Особенности первого начала термодинамики в биологических системах. Виды полезной работы организма. Первичное и вторичное тепло.
Первое начало термодинамики (закон сохранения энергии): в изолированной термодинамической системе полный запас энергии есть величина постоянная и возможны только превращение одного вида энергии в другой в эквивалентных соотношениях.
U = const; ΔU = 0.
Формулировка первого начала термодинамики для закрытых систем: теплота, подведенная к системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы и на совершение работы против внешних сил.
ΔQ = dU + ΔA (где Q - теплота, подведенная к системе; U - внутренняя энергия системы; А - работа; d обозначает, что U - функция системы, зависящая от термодинамических параметров (Р, V, Т))
Особенность первого закона термодинамики в биологии: в живой системе работа не может совершаться за счёт притока тепла извне, как в тепловой машине, она совершается за счёт изменения внутренней энергии системы при различного рода биохимических процессах или за счёт энтропийного фактора.
Первые экспериментальные попытки измерения энергетического баланса организма - в конце 18 в. А. Лавуазье и П. Лапласом. Для доказательства приложимости первого начала термодинамики к биологическим объектам был применен ледяной калориметр. По скорости таяния льда находили теплоту, выделенную морской свинкой в изолированной камере или ледяном калориметре. После этого определяли количество теплоты, выделяющейся при прямом сжигании до СО2 и Н2О продуктов питания морской свинки в калориметрической бомбе. А. Лавуазье и П. Лаплас получили величины близких порядков.
Метод калориметрии позволил установить, что количество энергии, поглощенной организмом за сутки вместе с питательными веществами, равно выделенной за это же время теплоте.
Энергетический баланс организма находится в полном соответствии с законом сохранения энергии, и никаких специфических источников жизни не существует.
Основными направлениями затраты энергии являются:
1)мышечная работа;
2)синтез сложных молекул, в первую очередь – белков (в организме человека каждый час распадается и синтезируется около 100 г белков, белковый состав организма обновляется примерно в течении 3-х суток. На это затрачивается значительная свободная энергия (от 25 000 кДж/ моль до 200 000 кДж/моль для разных белков). Эту энергию можно подсчитать по формуле:
Gсинт = ν Δµ, где ν – число синтезированных молей, Δµ – изменение химического потенциала при синтезе данного белка);
3)поддержание разницы концентраций многих веществ в цитоплазме и в межклеточной среде (во всех клетках концентрация многих веществ внутри клетки Cвнутри заметно отличается от концентрации снаружи Снар. Например, калия в цитоплазме много больше, чем в межклеточной жидкости, натрия наоборот, больше снаружи. Эта разница концентраций необходима для жизнедеятельности клеток. Диффузия ионов и молекул через мембрану стремится выровнять концентрации, поэтому в клетках существуют особые механизмы (насосы), которые переносят вещество через мембрану против разности концентраций. На работу этих насосов тратится заметное количество свободной энергии);
4)поддержание разности потенциалов на мембранах клеток (цитоплазма всех клеток заряжена отрицательно по отношению к межклеточной среде. На мембранах всех клеток существует постоянная разность потенциалов - потенциал покоя (ПП). Кроме того, во многих клетках в ответ на внешнее воздействие (раздражение) возникает кратковременная (импульсная) разность потенциалов - потенциал действия (ПД). На создание ПП и ПД нужна свободная энергия, которая в данном случае тратится на перенос ионов через мембрану против разности потенциалов U. Эта энергия Wэлектр. рассчитывается по известной формуле:
G
= Wэлектр =
q * U, где q- Заряд перенесенных ионов.
q=
.z.F,
где
–
число молей ионов, перенесенных через
мембрану, z – валентность иона, F – число
Фарадея, заряд одного моля ионов (F = 96
500 Кл/моль). Отсюда получаем: G =
zFU).
Теплоту, выделяемую организмом, условно делят на два типа. Первичная теплота постоянно высвобождается в ходе клеточного метаболизма, вне зависимости от того, совершается внешняя работа или нет. Ее количество - показатель интенсивности основного обмена, обеспечивающего функционирование жизненно важных органов.
Вторичная теплота выделяется при совершении организмом любой работы за счет резерва аккумулированной энергии АТФ, образующегося в результате метаболических превращений питательных веществ.
В физиологических условиях оба вида теплоты находятся в относительном равновесии. Первичная теплота непрерывно рассеивается в окружающую среду, даже если её температура превышает температуру тела. При переохлаждении количество первичной теплоты обеспечивается за счет увеличения доли вторичной теплоты вследствие усиления двигательной активности, и особенно при появлении непроизвольной дрожи (дрожательный термогенез).
В физиологических и медицинских исследованиях для определения количества энергии, выделенной организмом, используют внесистемные единицы — калорию (кал) и килокалорию (ккал). Калория — количество энергии (тепла), необходимое для повышения температуры 1 г воды на 10С.