Лекция 4-5
ОСНОВИ НА БИОЕНЕРГЕТИКАТА
Всички живи организми на нашата планета могат да съществуват само ако има непрекъснат приток на енергия, която се използва за мускулна контракция, клетъчно делене, синтез на необходимите съединения и т.н. Няма да е преувеличено да се каже, че енергийният метаболизъм е съществен компонент от живота на всички живи същества без изключение. В живите организми непрекъснато се извършва трансформация на различни видове енергия (виж таблицата).
Преобразуватели на биологична енергия
Химически към електрически
Химичен към механичен
Химичен до осмотичен
Химическа към радиационна енергия
Светещ до химически
Светлинен до електрически
хидростатичен към електрически
звук към електричество
Органи, в които се преобразува енергията
Мозък, нерви, нос, език
Бъбреци и всички клетъчни мембрани
Органи на светещи организми (светулки и др.)
Следователно изследването на това как енергията влиза в тялото, нейната обработка, съхранение и използване са най-важните проблеми не само на биоенергетиката, но и на цялата биология.
Според съвременните представи източникът на енергия за биосферата е Слънцето, в чиито дълбини протичат термоядрени реакции на синтез на хелий от водород. Вътрешноядрената енергия, освободена при това с помощта на електромагнитно излъчване в много широк спектър, навлиза в Земята. В зависимост от начина на хранене всички организми се делят на автотрофи и хетеротрофи. Автотрофите абсорбират енергията на квантите на оптичния диапазон и в резултат на процеса на фотосинтеза я съхраняват в захари:
Получените глюкозни молекули служат като източник на енергия за хетеротрофите - организминеспособни на фотосинтеза - за земноводни, влечуги, птици, бозайници. Въпреки че въглехидратите са основният енергиен субстрат, други вещества (протеини, мазнини) също могат да се използват за освобождаване на енергия. Във всеки случай за нормалното функциониране на тялото е необходим постоянен обмен на вещества с околната среда, освобождаване на енергия в процеса на обработка на химични съединения и използването й за извършване на работа.
Важна роля в енергийното взаимодействие на организма с околната среда играят системите на храносмилането, дишането, кръвообращението, отделянето, нервната система и др.. Ето защо при заболявания винаги има нарушение на енергийния метаболизъм в локални зони или в целия организъм. Изследването на показателите на този процес е от особено значение за оценка на състоянието на организма, тежестта на заболяването и за прогнозиране на неговия изход. Например, промяната в телесната температура е един от най-характерните симптоми на нарушения на енергийния метаболизъм.
Теоретичната основа, основата на биоенергетиката е термодинамиката - дял от физиката, който изучава енергийните трансформации в различни материални системи.
ОСНОВНИ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНИ НА ТЕРМОДИНАМИКАТА
В термодинамиката се разглеждат състоянията на термодинамичните системи. Под термодинамична система се разбира част от пространството, съдържаща голям брой атоми или молекули. От това определение следва, че всички живи организми отговарят на концепцията за термодинамична система. Нека обърнем внимание на факта, че в термодинамиката не се разглеждат отделни атоми или молекули, а само състоянието и поведението на тяхната съвкупност.
Има отворени, затворени и изолирани системи. Под изолиран се разбира такъв, който не обменя с околната среда нито материя, нитоенергия. В точния смисъл нито един реален материален обект не отговаря на това определение, тъй като е невъзможно да се осигури пълната му изолация от околната среда. Добро приближение до изолирана система е ракета в открития космос с изключени двигатели. Ако пренебрегнем много малкия топлообмен с космоса, ракетата е изолирана система.
Затворена система се разбира като такава, която може да обменя само енергия с околната среда, но не и материя. Например всяко материално тяло, чиято температура е по-висока от околната среда, е затворена система, участваща само в топлообмен.
Отворените термодинамични системи включват тези, които обменят както материя, така и енергия с околната среда. Според това определение всички живи организми са отворени системи, за които метаболизмът и топлообменът с околната среда са предпоставка за нормален живот.
Всяка термодинамична система се характеризира със свойства, чийто количествен израз се нарича термодинамични параметри. Най-важните параметри са: температура Т, налягане Р, обем V, количество вещество n, изразено в молове. Термодинамичните или макро параметрите са стойности, осреднени върху микро параметри, които характеризират състоянието на отделните атоми и молекули. Например, температурата T е свързана със средната кинетична енергия Ek на частиците, които изграждат системата: 3/2 kT = Ek, където k е константата на Болцман.
Наборът от термодинамични параметри определя състоянието на термодинамичната система във всеки момент от времето. Ако се наблюдава промяна в тези величини, тогава протича термодинамичен процес и термодинамичната система преминава в друго състояние. Междумакропараметри, съществува функционална връзка, която не се нарушава при осъществяването на термодинамичния процес. Количественият израз на тази зависимост се нарича уравнение на състоянието. Една от най-важните такива функции е уравнението на състоянието на идеалния газ:
където R е универсалната газова константа.
Състоянията на термодинамичните системи се описват еднозначно от вътрешната енергия - сумата от кинетичните и потенциалните енергии на взаимодействие на всички частици на системата. Компонентите на вътрешната енергия са кинетичната енергия на топлинното хаотично движение на молекулите, енергията на взаимодействието на атомите и молекулите, между ядрата и електроните, протоните и неутроните в ядрата. От горното определение следва, че е много трудно да се изчисли количествено стойността на цялата вътрешна енергия за всяко състояние на системата. Следователно преминаването на една термодинамична система от едно състояние в друго се характеризира не с абсолютни стойности, а с изменение на вътрешната енергия U = U2-U1 (U1 – вътрешна енергия в първото, U2 – във второто състояние). Наблюденията показват, че процесът на преход на системата от едно състояние с вътрешна енергия U1 към второто (с U2) е придружен от регистрирани промени в околната среда: движението на материалните тела, промените в техните обеми, температура, електрическо съпротивление и др. Методите за промяна на вътрешната енергия на системата се описват от първия закон на термодинамиката: увеличаването на вътрешната енергия на системата е равно на количеството получена топлина и извършената от околната среда работа:
(тук означено с U - увеличението на вътрешната енергия, Q - количеството топлина, получено от системата, A - работата, която околната среда извършва върху системата). Ако системата отделя топлина на околната среда или работи, тогава знакът пред Q и A се променя напротивоположно:
U = - Q - A U U2, тогава от комбинирания закон на термодинамиката вътрешната енергия може да бъде представена като свободна и свързана, т.е.U = F1 + + G1 , Свободната енергия се изразходва за извършване на всички видове биологична работа, а освобождаването на свързана енергия допринася за нагряване на системата. За да се запази температурата на тялото непроменена, е необходимо топлината да се отдаде на околната среда. От разглеждания пример става ясно, че постоянството на температурата на отворена термодинамична система се осигурява от конюгирането на противоположно насочени процеси: освобождаване на свързана енергия, нагряване на системата и отделяне на топлина в околната среда. Състоянията на отворените системи, чиито свойства остават постоянни в резултат на протичането на противоположно насочени процеси, се наричат стационарни. Стационарното състояние се характеризира с набор от термодинамични параметри: F0, SSmax, V0.
В разглеждания пример стационарното състояние се запазва и по отношение на масата. Неговото постоянство M = const се осигурява от условието m1 = m2, т.е. съединяване на потоци от материя, насочени към системата и към околната среда. Разгледаните примери показват, че в отворените системи, които включват всички живи организми, могат да се установят такива състояния, при които свойствата на системите остават непроменени на фона на непрекъснато протичащи процеси. поддържането на постоянството на телесните параметри се нарича хомеостаза.
СТАБИЛНОСТ НА СТАЦИОНАРНИ СЪСТОЯНИЯ
Физиологичното състояние на тялото се характеризира с огромен набор от биологични параметри. Техните стойности могат да варират в определени граници, които характеризират индивидуалните характеристики на организма (генотип, адаптивни възможности, развитие на заболявания и др.). Например границите на температурата се променятпрез деня за здраво човешко тяло е ± 0,1 около С, т.е. само 0,2: 36,6 = 0,5%, а максималният температурен диапазон, при който тялото може да съществува, е от 33 ° C до 43 ° C. За други параметри границите на промяна на параметрите могат да бъдат значително по-големи, като например за масата на тялото.
За да се идентифицират патологичните състояния, е необходимо да се знаят границите на нормалните колебания, тъй като техните отклонения от тези стойности са симптоми на съответните заболявания.
В зависимост от условията на жизнена дейност (извършване на физическа работа или почивка, възраст, външни въздействия, развитие на заболявания) тялото преминава на друго стационарно ниво с други биологични показатели. Най-често преходът между нивата се описва от зависимостта:
чиято графика е показана на фигурата (фиг. 7а).
Това уравнение означава: Yo е подобна стойност на биологичен параметър, Y е неговата максимална промяна, a е константа, която определя скоростта на прехода (колкото по-голям е този параметър, толкова по-висока е скоростта), t е времето, e е основата на естествените логаритми.За да оцените този процес, можете също да използвате времето t1 (вижте фиг. 7a), през което биологичната система достига ново стационарно ниво.
В някои случаи преходният отговор се описва чрез по-сложна връзка (виж Фиг. b):
y = Yo+ Y(1 - e - t sint)
Тук = 2/T е честотата, T е периодът на затихналите колебания на биологичния параметър близо до новото ниво на стационарното състояние.
Понякога с течение на времето има колебание на параметъра около някакво, не непременно нормално ниво. Например Фигура 7(c) показва дневните колебания в температурата по време на трескаво състояние.
INПо принцип формата на трептенията може да бъде всякаква, но с определена степен на точност е удобно да се използват хармонични функции от типа, за да се опишат тези процеси:
Използването на такива функции за моделиране на реални преходни процеси дава възможност да се използват количествени характеристики за диагностициране на патологични състояния и оценка на тяхната тежест.
През последните години функционалната (динамична) диагностика се използва успешно в медицината за изследване на състоянието и реактивността на различни органи, тъкани и системи на тялото. Принципът на този подход е, че биологичните индикатори се записват преди и след дозирана експозиция, което води до прехода на биологичната система към ново стационарно ниво. Велоергометрията може да служи като пример за функционална диагностика на сърдечно-съдовата система, когато се определят физиологични показатели (сърдечна честота, кръвно налягане, електрокардиограма и др.) Преди и след дозирана физическа активност. Времевата зависимост на тези показатели е преходна характеристика в случая на сърдечно-съдовата система. Неговият анализ дава възможност да се получат количествени параметри, описващи кинетиката на прехода между стационарни състояния (началната стойност Yo, големината на промяната Y, константата на скоростта , времето на преход между стационарните състояния t1, честотата и периодът, ако характеристиката на прехода е представена от колебателен процес).