TERMIKA

1. 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

2. 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

3. 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)

4. Transport tepla v organizmu • kondukcí (vedením) mezi orgány dt Q = λ . S . --------- . τ dx λ koeficient přestupu tepla τ (tau) čas dt/dx gradient teploty podle vzdálenosti S plocha

5. Transport tepla v organizmu • konvekcí (prouděním) krev – transport energie i hmoty Q = α . S . Δt . τ α koef. přestupu tepla přes rozhraní τ čas Δt gradient teploty S plocha

6. 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.)

7. Produkce tepla a omezení transportu tepla do okolí • zvýšení bazálního metabolizmu • svalový třes • izolační vlastnosti pokryvu těla • zmenšení povrchu • vazokonstrikce

8. 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

9. 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

10. 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)

11. 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

12. I. věta • vnitřní energie U ΔU = Q – W • Entalpie H ΔH = ΔU + pΔV exotermická (samovolná) reakce entalpie klesá ΔH < 0 endotermická reakce entalpie roste ΔH > 0 hf 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 ΔH = + 2,81 . 103 kJ.mol-1 h Planckova konstanta f vlnočet

13. 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

14. 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

15. 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.

16. 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 !

17. 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.

18. 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.

19. 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

20. 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“

21. 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

22. Doplnění energetického „poolu“ ATP P energie pro životní pochody energie z živin potřebná pro navázání P ADP

23. 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.

24. Transportní jevy • viskozita transport hybnosti • vedení tepla transport energie • difuze, osmóza transport hmoty Transp.vel. = - K . Plocha . Gradient

25. 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

26. dn 1 J = ------ . ------ 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 HUSTOTA DIFUZNÍHO TOKU [J] dt – časový interval, během kterého projde rozhraním množství látky dn

27. dc J = - D . ------- dx D – difuzní koeficient [m2 . s-1] c – koncentrace x – souřadnice polohy na ose x mínus – 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/) FICKŮV ZÁKONjednosměrná stacionární difuze D nabývá hodnot od 1 . 10-9 po 1 . 10-12 mikromolekuly makromolekuly

28. 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

29. 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

30. TYPY TRANSPORTU

31. Mechanismy transportu • Difuze nespecifická (prostá) • Difuze selektivní (usnadněná) – specifické nosiče, iontové kanály Difuze je závislá na: 1. velikosti elektrochemického gradientu 2. permeabiltě membrány pro daný iont • Pinocytoza – strukturální změny

32. TRANSPORT – DLE POČTU PŘENÁŠENÝCH ČÁSTIC