цитоплазма
арасында молекула алмасуы жүреді. Ядро мен цитоплазма арасында зат алмасу
белсенді түрде жүргенімен, ядро қабықшасы ядроның құрамын цитоплазмадан
бөліп тұрады. Бұл өзін қоршап тұрған цитоплазмадан өзгеше, өзіндік
ядроішілік ортаның болуын камтамасыз етеді. Қазіргі кезде 1971 жылы
Николсон мен Сингер ұсынған биологиялық мембрананың сұйық-мозайкалық моделі
бар. Ол бойынша биологиялық мембрананың негізін фосфолипидті бимолекулалық
қабат, ол иондар мен су еріткіш молекулалар, мембраналық ферменттер
матрицалары, рецепторлар және т.б. мембранада орналасқан белоктар,
гликолипидтер мен гликопротейдтер үшін кедергі қызметін атқарады.
Плазмалық мембрана липидтерінің құрамына көп холестерин де кіреді. Пайда
болған билипидтік қабаттың шеті болмайды, олар өздігінен тұйықталуға
тырысады. Мембранадағы молекулалардың кеңістікте осындай қатаң түрде
орналасулары оның физикалық қасиеттерін сипаттайды. Мембраналардың
меншікті электрлік кедергісі, меншікті сиымдылығы және диэлектрлік
өтімділігі өте жоғары.
2 Мембранадағы фазалық ауысулар. Жасанды мембраналар.
Қалыпты физиологиялық жағдайларда мембраналар сұйық күйде (золь күй)
болады, бірақ та олардың сұйықтан айырмашылығы, ол қатаң реттелген . түрде
болады. Сондықтан, мембрананың күйі сұйық кристалды күй (гель күй) деп
аталады. Биологиялық мембраналардың физикалық әдістері мәліметтері бойынша
олар бірінші ретті фазалық ауысуларға ұшырайды. Температура төмендеген
сайын мембрана қатты кристалл күйге өтеді. Осындай ауысуларда мембрананың
жалпы құрылысы сақталады, бірақ жүйедегі реттілік артады. Золь күйде
бір липид молекуласына сәйкес келетін мембрана ауданы 0,58 нм2, ал гель
күйде 0,48 нм2 болады. Мембрана қалыңдығы гель-күйге өткенде артады, бірақ
мембрананың аудан көлемі артуына байланысты тұтас алғанда кемиді. Липидті
молекулалардың қозғалғыштығы екі фазалық күйлерде бір-бірінен
өзгешеліктері бар.
Гель күйде липидтер тек бірлескен тербеліске немесе айналмалы
қозғалыс жасаулары мүмкін. Ал сұйық күйде липидтер құйрықтары жоғары
еркіндікке ие, әсіресе олардың қозғалғыштықтары мембрана ортасында артады.
Кейінгі кезде золь күйден гель күйге немесе керісінше гель күйден
золь күйге өткенде мембраналарда диаметрі 2-6 нм тесіктер пайда болатыны
анықталған. Ендеше фазалық ауысулар кезінде иондар мен төменмолекулалық
қосылыстардың мембранадан өту қабілеттілігі артады. Мембраналардағы
фазалық ауысулар жылдам өтпейді, ал қандай да бір температура интервалында
болады. Фазалық ауысу температурасы дегеніміз мембраналық липидтердің
жартысының золь күйде, ал жартысының гель күйде болатын температура.
Молекулалар арасындағы байланыс нашар болған сайын, соғұрлым мембрананың
сұйық күйге ауысу температурасы төмен болады..
Әртүрлі климаттық жағдайларда өмір сүруші тірі организмдердің
липидтеріндегі молекулалардың қаныққан және қанықпаған байланыстары
әртүрлі, ол олардың суыққа және ыстыққа үйренулеріне көмегін тигізеді.
Сонымен қоса бір дененің әртүрлі бөліктерінің температурасы да әртүрлі
болуы мүмкін. Мысалы полярлық оленнің тұяғының температурасы -20С,
ал денесі жаныңдағы аяғының температурасы +30С. Бірақ та мембраналар
фазалық ауысуларға түспейді, себебі тұяқтағы липидтер қанықпаған, ал
жоғары жақтығылары қаныққан липидтер. Мембранадағы липидтердегі фазалық
ауысулар коллективті түрде болады, себебі неғұрлым көп липидтер фазалық
ауысулар жасаса, басқаларының да оны жасауы оңайлай түседі.
3 Биомембрананың физикалық қасиеттері. Молекулалық құрылымдардың химиялық
байланыстарындағы энергияның сақталуы.
Мембраналық липидтер дегеніміз - төмен молекулалы заттар, олардың
қасиеттері майларға жақындайды. Кез келген липидті молекула екі бөліктен:
молекуланың төрттен бір бөлігін құрайтын бас пен екі ұзын полярлы емес
құйрықтан тұрады. Липидтердің бастары әртүрлі құрылымды болуы мүмкін,
бірақ биомембрана липидтері үшін ең кең тараған түрі қант және фосфорлы
қышқылдар – соған сәйкес глико- және фосфо-липидтер болып екіге бөлінеді.
Липидтер бастары не теріс зарядталған, не зарядсыз, бірақ олардың
дипольдік моменті нольге тең емес. Липидтердің осы қасиеттеріне
байланысты олардың екеуінің де ерігіштіктері нашар, суда еру үшін
құйрығы, ал майда басы бөгет жасайды.Мембранадағы белоктар мен липидтердің
қатынасы біркелкі емес және ол жасаушаның функциональды қызметіне
байланысты болады. Мысалы эритроциттердің ауданының 75% липидтер, ал 25%
белоктарды құрайды. Липидтер тұтқырлығы аз болған сайын, соғұрлым зат
өтімділігі жақсырақ болады. Мембраналардың тұтқырлығы биоқабаттың
агрегаттық күйіне, яғни температураға байланысты. Липидтік биоқабаттың
жеке молекулалары бір орында тұрмайды, олар қабат бойында 5 мкмс
жылдамдықпен үздіксіз қозғалып жүреді. Бұл қозғалысқа белоктар да
қатысады. Осы мембрананың беттік қабатында липидтер мен молекулалардың
хаосты ауысулары латеральды диффузия деп аталады. Белоктардың
латеральды диффузиясының жылдамдығы липидтерге қарағанда көп кіші, сонымен
қоса мембранаға кіріп кеткен белоктар клетка ішіндегі белоктармен араласып
диффузия құбылысына қатыспайды. Мұнымен қоса, липидті молекуланың бір
моноқабаттан екінші қабатқа өтуі де мүмкін, бұл процесті флип-флоп деп
атайды. Бірақ та флип-флопа латеральды диффузиядан 1010 есе кем.
Мембраналық белоктар мен липидтер ілгерлемелі қозғалыспен қоса, айналмалы
қозғалысқа да түседі, немесе басқаша айтқанда айналмалы диффузияға түседі.
Осы кезде белоктар мен липидтердің бұрыштық жылдамдықтары өте үлкен.
Қалыпты температураларда ол: форфолипидтер шін – 109 радс;
родопсиндер үшін – 106 радс;
цитохромоксидаздар – 104 радс.
Тасымалдау құбылыстары.
1 Мембрана арқылы заттың транспорты (көшуі). Белсенді және белсенді емес
транспорт.
Көміртек молекулалары тек қана мембрананың ішкі жағында орналасады.
Ферментативті және транспорттық белоктардың асимметриялы орналасуы заттың
мембрана арқылы белсенді транспортталуына алып келеді. Ол тұтас түрде
жасаушаның өмір сүруінде басты орын алады. Бейтарап молекулалар мен
иондардың биомембрана арқылы белсенді және белсенді емес ауысулары
болады. Белсенді транспорт – гидролиз есебінен энергия жоғалту, ал
белсенді емес транспортта жасаушаның энергия жоғалтуы болмайды, ол кезде
заттың диффузиясы электрохимиялық потенциал аз жаққа қарай жүреді.
Белсенді транспортқа мысал ретінде цитоплазмалық мембрана арқылы калий
және натрий иондарының жасауша ішіне өтуі немесе одан шығуын алуға болады.
Белсенді емес транспорт биомембрана арқылы заттың өтуі. Кез келген
тірі жасауша мембранамен қоршалған, ол оны қоршаған ортадан қорғайды және
ішкі ортаны реттейді. Мембрана арқылы керекті заттар ішке кіреді, ал
керексіз заттар сыртқа шығады. Әртүрлі заттар мембрана арқылы екі негізгі
механизм арқылы іске асады: диффузия және белсенді транспорт арқылы.
Негізгі заттың белсенді емес пассивті транспортының механизмі диффузия
болып табылады. Диффузия дегеніміз - молекулалардың жылулық қозғалысы
нәтижесінде тығыздығы жоғары аймақтан тығыздығы төмен аймаққа заттың
өздігінен тасымалдануы. Рик заңына сәйкес диффузия жылдамдығы
шамасы концентрация градиенті және диффузия өтетін аудан -ке
тура пропорциональ: , мұндағы минус таңбасы заттың тығыздығы жоғары
жақтан тығыздығы төмен жаққа тасымалданатынын көрсетеді. - диффузия
коэффициенті деп аталады, ол заттың химиялық табиғатына және темпертураға
байланысты. Жасауша мембранасы арқылы заттың тасымалдануын Коллеидер мен
Берлундом ұсынған қарапайым теңдеумен анықтауға болады:
мұндағы және мембрананың әртүрлі жақтарындағы заттың
концентрациялары, - өтімділік коэффицинті, ол мембрана қасиетіне және
оның күйіне байланысты. Диффузия процесі көптеген химиялық және
биологиялық жүйелер үшін маңызды роль атқарады.
2 Мембрана арқылы аминоқышқыл мен қанттың транспорты.
Ірі гидрофильді молекулалар (қант, амин қышқылы) мембрана арқылы
арнайы молекулалар - мембраналық тасушылар арқылы орын ауыстырады.
Мембраналық тасушылар интегральдық белоктардан тұрады, олар
транспортаушы молекулалар центрлерімен байланысқан. Белок пен тасымалдаушы
арасында орнаған байланыс қайтымды және жоғары дәрежелі. Транспорттаушы
молекула мембрана арқылы өтеді. Заттың мембрана арқылы тасымалдануында
транспортты молекулалар қолданылатын болса, ондай диффузия жеңілдетілген
диффузия деп аталады. Мембрананың осындай транспорталынуы диффузияның
бір түрі болып табылады, себебі транспортанушы зат концентрациясы градиент
бойынша орын ауыстырады. Басқа ешқандай қосымша энергия қажет етпейді.
Аминқышқылының жасаушалар мембраналары арқылы орын ауыстыруының екі түрлі
механизмі бар: екінші ретті белсенді транспорт және глутатионды
транспортты жүйе. Екінші ретті белсенді транспорт деп жасауша
мембранасының ішкі және сыртқы жақтарындағы натрий концентрациясы
градиентін қолдана отырып затты тасымалдауды айтамыз. Екінші ретті белсенді
транспорт жасауша ішіндегі натрий иондарының концентрациясының аздығына
негізделген. Арнайы белок-транспортер амин қышқылы мен натрий ионын
байланыстырады. Ең бастысы натрий жоқ болса амин қышқылы тасушы белокпен
байланыса алмайды. Мембранадағы өзінің орналасуын өзгерте отырып белок
натрий ионын цитозольге концентрация градиенті бойынша береді. Осыдан соң
аминқышқылы өзінің белокпен байланысын үзіп цитоплозмада қалып қалады.
Натрий иондары жан-жануар жүйелерінде ең басты зат болып саналады. Осы
иондардың жоғары электрохимиялық градиенті натрий-калий сорғысын тудырады.
Басқарылатын зат қант, аминқышқылдары және басқа кейбір иондар. Мысалы, ас
қорыту органдарындағы коректік заттарды сіңіргенде глюкоза мен амин қышқылы
тік ішек жасаушасынан қанға натрий иондарымен бірге түседі. Бүйректе
фильтрация жасалғаннан кейін ғана бұл заттар қанға қайтып оралады.
Биоэлектрлік құбылыстардың ашылуы мен зерттеуінің қысқаша тарихы. Электр
тогының биологиялық әсерлері.
1 Клеткадағы электрогенездің механизмі.
Клетка – негізгі биологиялық құрылымның бірлігі, элементар тірі жүйе. Ол
жеке организм немесе көп клеткалы түрде өмір сүруі мүмкін. Өсімдіктер мен
жануарлардың құрамына кіретін клеткалар бір-бірінен бөлінген, олар ашық
жүйелер болып табылады. Клеткада әртүрлі төмен және жоғары молекулаалық
қосылыстар белоктардан бастап нуклейн қышқылдарына дейін синтезделеді.
Бұл синтез ферменттер көмегімен іске асады. Клетка АТФ
(адинозинмонофосфат) молекулаларында химиялық энергияны жинайды, ол арқылы
организм жұмыс істейді. Бұл процестердің барлығы өмір сүруге қажетті зат
тасымалдаумен тығыз байланысты. Мембрана клеткалардың өмір сүруінде ерекше
орын алады. Олар арқылы зат транспорты, оларда негізгі биоэлектрлік
процестер жүреді. Мембраналардың көміртекті құйрықтары электрлі
поляризацияланған көміртек, азот және фосфордан тұратын баспен қосылған.
Мембаран құрамына кіретін белоктар да алуан түрлі. Белокты молекулалар
мембрананы жан-жағынан жауып тұрады, олар оның механикалық ақауларға
шыдауына көмектеседі.
Электрогенез грек тілінен аударғанда даму дегенді білдіреді.
Электрогенез – тірі клетка ішінде иондардың біркелкі таралмауын қамтамасыз
ететін физика-химиялық процестер жиынтығына негізделген тірі табиғаттағы
әсер потенциалының пайда болуы. Ыдысты жартылай өткізетін мембранамен
бөлеміз және оның екі жағына да концентрациясы әртүрлі бір электролит
ерітіндісін құямыз. Мембрана бір таңбалы ионды ғана өткізсін. Ыдыстың екі
жағындағы калий хлоридінің концентрациясы және , және .
Калий иондары сол жақтағы ыдыстан оң жақтағы ыдысқа өтеді, ал мембрана
арқылы өтпеген хлор иондары ыдыстың сол жағында қалып қалады. Сондықтан
калий иондары оң зарядталған, сондықтан дысытың оң жағында оң зарядтар
көп, ал ыдыстың сол жағындағы калий иондарын жоғалтқан бөлігі теріс
зарядталады. Осы кезде пайда болған электр өрісі калий иондарының ары
қарай диффузиялануына бөгет жасайды да, ол процесс тоқтайды. Мембрананың
қарама-қарсы жағында калий және хлор иондарынан тұратын екі электр қабаты
пайда болады, ол концентрация градиентіне кері бағытта. Осы арқылы екі
жақта пайда болған потенциалдар айырмасын анықтауға болады, ол мынаған тең
Сонымен, мембраналық потенциал температура мен, иондар концентрациясының
градиентіне байланысты. Осы теңдеудегі ерітінділер концентрациясының
орнына олардың белсенділіктерін алуға болады. Себебі электролиттер
ерітінділеріндегі иондар бір-бірімен өзар әсерлеседі: олар бірін-бірі
тебеді, бірімен бірі қосылып нейтрал молекулалар түзеді, ол жеке
бөлшектердің санын азайтыды және олардың барлығы электрохимиялық
реакцияларға қатыспайды. Белсенділік- электрохимиялық процестерде иондар
концентрациясының белсенділігіне тең шама. Белсенділік
мұндағы - белсенділік коэффициенті.
Мембрана арқылы иондар диффузиясы тепе-тең болады, оны Доннан тепе-теңдігі
деп атайды.
Биологиялық мембраналардың құрылысы мен функциялары кейінгі жылдары
зерттелуде.
2.Иондық және электродтық биопотенциалдар. Тыныштық потенциалы, қозғалыс
потенциалы.
Тірі терінің екі нүктесі арасындағы потенциалдар айырмасын өте
сезімтал электр өлшеуіш құралдың көмегімен анықтауға болады. Олар
организмнің өмір сүруіне қажетті, оны биопотенциалдар деп атайды. Клеткалар
мен терінің электр тогы көзі болуына негізделген, олар біртекті емес
құрылымдағы екінші ретті өткізгіштер болып табылады.
Тірі ағзалардағы электр тогының ашқан Л. Гальвани. Ол бойынша бұлшық
еттер мен нервтер электр тогының көзі болып табылады.
Электролитке металл салайық. Сонда металл мен электролит ерітіндісінің
арасындағы потенциалдар айырмасы пайда болады. Осыны электродтық потенциал
деп атайды. Бұл потенциалды тікелей өлшеуге болмайды. Сутегі электроды
пластинадан жасалады да, сутегімен қанықтырылады. Бұл электродтың
потенциалы нөлге тең деп алынады. Сонымен, ерітіндіге екі электрод (береуі
металл, екіншісі сутектік электрод) салынады. Электродтың потенциалдар
шамасы мына теңдеумен анықталады:
Мұндағы - металдың электродтық потенциалы, -қалыпты электродтық
потенциалы, - ерітінді концентрациясы, - металдағы ионның
концентрациясы, ол , бұл Нернст теңдеуі деп аталады. Қалыпты
электродтық потенциал шамасы кестеде көрсетілген.
элемент
, В -3,0 -2,96 -2,76 -0,76 0 0,34 0,80 1,36 2,6
Жануарлар мен адамдардың клеткаларында тканінде биоэлектрлік потенциалдар
пайда болады. Бұл биоэлектрлік потенциалдар тыныштық потенциалы, әсер
потенциалы, постсинаптикалық және генераторлық болып бөлінеді. Тыныштық
потенциалы мембраналық тыныштық потенциалы деп аталады. Тірі клетка
тыныштық күйде тұрғанда оның ішіндегі зат пен сыртындағы ерітіндінің
арасында потенциалдар айырмасы пайда болады. Тыныштық потенциалының шамасы
50-100 В тең. Бұл потенциал мембрананың бетіне жиналады. Мемьбрананың
ішкі беті сыртқы бетіне қарағанда теріс зарядталады. Тыныштық
потенциалының пайда болуымембрана арқылы калий иондарының өзіне
байланысты болады. Протоплазмадағы калий концентрациясы клетка
сыртындағы сұйық ішіндегі концентрацияға қарағанда елу есе көп болады да,
мембрана арқылы сыртқы оң зарядталған калий иондары шығады. Сөйтіп
мембрананың ішкі ... 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