Основы термодинамики. Законы термодинамики для биологических (открытых) систем

                Основы термодинамики. Законы термодинамики для биологических (открытых) систем.

  Явления переноса в биологических системах. Пассивный и активный транспорт

Характерной особенностью живых клеток и тканей является способность совершать работу за счет изменения энергии соответствующих систем, а это связано с наличием градиентов различных физических величин. Например, работа , совершаемая при перемещении ионов через клеточные мембраны, определяется напряженностью электрического поля, то есть градиентом электрического потенциала по разные стороны мембраны, а также диффузией , которая возможна лишь при наличии градиента концентрации между внутренней частью клетки и внеклеточной средой. Таким образом, работа ,совершаемая  биологической системой , определяется градиентами физических величин, которые в конечном счете обусловлены неравновесным распределением вещества в биологической системе и непрерывным его переносом из одной части системы в другую. В живых организмах в течение всей жизни поддерживаются температурные, концентрационные, электрические градиенты и их выравнивание означает смерть организма.

  Для поддержания жизненных процессов в клетке необходимо непрерывное поступление в клетку определенных веществ и одновременное выведение из нее продуктов метаболизма. В клетку поступают вода, соли, ионы и другие соединения. Все клетки обладают совершенной системой переноса веществ, обеспечивающей проникновение определенных типов молекул внутрь клетки или наружу из клетки. Перенос вещества может происходить без затраты энергии клеткой (пассивный перенос, или транспорт ) и за счет  энергии,  выделяемой в клетке в результате химических превращений (активный транспорт).

Познакомимся вначале с основными явлениями переноса и их взаимосвязью в биологических системах.

          Пассивный транспорт обусловлен несколькими явлениями.

        1) Явление диффузии. Диффузией называют процесс самопроизвольного взаимного проникновения частиц двух соприкасающихся газов, жидкостей и твердых тел. Перенос массы вещества подчиняется закону Фика

[pic 1],                                        (1)

где  dM – масса вещества, которая переносится за время dt через элементарную площадку dS, поставленную перпендикулярно к направлению переноса вещества. Величина  [pic 2]= (grad n)х, взятая по выбранному направлению переноса, является проекцией градиента концентрации на это направление;

Д – коэффициент диффузии. Знак минус в формуле (1) показывает, что перенос массы при диффузии осуществляется в направлении убывания концентрации;

n-концентрация вещества (в растворе, смеси, клетке и т.п.)

        Коэффициентом диффузии Д называется физическая величина, численно равная массе вещества, переносимой через единицу площади за единицу времени при единичном градиенте концентрации в направлении, перпендикулярном к рассматриваемой площадке dS.

  Если разделить уравнение (1) на dSdt, то закон Фика можно записать в виде

                       Jд=-Д[pic 3] 

Величина Jд носит название диффузионного потока (это масса вещества, переносимая в результате диффузии в единицу времени через единичную площадь).

Коэффициент диффузии в жидкости зависит от температуры . размеров диффундирующих молекул  и вязкости среды

В клеточной мембране градиент концентрации можно считать постоянным и равным (n1-n2)/d

где d-толщина мембраны, а n1 и n2 концентрации вещества по разные стороны мембраны. Тогда

Jд=-(n1-n2)=-P( n1-n2), где  Р=Д/d –коэффициент проницаемости. Полученное выражение носит название уравнения Коллендера[pic 4]