20.02.2009
CHEMIA MEDYCZNA  wykład 1
UKA
ADY BIOLOGICZNE JAKO UKA
ADY OTWARTE
Żywe organizmy podlegają prawom chemii i fizyki:
chemia żywych organizmów opiera się prawie wyłącznie na związkach węgla
zależy od reakcji przebiegających prawie wyłącznie w roztworach wodnych i w określonej
temperaturze
komórki są bardziej złożone niż jakikolwiek układ chemiczny
chemia komórki jest zdominowana przez cząsteczki polimerowe
komórka wykształciła mechanizmy kontrolne, zapewniające zachodzenie wszystkich reakcji
chemicznych we właściwym miejscu i czasie.
TERMODYNAMIKA CHEMICZNA
Układ / Otoczenie:
parametry stanu: p, V, T, n [T  temperatura bezwzględna, n  skład]
stan równowagi  układ znajduje się w stanie równowagi, jeżeli jego parametry nie zależą od czasu
proces odwracalny  może zachodzić w obu kierunkach nie pozostawiając zmian w otoczeniu
funkcje termodynamiczne: U, H, S, F, G [U  energia wewnętrzna, H  entalpia, S  entropia, F  energia swobodna, G  entalpia
swobodna; H, S, G  w organizmach żywych].
Zmiana energii układu:
otwarte [wymiana z otoczeniem energii i masy]
zamknięte [wymiana energii]
izolowane [brak wymiany energii i masy]
adiabatyczne [wymiana energii na sposób pracy].
Układy biologiczne są układami otwartymi.
Kierunek wymiany energii:
reakcje egzoergiczne "G<0
reakcje endoergiczne "G>0
Sposób przekazywania energii:
wymiana na sposób ciepła (Q)
wymiana na sposób pracy (W).
Efekt energetyczny reakcji (wymiana na sposób ciepła):
reakcja egzotermiczna "H<0
reakcja endotermiczna "H>0
Zmiana entalpii jest równa różnicy między entalpią produktów i entalpią substratów i nie zależy od drogi
przemiany.
niektóre przemiany są możliwe, ponieważ zmienia się sposób uporządkowania, czyli entropia (S)
układ dąży do stanu o minimalnej energii i maksymalnym nieuporządkowaniu
równanie Gibbsa-Helmholtza
"G = "H  T"S "G<0 "G=0
["G  zmiana entalpii swobodnej] [warunek samorzutności reakcji] [stan równowagi termodynamicznej]
"G = "H  T"S "G<0
"H<0 i "S>0 samorzutna
"H<0 i "S<0 samorzutna w niskich T
"H>0 i "S>0 samorzutna w wyższych T, zależy od "S
"H>0 i "S<0 niesamorzutna w dowolnej T
1
TERMODYNAMIKA BIOCHEMICZNA
kierunek reakcji przewidujemy w oparciu o zmiany entalpii swobodnej
w organizmach żywych procesy endoergiczne ("G1>0) są możliwe i zachodzą dzięki sprzężeniu przez
wspólny reagent (np. ATP) z procesami egzoergicznymi ("G2<0) |"G1|<|"G2|.
procesy fizjologiczne są endoergiczne (transport substancji przez błonę komórkową wbrew
gradientowi stężeń, przewodzenie impulsów nerwowych, skurcz mięśni, synteza makrocząsteczek)
energia potrzebna do przeprowadzenia tych procesów jest zmagazynowana w cząsteczkach typu ATP
i jej pierwotnym z
ródłem jest energia słoneczna przekształcana przez rośliny w energię chemiczną
w procesie fotosyntezy
energia zmagazynowana w pokarmach może być przekazana procesom endoergicznym nie
bezpośrednio, lecz poprzez utlenianie, w którym jest przekształcona w wiązania bogate w energię
(związki wysokoenergetyczne np. ATP).
RÓWNOWAGA CHEMICZNA, KINETYKA CHEMICZNA
KINETYKA CHEMICZNA
entalpia swobodna wyznacza zarówno kierunek procesu, jak i stan jego równowagi
ujemna wartość "G oznacza, że reakcja jest samorzutna, nie oznacza jednak, że będzie przebiegała
z wystarczającą szybkością
szybkością reakcji chemicznych zajmuje się kinetyka chemiczna.
Teoria zderzeń: aby zderzenie było zderzeniem efektywnym, a więc aby doprowadziło do zajścia
reakcji, reagujące cząsteczki muszą posiadać energię większą od pewnej określonej energii
granicznej, czyli energię aktywacji. Energia aktywacji jest różna dla różnych reakcji.
Teoria kompleksu aktywnego: cząsteczki w chwili zetknięcia tworzą kompleks przejściowy, który
posiada energię niezbędną do zajścia reakcji i który rozpadając się może dawać zarówno produkty jak
i substraty.
Stan: początkowy wzbudzony końcowy Stan: początkowy wzbudzony końcowy
G  entalpia
swobodna
Gs 
początkowa
entalpia
swobodna
Gp 
końcowa
entalpia
swobodna
Zmiany energii w reakcji egzoergicznej Zmiany energii w reakcji endoergicznej
Szybkość reakcji chemicznej jest proporcjonalna do ilości cząsteczek posiadających energię większą od
energii aktywacji.
RÓWNOWAGA CHEMICZNA
wszystkie reakcje chemiczne są odwracalne
aA + bB cC + dD
w stanie równowagi nie obserwujemy zmian w ilości poszczególnych składników reakcji (substratów
i produktów), chociaż reakcja przebiega w obu kierunkach
układ znajduje się w stanie równowagi, jeżeli jego parametry nie zależą od czasu
zmiana parametrów w czasie oznacza przejście układu z jednego do innego stanu równowagi.
2
KINETYKA CHEMICZNA
reakcja odwracalna, jednoetapowa, w stałej T
aA + bB cC + dD
każda reakcja przebiega z określoną szybkością
V1 = k1[A]a[B]b równanie kinetyczne [k1  stała szybkości reakcji, [A] i [B]  stężenie molowe substratów]
miarą szybkości reakcji jest zmiana stężenia substratu lub produktu w jednostce czasu.
aA + bB cC + dD
V1 = k1[A]a[B]b
V2 = k2[C]c[D]d
Szybkość danej reakcji chemicznej zależy od:
stężenia substratów
temperatury (im wyższa T, tym większa V [szybkość]) T = 309,75 K = const.
k{
obecności katalizatora
[ostatnie dwa czynniki są zależne od k]
V1 = k1[A]a[B]b V2 = k2[C]c[D]d
k1[A]a[B]b = k2[C]c[D]d
k1 [C]c[D]d = K
=
k2 [A]a[B]b
stała równowagi dynamicznej
Elementy farmakokinetyki:
szybkość wchłaniania i wydalania leków
określa zmiany w ich stężeniu w płynach
ustrojowych (farmakokinetyka)
stężenie leku determinuje efekt jego
działania (w tym efekt terapeutyczny)
odpowiednie stężenie zapewnione jest
przez odpowiednie dawkowanie.
Poziom leku w tkance docelowej
(efekt terapeutyczny) jest wypadkową:
absorpcji dystrybucji
metabolizmu wydalania
Każdy proces o określonych wartościach k.
3
RÓWNOWAGA CHEMICZNA
[C]c[D]d k1
K = =
[A]a[B]b k2
stała równowagi dynamicznej dla danej reakcji chemicznej zależy wyłącznie od temperatury
T = const. K = const.
stała równowagi nie zależy od stężeń reagentów.
Podwyższenie / obniżenie temperatury układu:
a)
"H<0 reakcja egzotermiczna
T ę! (stan �! i K�!) T�! (stan i Kę!)
"H>0 reakcja endotermiczna
T ę! (stan i Kę!) T�! (stan �! i K�!)
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
b)
K = [NH3]2
[H2]3[N2]
k1[H2]3[N2] = k2[NH3]2
a) rozpoczynamy reakcję od mieszaniny wodoru i azotu; reakcja osiągnie stan równowagi dynamicznej
 układ będzie zawierał wodór, azot i amoniak w określonych stężeniach
b) jeśli rozpoczniemy od amoniaku, to po pewnym czasie osiągnięty zostanie również stan równowagi
dynamicznej  układ będzie zawierał H2, N2, NH3.
Reguła Le Ch�telier:
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
H2 ę!
[NH3]2 = const
K =
[H2]3[N2]
N2 �! NH3 ę! H2 �!
Reguła Le Ch�telier-Brauna
(reguła przekory):
określa kierunek przesunięcia stanu równowagi
jeżeli na układ w stanie równowagi działa jakiś czynnik
zewnętrzny, to w układzie zajdą zmiany, które
spowodują zniesienie wpływu tego czynnika.
zmniejszenie stężenia jednego z reagentów [K = const.]
zmniejszenie/zwiększenie objętości układu na skutek zwiększenia/zmniejszenia ciśnienia [K = const.]
podwyższenie/obniżenie temperatury układu [K `" const!].
aA + bB cC + dD
Na wydajność reakcji (przesunięcie równowagi w prawo) mogą wpływać:
nadmiar jednego z substratów / usuwanie jednego z produktów
ogrzewanie układu dla reakcji endotermicznej, ochładzanie dla reakcji egzotermicznej
wzrost ciśnienia dla reakcji ze zmniejszeniem objętości reagentów.
4
RÓWNOWAGA BIOCHEMICZNA
Reakcje asocjacji i dysocjacji tlenu z hemoglobiny:
H2O + HHb + O2 HbO2 + H3O+
hemoglobina oksyhemoglobina
[HbO2 ][H3O+]
K =
[O2][HHb]
wysokie ciśnienie parcjalne tlenu w płucach sprzyja przesunięciu równowagi w prawo
zwiększenie stężenia jonów hydroniowych w tkankach umożliwia dysocjację oksyhemoglobiny.
KATALIZA
katalizator przyspiesza osiągnięcie stanu
katalizator uczestniczy w reakcji, ale pozostaje
równowagi dynamicznej.
niezmieniony
katalizator obniża energię aktywacji
Stan: początkowy wzbudzony końcowy
Zmiany energii w reakcji egzoergicznej
Kataliza homo- i heterogeniczna:
Kataliza homogeniczna zachodzi w układach jednorodnych  katalizator występuje w tej samej fazie,
co reagujące substancje, np. hydroliza sacharozy przebiega szybciej w środowisku kwaśnym
Kataliza heterogeniczna zachodzi w układach niejednorodnych  katalizator stanowi odrębną fazę
układu, np. kataliza kontaktowa.
energia
hydroliza sacharozy
aktywacji[kJ/mol]
Kataliza enzymatyczna:
w środowisku kwaśnym 1090
Enzymy  katalizatory białkowe odpowiedzialne za enzymatyczna 46
przyspieszanie procesów biochemicznych w organizmie
żywym
obniżenie energii aktywacji
enzymy przyspieszają jedynie reakcje
termodynamicznie możliwe ("G<0).
Termodynamika a porządek biologiczny:
II zasada termodynamiki mówi, że każdy układ
dąży do wzrostu nieuporządkowania (entropii)
żywe komórki wytwarzają stan uporządkowania
wykorzystując entalpię swobodną, zawartą
w związkach będących pożywieniem i dzięki uwalnianiu jej w postaci energii cieplnej
organizmy są układami otwartymi.
5
UZUPEA
NIENIE (wykład 2  27.02.2009)
Zmiana entalpii swobodnej a stała równowagi:
w celu porównania zmienności funkcji termodynamicznych w różnych reakcjach, ustalono warunki
standardowe: T = 298 K = 25�C oraz p = 1013 hPa, stężenia reagujących substancji = 1 mol/dm3
zmiana entalpii swobodnej w warunkach standardowych:
"G0 =  R T ln K =  5,71 log K (R = 8,31 J/mol"K, T = 298 K)
w oparciu o zmiany standardowej entalpii swobodnej możemy obliczyć stałą równowagi reakcji.
W układach biologicznych:
w temperaturze 37�C, pH=7
"G0 =  5,94 log K ("G0 =  5,71 log K)
np. glukozo-1-P glukozo-6-P
"G0 =  7,3 kJ/mol
K = 107,3/5,94 = 101,23 = 17
reakcja osiągnie stan równowagi, gdy:
[glukozo-6-P]
K = = 17
[glukozo-1-P]
reakcje endoergiczne mogą zachodzić dzięki sprzężeniu z reakcjami egzoergicznymi
ATP + H2O ADP + P
"G0 =  30,6 kJ/mol
kreatyna + P kreatyna-P + H2O
"G0 = + 43,1 kJ/mol
fruktozo-6-P + P fruktozo-1,6-di-P + H2O
"G0 = + 16,7 kJ/mol
6