SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. (Bio)termodinamika, entrópia, egyensúly és változás.

Hasonló dokumentumok
SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. Bio-termodinamika, entrópia, egyensúly és változás.

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. Zrínyi Miklós

Hajdú Angéla

Spontaneitás, entrópia

Spontaneitás, entrópia

A METABOLIZMUS ENERGETIKÁJA

A METABOLIZMUS ENERGETIKÁJA

A metabolizmus energetikája

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. Zrínyi Miklós

Energia. Energia: munkavégző, vagy hőközlő képesség. Kinetikus energia: a mozgási energia

Termokémia, termodinamika

Az energia. Energia : munkavégző képesség (vagy hőközlő képesség)

Makroszkópos tulajdonságok, jelenségek, közvetlenül mérhető mennyiségek leírásával foglalkozik (például: P, V, T, összetétel).

Termokémia. Termokémia Dia 1 /55

Termodinamikai bevezető

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

Követelmények: f - részvétel az előadások 67 %-án - 3 db érvényes ZH (min. 50%) - 4 elfogadott laborjegyzőkönyv

Energia. Energiamegmaradás törvénye: Energia: munkavégző, vagy hőközlő képesség. Az energia nem keletkezik, nem is szűnik meg, csak átalakul.

Hőtan I. főtétele tesztek

Kémiai reakciók sebessége

Légköri termodinamika

Termodinamika (Hőtan)

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

Belső energia, hőmennyiség, munka Hőtan főtételei

BIOFIZIKAI TERMODINAMIKA AZ ENERGIA BIOLÓGIAI HASZNOSÍTÁSÁNAK TUDOMÁNYA

Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly

1 Műszaki hőtan Termodinamika. Ellenőrző kérdések-02 1

Orvosi Fizika 11. Transzportfolyamatok termodinamikai vonatkozásai. Dr. Nagy László

Termokémia. Hess, Germain Henri ( ) A bemutatót összeállította: Fogarasi József, Petrik Lajos SZKI, 2011

ÖSSZEFOGLALÁS HŐTANI FOLYAMATOK

MŰSZAKI TERMODINAMIKA 1. ÖSSZEGZŐ TANULMÁNYI TELJESÍTMÉNYÉRTÉKELÉS

BIOFIZIKA I OZMÓZIS Bugyi Beáta (PTE ÁOK Biofizikai Intézet) OZMÓZIS

Termodinamika. Tóth Mónika

1. Mi a termodinamikai rendszer? Miben különbözik egymástól a nyitott és a zárt termodinamikai

Egy részecske mozgási energiája: v 2 3 = k T, ahol T a gáz hőmérséklete Kelvinben 2 2 (k = 1, J/K Boltzmann-állandó) Tehát a gáz hőmérséklete

ORVOSI FIZIKAI KÉMIA

Termodinamika. Belső energia

A termodinamikai rendszer energiája. E = E pot + E kin + U E pot =m g h E kin =½m v². U = U 0 + U trans + U rot + U vibr + U khat + U gerj

Termodinamika. Gázok hőtágulása, gáztörvények. Az anyag gázállapota. Avogadro törvény Hőmérséklet. Tóth Mónika.

Célkitűzés/témák Fehérje-ligandum kölcsönhatások és a kötődés termodinamikai jellemzése

5. előadás

A bioenergetika a biokémiai folyamatok során lezajló energiaváltozásokkal foglalkozik.

2. Energodinamika értelmezése, főtételei, leírási módok

Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly

10/21/11. Miért potenciálfüggvények? (Honnan kapta a nevét?) Termodinamikai potenciálfüggvények. Belső energia. Entalpia

Fizika. Fizika. Nyitray Gergely (PhD) PTE PMMIK március 27.

1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből

Általános Kémia, 2008 tavasz

Általános kémia képletgyűjtemény. Atomszerkezet Tömegszám (A) A = Z + N Rendszám (Z) Neutronok száma (N) Mólok száma (n)

III. Termodinamikai alapok: a változások energetikája; a folyamatok iránya, egyensúlyok.

Anyagtudomány. Ötvözetek egyensúlyi diagramjai (állapotábrák)

Műszaki hőtan I. ellenőrző kérdések

Az edzés és energiaforgalom. Rácz Katalin

A TERMODINAMIKA I. AXIÓMÁJA. Egyszerű rendszerek egyensúlya. Első észrevétel: egyszerű rendszerekről beszélünk.

A termodinamika törvényei

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

Orvosi Fizika 10. Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Fizika feladatok. 1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből november 28. Hővezetés, hőterjedés sugárzással. Ideális gázok állapotegyenlete

Víz. Az élő anyag szerkezeti egységei. A vízmolekula szerkezete. Olyan mindennapi, hogy fel sem tűnik, milyen különleges

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

Termodinamikai rendszerek. Kalorimetria. Extenzív és Intenzív mennyiségek. Hőkapacitás, fajhő Mennyi a felvett hő?

Műszaki termodinamika I. 2. előadás 0. főtétel, 1. főtétel, termodinamikai potenciálok, folyamatok

Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. TRANSZPORTFOLYAMATOK biológiai rendszerekben.

Biofizika I. OZMÓZIS. Dr. Szabó-Meleg Edina PTE ÁOK Biofizikai Intézet

ELTE II. Fizikus, 2005/2006 I. félév KISÉRLETI FIZIKA Hıtan 9. (XI. 23)

Biofizika szeminárium. Diffúzió, ozmózis

Égés és oltáselmélet I. (zárójelben a helyes válaszra adott pont)

A BIOLÓGIAI JELENSÉGEK FIZIKAI HÁTTERE Zimányi László

rendszer: a világ általunk vizsgált, valamilyen fallal (részben) elhatárolt része környezet: a világ rendszert körülvevő része

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport

Munka- és energiatermelés. Bányai István

A munkavégzés a rendszer és a környezete közötti energiacserének a D hőátadástól eltérő valamennyi más formája.

OZMÓZIS. BIOFIZIKA I Október 25. Bugyi Beáta PTE ÁOK Biofizikai Intézet

6. Termodinamikai egyensúlyok és a folyamatok iránya

Az égés és a füstgáztisztítás kémiája

A felépítő és lebontó folyamatok. Biológiai alapismeretek

Termodinamika. Tóth Mónika

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. TRANSZPORTFOLYAMATOK biológiai rendszerekben.

Fizika-Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS Október 22. Vig Andrea PTE ÁOK Biofizikai Intézet

Jegyzet. Kémia, BMEVEAAAMM1 Műszaki menedzser hallgatók számára Dr Csonka Gábor, egyetemi tanár Dr Madarász János, egyetemi docens.

Osztályozó vizsgatételek. Kémia - 9. évfolyam - I. félév

Általános Kémia, BMEVESAA101 Dr Csonka Gábor, egyetemi tanár. Az anyag Készítette: Dr. Csonka Gábor egyetemi tanár,

SZBN Fizikai kémia 2017/18/2

Az energia bevezetése az iskolába. Készítette: Rimai Anasztázia

Szénhidrátok monoszacharidok formájában szívódnak fel a vékonybélből.

Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba

Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Fizika. Fizika. Nyitray Gergely (PhD) PTE PMMIK március 20.

Általános Kémia, BMEVESAA101

Katalízis. Tungler Antal Emeritus professzor 2017

BIOGÉN ELEMEK Azok a kémiai elemek, amelyek az élőlények számára létfontosságúak

HOMOGÉN EGYENSÚLYI ELEKTROKÉMIA: ELEKTROLITOK TERMODINAMIKÁJA

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

OGA-FZ1-T Fizikai kémia /18/2

A diffúzió leírása az anyagmennyiség időbeli változásával A diffúzió leírása a koncentráció térbeli változásával

Megjegyzések (észrevételek) a szabad energia és a szabad entalpia fogalmához

Visy Csaba Kredit 4 Heti óraszám 3 típus AJÁNLOTT IRODALOM. P. W. Atkins: Fizikai kémia I.

4. FELADATSOR ( )

Fizika. Fizika. Nyitray Gergely (PhD) PTE PMMIK március 6.

Átírás:

SEMMELWEIS EGYETEM Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport (Bio)termodinamika, entrópia, egyensúly és változás Zrínyi Miklós egyetemi tanár, az MTA rendes tagja

A termodinamika I. főtétele U = T S p V + µ n +... + Az energiamegmaradás törvényének legáltalánosabb megfogalmazása. U = Q+ W ch + W +... + W K i= 1 i i me kém i A termodinamika II. főtétele Elszigetelt rendszerben a önként lejátszódó (kiegyenlítődési) folyamatok során az entrópia növekszik. A termodinamika III. főtétele Tiszta kristályos anyagok entrópiája nulla az abszolút zérus ponton:

entrópia termikus entrópia konfigurációs entrópia (a hőmérséklet változik) S = S + S term (a hőmérséklet nem változik) konf Olvadás: Q op > T op 0 S konf Q op ( Top) = > 0 T op kristály olvadék Q= T S Forrás: folyadék Q fp > T fp 0 gőz S konf Q fp ( Tfp) = > 0 Az állandó hőmérsékleten lejátszódó (fázis)átalakulás során az entrópia a rendezetlenség növekedésével együtt nő. Az entrópia a molekuláris rendezetlenség mértéke T fp

entrópia termikus entrópia konfigurációs entrópia (a hőmérséklet változik) (a hőmérséklet nem változik) S = S + S term konf Gáz adiabatikus expanziója. =............ gáz adiabatikus kitágulása során: S = 0 Adiabatikus esetben a rendszer a környezetétől termikusan elszigetelt: S A rendezetlenség növekszik S konfig > 0 állandó = + = Skonfig = Sterm S term < 0 Mivel S S S 0 konfig term CV Sterm = T < 0 T < 0 T A gáz lehül!

A gumiszál adiabatikus nyújtása A rendezettség növekszik S konfig < 0 adiabatikus deformációnál: S = állandó = + = Skonfig = Sterm > 0 Mivel S S S 0 konfig term S term adiabatikus hirtelen többszöri nyújtás T > 0 CV Sterm = T > 0 T > 0 T A hirtelen meghúzott gumiszál felmelegszik!

MAKROMOLEKULÁK RUGALMASSÁGA Entrópia rugalmasság S konfig < S = S + S = 0 > 0 konfig term S term 0 adiabatikus hirtelen többszöri nyújtás T > 0 S term Skonfig S konfig > 0 Q> 0 nyújtott gombolyodott melegítés l< 0 összehúzódás M Negatív lineáris hőtágulási együttható M

Entrópia növekedéssel járó folyamatok részecskeszám növelése Entrópia a rendezetlenség mértéke? IGEN! hőmérséklet növelése térfogat növelése Boltzmann összefüggés: bomlási folyamat disszociáció S = k B lnw makromolekula gombolyodása 23 k B = 1.38 10 J/K k B = R N termodinamikai valószínűség: W>>1 Av olvadás, forrás elegyedés

A W termodinamikai valószínűség megadja az adott makroállapothoz tartozó mikroállapotok számát. 1. példa: makroállapot: koncentráció 16! mikroállapot: lehetséges eloszlások száma S konfig > 0 W = = 12870 8!8! x A = 8 /16 S = k B lnw W = 1 W = 1 W, = 12870 A B S = 0 S = 0 S, = k T ln(12870) A B A B A B B W A, B ( N A+ NB )! 16! = = = 12870 N! N! 8!8! A B Négy különböző mikroállapot a lehetséges 12870 számúból.

A W termodinamikai valószínűség megadja az adott makroállapothoz tartozó mikroállapotok számát. 2. példa: makroállapot: láncvégtávolság mikroállapot: lehetséges konformációk száma nyújtott, ny gombolyag, g S = k B lnw S g S g 4 NC C = 10 10000 W g = 3 10000 = k T ln(3 ) = B 4 10 kbt ln 3 4 NC C = 10 W ny = 1 Sny = kbt ln1 S = 0 ny

Térszerkezet és konformációs entrópia konstitúció - konfiguráció - konformáció Statisztikus gombolyag Nagy konformációs entrópia Szabályos térszerkezet Jóval kisebb konformációs entrópia W=1 S konf = 0

Környezeti hatások izoterm T = konst. környezet izobár p= konst. izochor V = konst. adiabatikus S = konst. A belső energia egy része a környezet állandóságának biztosítására fordítódik! Hasznosítható energia Belső energia változása Q V = konst. Q Q < T T V U = Q p V p Q p= konst. U = Q U = Q p V

A belső energia adott körülmények között hasznosítható része: Izobár eset: Izoterm eset: Izoterm-izobár eset: H entalpia F szabadenergia G szabadentalpia ENTALPIA Csak termikus és mechanikai kölcsönhatást vizsgáljunk U = T S p V ( ) H = U+ pv = T S hő ha p=állandó, akkor U = T S ( pv) U ( pv) ( U+ pv) + = = T S H = U+ pv

A H entalpia az U belső energiának izobár hőközléssel hasznosítható része. H = U+ pv Az entalpia extenzív mennyiség. Az entalpia állapotfüggvény. H(T) U(T) H H 2 H = H2 H1 C p U C V T H 1 Hess tétel! A termokémia főtétele. Nem függ tehát a reakcióhő nagysága a részfolyamatok sorrendjétől

A szabadenergia Csak termikus és mechanikai kölcsönhatást vizsgáljunk U = T S p V ha T=állandó, akkor U = ( TS) p V A= U ( TS) = p V = Wmech F = ( U TS) = p V = Wmech mechanikai munka F = U TS Az F szabadenergia az U belső energiának izoterm munkavégzéssel hasznosítható része.

A szabadenergia függvény matematikai tulajdonságai F = U TS A szabadenergia extenzív mennyiség. A szabadenergia állapotfüggvény. F(T) -S F 2 F = F2 F1 F 1 T A szabadenergia nem megmaradó mennyiség!

A szabadentalpia Termikus, mechanikai és kémiai kölcsönhatásokat vizsgáljunk U = T S p V + µ n ha T és p=állandó, akkor K = + ( PV) ( TS) = µ i K i= 1 G U n ( U PV T ) K ( H TS) G= + S = µ i n i= 1 G= = µ i ni G= H TS K i= 1 i= 1 i i U = p V + T S+ µ n +... + i ( TS) ( pv) i kémiai munka A G szabadentalpia az U belső energiának kémiai folyamatokkal hasznosítható része. K i= 1 K i= 1 U = + µ n i i i i

A szabadentalpia függvény matematikai tulajdonságai G(T) G= H TS A szabadentalpia extenzív mennyiség. A szabadentalpia állapotfüggvény. G 2 -S G= G2 G1 G 1 T A szabadentalpia nem megmaradó mennyiség!

Önként lejátszódó folyamatok iránya és hajtóereje A fizikai kémiai folyamatok spontán lejátszódásának nem szükséges feltétele a belső energia minimumra való törekvése! Egy példa: A jég olvadása. 0 C hőmérséklet közelében a víz belső energiája nagyobb, mint a jégé, ennek ellenére az 1 C-os hőmérsékletű jég légköri nyomáson spontán megolvad. Az olvadást = +4,2 kj/mol belsőenergia növekedés kíséri.

Elszigetelt rendszerben önként végbemenő folyamatok. U = 0 T 1 >T 3 T 1 >T 2 >T 3 T 1 T 3 hőmérséklet T 2 kiegyenlítődés p 1 >p 3 p 1 >p 2 >p 3 p 1 p 3 nyomás p 2 kiegyenlítődés c 1 >c 3 c 1 >c 2 >c 3 c 1 c 3 koncentráció c 2 kiegyenlítődés

Az entrópia nem megmaradó extenzív mennyiség! Elszigetelt rendszer Hőszigetelő merev fal Az energia megmaradó mennyiség 1 S = U 1 1 T1 T 1 T Q 2 U 1 U 2 S 1 S 2 1 S = U 2 2 T2 U = U1+ U 2 = állandó U = 0 U1= U 2 1 1 T T S = S1+ S2 =? S = S1+ S2 =? S = U + U = U 0 T T T T ha T T2 T1 akkor ha 2 1 T ha 2 1 < T akkor = T akkor T T T T 2 1 2 1 T T T T 2 1 2 1 T T T T 2 1 2 1 Hővezető fal 2 1 1 2 1 1 2 2 1 > 0 és U1> 0 S > 0 < 0 és U1< 0 S > 0 = 0 és U1= 0 S = 0 A hőcsere következtében a rendszer teljes entrópiája növekszik!

Önként lejátszódó folyamatok termodinamikai jellemzése Kölcsönhatás izoterm rendszerben F = U TS F = F1 + F2 =? F = F1 + F2 =? T 1 T 2 F1 = p1 V1 V 1 V 2 F2 = p2 V2 V = V p 1 1+ V2 = állandó p 2 p ha 1 2 ha p1 p2 ha p1 p2 df = p1 V1 p2 V2 Termosztát Mozgó dugattyú V = V 1 2 F = ( p p ) V 1 2 2 F = p V > p akkor ( p1 p2) > 0 és V2 < 0 F < 0 < akkor ( p1 p2) < 0 és V2 > 0 F < 0 = akkor ( p1 p2) = 0 és V2 = 0 F = 0 Izoterm nyomás-kiegyenlítődési folyamat során a szabadenergia csökken.

A termodinamikai egyensúly feltétele entrópia entalpia állandó:u,v,n állandó:s,p,n szabadenergia szabadentalpia állandó:t,v,n állandó:t,p,n termodinamikai egyensúly Szélsőérték meghatározás

karakterisztikus függvény környezeti kölcsönhatás "szigetelés" az egyensúlyhoz tartozó szélsőérték önként lejátszódó folyamat során S(U, V, n) elszigetelt U, V, n maximum S > 0 U(S, V, n) - S, V, n minimum U < 0 H(S, p, n) mechanikai S, -, n minimum H < 0 F(T, V, n) termikus -, V, n minimum F < 0 G(T, p, n) A termodinamikai egyensúly feltétele Mechanikai és termikus -, -, n minimum G < 0 A termodinamikai egyensúlyt az intenzív állapotjelzők homogén eloszlása jellemzi. Fázisok közötti termodinamikai egyensúlyt az intenzív mennyiségek fázisok közötti egyenlősége jellemzi.

A és B fázisok közötti egyensúly termodinamikai feltétele I egykomponensű rendszer (A) (B) p=állandó G A G B T=állandó G = G + G A m A G B Izoterm és izobár környezetben a fázisok egyensúlyának szükséges feltétele a moláris szabadentalpiák egyenlősége! G B m p=állandó oldószer oldat T=állandó µ 1,0 µ 1 Az oldatfázisban az oldott anyag kémiai potenciáljának meg kell egyeznie a másik fázis moláris szabadentalpiájával! L S µ 1 = G m µ = µ p + RT ln x ( ) 1 1,0 1

Ozmózis: kiegyenlítődési folyamat Az ozmózis jelenségéről akkor beszélünk, amikor két eltérő összetételű oldatot olyan féligáteresztő hártyával (szemipermeabilis membránnal) választunk el, amely az oldószer-molekulák számára átjárható, de az oldott anyag molekuláit nem engedi át. p p+π ozmózis Δh π = RTc id m π id = RT M 2 c 2 Van t Hoff-törvény Ekvivalens ozmotikus nyomás (ozmotikus koncentráció): oldatrendszerrel egyensúlyban levő nemelektrolit oldat koncentrációja. Mértékegység: mmol/kg = mosmol/kg = mosm

Ozmózis=kolligatív tulajdonság n ( α) = n [ 1+ α( 1) ] = n ν 0αν + n0 1 0 π = RT M 2 c 2 i i [ 1+ α( 1) ] = ν π glükóz c

Izotóniás oldatok: ha két különböző oldat ozmózisnyomása egyező Sejtek belsejével, 3,8 m%-os Na-citrát oldat, illetve a vérrel izotóniás 5,5 m%-os glükóz oldat, oldatok 0,87 m%-os NaCl oldat. Ha a koncentráció kisebb, mint az izotóniás oldaté, akkor: víz sejt hipotóniás oldat Ha a koncentráció nagyobb, mint az izotóniás oldaté, akkor: környezet sejtvíz hipertóniás oldat izotoniás hipotoniás hipertoniás

RENDSZER TIPUSOK rendszer időben állandó időben változó egyensúlyi stacionárius nemegyensúlyi reaktív transzportfolyamatok reakciókinetika Folyamatok hajtóereje: az egyensúlyra való törekvés önként lejátszódó folyamat során S > 0 F < 0 G < 0 F=U-TS G=H-TS

KÉMIAI ÉS BIOKÉMIAI REAKCIÓK HAJTÓEREJE G= G G r termékek reaktánsok rg= rh T rs H reakcióhő endoterm exoterm H > 0 H< < 0 0 r H r H reakcióentrópia Molekuláris rendezettség változása bomlás gyűrűképzés > 0 < 0 r S r S

Reaktív rendszerek termodinamikája I. Kémiai egyensúly ν AA+ ν BB= ν CC+ ν DD < 0 = 0 Kémiai átalakulás R r G e R r G T Te e e Re Te r G

Egy példa: CuS 2 Kapcsolt reakcióegyensúlyok II. Egy termodinamikai szempontból kedvezőtlen reakció összekapcsolása egy kedvező kémiai reakcióval az átalakulás irányát megfordíthatja. o = Cu+ S 86 =+ kj / mol r G o S+ O2 = SO2 213 2 2 r G = kj / mol o CuS+ O = 2Cu+ SO 127 r G = kj / mol Igen sok biokémiai reakcó lefolyását az adenozin-trifoszfát (ATP) hidrolízise, mint az energiát szolgáltató húzó reakció teszi lehetővé. o G+ P = G6P+ H O 11.6 i 2 2 i =+ kj / mol r G ATP+ H O= ADP+ P o = 32.5 / o G+ ATP= G6P+ ADP 20.9 r G r G Glükóz + ATP = glükózükóz-6-foszfát + ADP kj mol = kj / mol

ENERGIA ATP ADP P ENERGIA Celluláris makromolekulák szintézise Membránok, foszfilipidek szintézise Celluláris mozgás Transzport folyaamatok Electromos potenciál generálása Hő

A biológiai belső energia 18 5 10 MJ / év 17 1,7 10 J / s ÉLET Felhőben tárolt Felhőről visszavert Földön elnyelődött fotoszintézis 0,025% 6CO + 6H O= C H O + 6O 2 2 6 12 6 2 Biológiai makromolekulák keményítő glikogén cellulóz

fény szénhidrát növényi szövet zsír állati szövet Az élő szervezetben végbemenő anyagcsere folyamatok összessége: metabolizmus felépítő folyamatok anabolizmus lebontó folyamatok katabolizmus ADP ATP ATP ADP+ energia

A környezetből felvett anyagok beépülése az élő szervezetbe: anabolizmus fototróf egyszerű szervetlen anyagokból bonyolult szerves vegyületek felépítésére képes szervezetek kemotróf fototróf

Az élő szervezetek biokémiai reakciók során történő tápanyag lebontása: katabolizmus. poliszacharidok, lipidek, fehérjék nukleinsavak monoszacharidok, zsírsavak, nukleotidok, aminosavak Q ADP tejsav ecetsav ammónia karbamid ATP + 2 H O =ADP+ foszfát + energia 58-59 kj/mol

Néhány üzemanyag energia sűrűsége 3 H 2 anyag ATP gáz 10 atm. nyomáson glicin zsír szénhidrát glükóz Energia sűrűség [J/Kg] 1,0 10 1,2 10 5 8 6 6,5 10 7 3,9 10 7 1,7 10 7 1,6 10 U = ( ME) + Q+ Utárolt + Wmech kötési energia hő munka (vég)termék ( ME) = 0 U < 0

A bio-termodinamika I. főtétele tárolt energia megváltozása U = Q+ W + W mech kém metabolitikus hő veszteség mechanikai munka bio-szintézis külső belső W mech < 0

Biológiai termikus energia forgalom mérése Direkt kalorimetria Indirekt kalorimetria Q= Q + Q metabolizmus veszteség Oxigén fogyasztás és/vagy CO2 termelés arányos a hőtermeléssel kötési energia hő munka (vég)termék

Direkt kalorimetria Kalorimetriai > metabolikus (V=konst.) (p=konst.)

Indirekt kalorimetria Végső állapot Hess tétele: Kezdeti állapot C H O + 6O = 6CO + 6H O H =+ 2817 6 12 6 2 2 2 C6H12O6 + 36ATP= 36ADP+ Pi H =+ 1757 kj kj η= 61 65 % Direkt és indirekt kalorimetria 1 mól glükóz oxidációjához 6 mól=134,46 L oxigén kell! H = + 2817 Oxigén energia egyenérték 1 L oxigén fogyasztására 21 kj energiát jelent kj

Indirekt kalorimetria 1 mól glükóz oxidációjához 6 mól=134,46 L oxigén kell! C H O + 6O = 6CO + 6H O 6 12 6 2 2 2 H = + Oxigén energia egyenérték 1 L oxigén fogyasztása 21 kj energiát jelent 2817 kj komponens kalorimetrikus energia kj/g Oxigén egyenérték kj/l Széndioxid egyenérték kj/l szénhidrát 17,1 21,1 21,1 fehérje 23,6 18,7 23,3 etanol 29,7 20,3 30,3 zsír 39,6 19,8 27,9

Alap energiaforgalom: BMR Basal metabolic rate BMR Q = t nyugalom 3/4 BMR m b Kleiber törvény A BMR a korral csökken m = 70 kg b 7029 kj/nap 293 kj/óra 81 W férfi 60 W nő Energiaforgalom:(MR) és oxigén fogyasztás O : 2 : 2 alvás 83 W 0,24 L/perc séta 265 W 0,76 L/perc kerékpározás 400 W 1,13 L/perc O O : 2

A BELSŐ ENERGIA (HŐ) TRANSZPORTJA Hol keletkezik a nyugalmi metabolikus hő? A szervezeten belül a hőmérséklet eloszlás nem homogén. agyvelő 25% szív 15% vázizom 25% hasi zsigerek 25% vese 6% bőr 4% Hol veszik el a metabolikus hő? Q = Q + Q + Q + Q + Q veszteség sugárzó konvektív konduktív párolg ási légzés mag köpeny 25 % 54-60 % 7 % 14 %

Átlagos ember átlagos termikus jellemzői: Fajhő: 3,47 kj/kgk 70 kg-os személy hőkapacitása: 243 kj/ o C Q= C mb T Q t = C m b T t T 1 Q 1 = = BMR t C m t C m b b T = t BMR C m b T = 1,2 t o C /óra Ha nem lenne veszteség és fizikai aktivitás! Q = Q + Q + Q + Q + Q veszteség sugárzó konvektív konduktív párolg ási légzés 54-60 % 25 % 7 % 14 %

Fizikai aktivitás esetén Q t = f B M R T t B M R = f C m b 1, 2 f C o / h aktivitás f alvás 1 ülés 1,5 állás 1,7 gyaloglás 4,7 0< f < 20 Fizikai aktivitás

Fizikai aktivitás esetén Q t = f B M R T t B M R = f C m b 1, 2 f C o / h aktivitás f alvás 1 ülés 1,5 állás 1,7 gyaloglás 4,7 0< f < 20 Fizikai aktivitás