Харківський національний медичний університет Кафедра медичної та біоорганічної хімії «Медична хімія» Лекція № 15 Хімічна термодинаміка та біоенергетика. Лектор: доцент Петюніна В.М. Другий закон термодинаміки. Ентропія. Термодинамічні потенціали: енергія Гіббса, енергія Гельмгольца. Критерії направленості процесів. Застосування законів термодинаміки до живих систем. Енергетичне супряження у живих системах. Ендергонічні та екзергонічні процеси. План лекції Другий закон термодинаміки. Другий закон термодинаміки встановлює напрямок перебігу і характер процесів, що відбуваються в природі. Клаузіус:  теплота ніколи не може переходити сама собою від тіл з нижчою температурою до тіл з вищою температурою. Це означає, що для такого переходу теплоти потрібна затрата роботи зовнішнього джерела, що здійснюється в холодильній машині.  Планк: неможливо побудувати таку періодично діючу теплову машину, яка, отримавши ззовні деяку кількість теплоти при довільній температурі, цілком перетворювала би її в механічну роботу і при цьому поверталась би точно у вихідний стан. зв’язанна (обесцінена) енергія Суть другого закону термодинаміки полягає: різні види енергії прагнуть перетворитися у теплоту, а теплота, у свою чергу, прагне розсіятися, тобто теплоту не можна повністю перетворити у роботу. Або: усякий самодовільний процес в ізольованій системі йде зі зростанням ентропії. Математичний вираз: зв’язанна (обесцінена) енергія Суть другого закону термодинаміки полягає: різні види енергії прагнуть перетворитися у теплоту, а теплота, у свою чергу, прагне розсіятися, тобто теплоту не можна повністю перетворити у роботу. Або: усякий самодовільний процес в ізольованій системі йде зі зростанням ентропії. Другий закон термодинаміки. Ентропія Ентропія (S) - міра невпорядкованості системи або ймовірності системи. Ентропія (S) - функція стану її зміна залежить тільки від початкового й кінцевого стану системи, вимірюється в кДж/мол· К. Ентропія (S) пов'язана з числом рівно вірогідних мікростанів W, якими можна реалізувати даний макростан системи, рівнянням: , де R – універсальна газова стала, N – число Авогадро. Ентропія при нагріванні речовини завжди зростає. Ентропія зростає при переході речовини із кристалічного стану у рідкий і далі у газоподібний. Ентропія при особливо різко змінюється у випадку реакцій, що йдуть зі зміною числа молекул газів: при збільшенні числа газових молекул вона зростає; при зменшенні – падає. Ентропія ідеально побудованої кристалічної речовини при абсолютному нулі дорівнює нулю (третій закон термодинаміки). Ентропія Термодинамічні потенціали: енергія Гіббса, енергія Гельмгольца Енергія Гіббса (на честь американського фізика Д. У. Гіббса), або ізобарно-ізотермічний потенціал, G: ΔG =ΔН – ТΔS Енергія Гіббса - функція стану, критерій самодовільності процесів у неізольованих системах. Для ізохорних процесів вводиться аналогічна величина – енергія Гельмгольца або ізохорно-ізотермічний потенціал, F: ΔF = ΔU – ТΔS Критерії направленості процесів При постійній температурі й тиску самодовільно можуть протікати тільки ті процеси для яких зміна енергії Гіббса (або Гельмгольца) негативна. Це одне з формулювань другого закону термодинаміки. У самодовільних (необоротних) ізохорно-ізотермічних процесах енергія Гельмгольца зменшується, стану рівноваги відповідає dF = 0 і F = Fмін – вільна  енергія приймає мінімальне значення (сумісне з даними V і Т).  Енергія Гельмгольца — критерій напрямку процесу при сталих Ті V. У самодовільних процесах при сталих Т і р енергія Гіббса зменшується і в стані рівноваги досягає мінімального значення. Енергія Гіббса — критерій напрямку процесу при сталих Т і р. Застосування законів термодинаміки до живих систем. Енергетичне супряження у живих системах. Ендергонічні та екзергонічні процеси. ΔGреакції < 0 - екзергонічні біохімічні реакції. ΔGреакції > 0 - ендергонічні біохімічні реакції. Стан живих організмів - нерівноважний стаціонарний Стаціонарний стан: сталість тиску, об'єму, температури, концентрації часток. Забезпечується безперервним (з постійною швидкістю) відтоком речовини із системи й надходженням поживних речовин в неї ззовні. Гомеостаз (від грецького – «залишатися тим самим») - властивість живих систем підтримувати сталість параметрів і незмінність у часі швидкостей надходження й видалення речовин і енергії, що забезпечує стійкість фізіологічних функцій. Механізми підтримання гомеостазу: Енергетичне супряження Механізм енергетичного супряження має місце, коли можлива, з погляду ентропійного критерію, реакція поєднується з реакцією, термодинамічно неможливою, і дає для неї енергію. При цьому вільна енергія першої повинна перевищувати споживану енергію другої. Супряжені реакції, що спрягаються, повинні мати спільний компонент – зв’язуючи фактор, яким звичайно є фосфат-іон Багатостадійний режим. Переведення біохімічного процесу у багатостадійний режим дозволяє живому організму легко регулювати синтез тих чи інших речовин у необхідних кількостях. Це пояснюється тим, що різниця вільних енергій початкового й кінцевого стану для кожної з окремих стадій звичайно невелика, а тому ймовірність досягнення рівноваги для неї більше, ніж для процесу у цілому. Функціонуванням мультиферментних систем Багатостадійність проходження хімічних перетворень у живих системах забезпечується функціонуванням мультиферментних систем, які працюють за принципом молекулярного конвеєру – продукт однієї ферментативної реакції служить субстратом для наступного перетворення. Застосування законів термодинаміки до живих систем. Енергетичне супряження у живих системах. Ендергонічні та екзергонічні процеси. image1.png image2.png image3.png image4.png image3.wmf W N R S ln = oleObject1.bin