TERMIKA

Teplo je nejméně uspořádaná forma energie

Teplo je suma všech forem kinetických energií

1 J = 0,2388 cal 1 cal = 4,1868 J Teplota – míra střední kinetické

energie všech částic Teplota – stavová veličina, kterou

vnímáme

MĚŘENÍ TEPLOTY objemová roztažnost tekutin vodíkový teploměr kapalinové teploměry délková roztažnost pevných látek l = lo . (1 + α t) bimetalové teploměry keramické teploměry závislost elektrického odporu na teplotě vodičů R = Ro . (1 + α t ..ß t2 + …) platinové teploměry polovodičů termistory R = A . eB/T

optické metody dotykové – kapalné krystaly bezdotykové – IF záření

TERMOREGULACE ORGANIZMU

z hlediska výměny tepla s okolím je rozhodující velikost povrchu, nikoliv objemu nebo hmotnosti

teplota má hlavní význam pro udržení činnosti enzymů

zrcadlový efekt jater (při syntéze je minimální degradace a naopak)

Transport tepla v organizmu

kondukcí (vedením) mezi orgány dtQ = λ . S . --------- . τ dxλ koeficient přestupu teplaτ (tau) časdt/dx gradient teploty podle

vzdálenosti S plocha

Transport tepla v organizmu konvekcí (prouděním) krev – transport

energie i hmoty Q = α . S . Δt . τ

α koef. přestupu tepla přes rozhraníτ časΔt gradient teplotyS plocha

Produkce tepla, energie stanovení přímé – kalorimetricky stanovení nepřímé – ze spotřeby O2 spalná tepla fyzikální x fyziologická sacharidy a bílkoviny 17 MJ.kg-1

tuky 38 MJ.kg-1

fyziologická využitelnost energie bílkovin je snížena o energii nutnou k detoxikaci dusíkatých látek (močovina, kyselina močová, aminy atd.)

Produkce tepla a omezení transportu tepla do okolí

zvýšení bazálního metabolizmu svalový třes izolační vlastnosti pokryvu těla zmenšení povrchu vazokonstrikce

Výdej tepla radiací (u člověka až 60 %) závislá na teplotě okolí a pokryvu těla Q ~ T4

vedením - nejteplejší jsou játra vazodilatací prouděním evaporace závislá na vlhkosti vzduchu

TERMODYNAMIKA

umožňuje předvídat, zda je za daných podmínek možný průběh určité reakce v organizmu

umožňuje vypočítat energetické změny ve formě tepla nebo práce, které provázejí biochemické procesy

Základní pojmy teplo – nejméně uspořádaná forma

energie práce – uspořádaná makrofyzikální forma

energie rovnovážný stav systému odpovídá nejpravděpodobnějšímu

uspořádání izolovaného systému relaxační doba je mírou přiblížení (difuze plynu 10-8 s, kapaliny hodiny)

Základní pojmy termodynamická pohyblivá rovnováha

otevřených systémů - stav, v němž je působení systému na

okolí a působení okolí na systém stejné a vzájemné působení dějů uvnitř systému je vyrovnáno

termodynamický děj reversibilní prochází řadou na sebe

navazujících rovnovážných stavů ireversibilní – všechny děje, které v

přírodě probíhají samovolně

I. věta vnitřní energie UΔU = Q – W Entalpie HΔH = ΔU + pΔVexotermická (samovolná) reakce entalpie klesá ΔH

< 0endotermická reakce entalpie roste ΔH > 0 hf 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

ΔH = + 2,81 . 103 kJ.mol-1

h Planckova konstantaf vlnočet

II. věta entropie S (entropo – udávati směr) míra neuspořádanosti systému, přeneseně též

neorganizovanosti ΔS = Q / T u ireversibilních dějů otevřených systémů

entropie roste ΔS > 0 - transportem entropie z okolí a do okolí Se

- přírůstkem entropie v uvažovaném systému Si

Prigoginova rovnice ΔS = ΔSe + ΔSi

ΔSe 0 ΔSi > 0 => ΔS > 0

Veličiny odvozené z II. termodynamické věty volná energie F (T = k V = k) ΔF = ΔU – T ΔS volná (využitelná) entalpie – Gibbsova

energie G (T = k p = k) ΔG = ΔH – T ΔS T ΔS entropický člen – vázaná energie U živého organizmu můžeme považovat

T, V, p za přibližně konstantní, pak není významný rozdíl mezi G a F

Termodynamika živých systémů

Gibbsova energie představuje tu využitelnou část chemické energie, která může být v systému přeměněna na jiný druh energie nebo na práci.

Účinnost živých systémů je až 40 %. Nevyužitá část energie je ve formě

tepla vyloučena z organizmu. Tím se organizmus snaží snížit nárůst entropie.

Termodynamika ireverzibilních systémů otevřené systémy směřují k pohyblivé

rovnováze, která se vyznačuje minimální entropií

přechod otevřeného systému k pohyblivé rovnováze může způsobit dočasný pokles entropie

Obecně jsou pohyblivé rovnováhy stabilní. Proti každému pochodu, který je vyvolán vnější silou nebo způsobuje v systému jiný primární děj musí existovat procesy, které se snaží těmto změnám zabránit !

Při všech ireversibilních procesech musí entropie vzrůstat. Organizmus se však „vyživuje“ komplexními organickými molekulami (z potravy) s vysokou hodnotou volné entalpie G. Při jejich rozkladu používá část volné entalpie G ke svému zachování a část k výstavbě vyšší organizace. Tím se živé organizmy snaží čelit nárustu entropie a samy sebe udržují ve stavu pohyblivé rovnováhy.

Z hlediska evoluce vznikem vyšší organizace a diferenciace nových tkání a vznikem nových druhů dochází ke snižování entropie.

II. t. v. však neztrácí platnost, neboť platí pro „uzavřený systém“ konkrétního jedince s jeho průběžně voleným okolím.

Nárůst entropie konkrétního organismu je představováno jeho stárnutím, které vede k termodynamické smrti.

Posmrtný rozklad představuje snahu po dosažení rovnovážného stavu.

Energetické přeměny hydrolýza u převažujících typů vazeb

(glykosidická, peptidická, esterová) slabá exotermická reakce

G do 12 kJ.mol-1 existují sloučeniny, kde se hydrolýzou

získává Gibbsova energie 30 – 50 kJ.mol-1

vazby polyfosfátové, fosfosulfátové, acylfosfátové, thioesterové

Makroergické vazby, fosfáty ~ P nebo - P ve skutečnosti je energetický obsah

každé sloučeniny dán jejím prostorovým uspořádáním

uvolněná energie tedy pochází z celé sloučeniny, nikoliv ze samotné vazby

představují zásobárnu energie – energetický „pool“

Energetické přeměny hydrolýza je řízena enzymy a díky tomu

dochází k postupnému uvolňování energie potrava + O2 + anorg. fosfáty → ATP ATP → svalová práce, tělesné teplo, atd. nebo přenosové reakce ATP + specifické sloučeniny → specifické

vysoce energetické sloučeniny glukóza + ATP → ADP + glukózo-6-fosfát

Doplnění energetického „poolu“

ATP

ADP

P

energie z živin potřebná pro navázání P

energie pro životní pochody

Doplnění energetického „poolu“

aerobní proces – oxidativní fosforylace spřažená s dýchacím řetězcem

anaerobní glykolýza Veškerá energie živin se nejprve

převede na chemickou energii (makroergních fosfátů) a teprve pak může být postupně využita ve formě kaskády jednotlivých, enzymy řízených, reakcí.

Transportní jevy

viskozita transport hybnosti vedení tepla transport energie difuze, osmóza transport hmoty

Transp.vel. = - K . Plocha . Gradient

Transport hmoty DIFUZE Rotpuštěná látka přechází z místa o vyšší

koncentraci na místo o nižší koncentraci nevyžaduje energii (pasivní transport) cílem je dosažení rovnovážného stavu částice se pohybují neuspořádáným

tepelným pohybem

v plynech a kapalinách probíhá rychle v pevných látkách pomalu

HUSTOTA DIFUZNÍHO TOKU [J]

dn 1J = ------ . ------

dt S

S – celková plocha rozhraní

J [mol . s-1 . m-2]

počet molů dn, které projdou za čas dt jednotkovou plochou S = množství látky,vyjádřené počtem molů dn, které projde za sekundu jednotkovou plochou rozhraní

dt – časový interval, během kterého projde rozhraním množství látky dn

1. FICKŮV ZÁKONjednosměrná stacionární difuze

dcJ = - D . -------

dxD – difuzní koeficient

[m2 . s-1]c – koncentracex – souřadnice polohy na

ose xmínus – koncentrace ve

směru osy x klesá vyrovnává zápornou

hodnotu poklesu koncentrace na kladnou hodnotu látkového toku

1. Fickův zákon:Hustota difuzního toku J je

přímo úměrná koncentračnímu gradientu dc/dx

(platí pro jednosměrnou difuzi ve směru osy x; gradient se nemění v čase/iontová pumpa/)

D nabývá hodnot od 1 . 10-9 po 1 . 10-12

mikromolekuly makromolekuly

Difuze transport molekul rozpuštěné látky přes

buněčnou membránu - vstřebávání látek ve střevě - prostup dýchacích plynů Pro prostup neelektrolytů platí: J = - P . S . (ce – ci) J látkový tok P permeabilita membrány ce – ci rozdíl extracelulární a intracelulární koncentrace S plocha

Elektrické jevy na buněčné membráně

Orientovaná dvojvrsta lipidů (fosfolipidy, glykolipidy, cholesterol) a integrovaných proteinů

Hydrofilní skupiny vně, hydrofobní dovnitř, což vyhovuje termodynamické rovnováze

Periferní proteiny určují vlastnosti membrán Vodivost je závislá na fyziologické aktivitě Permitivita (dielektrické vl.) je stálá εr ~ 10

TYPY TRANSPORTU

transport

PASIVNÍnevyžaduje energii

AKTIVNÍvyžaduje energii

difuze osmóza

Mechanismy transportu

Difuze nespecifická (prostá) Difuze selektivní (usnadněná) –

specifické nosiče, iontové kanályDifuze je závislá na:1. velikosti elektrochemického gradientu2. permeabiltě membrány pro daný iont Pinocytoza – strukturální změny

TRANSPORT – DLE POČTU PŘENÁŠENÝCH ČÁSTIC

transport přesmembránu

jednoduchý kotransport

symport antiport