WYKŁADY – CHEMIA Z BIOCHEMIĄ STATYCZNĄ

„A man cannot become a competent surgeon without the full knowledge of human anatomy and physiology, and the physician without physiology and chemistry flounders along in an aimless fashion, never able to gain Any accurate conception of disease, practicing a sort of popgun pharmacy pitting now the malady and again the patient he himself not knowing which.”

Budowa atomów i cząsteczek i chemia statyczna – o strukturach cząsteczek

konformacja jest szczególnie ważna w terapii celowanej;

10 zajęć z chemii – 4 z nich to długie zajęcia z cz. teoretycznej (seminarium) i laboratoryjnej; 6 razy są krótkie zajęcia – 1,5h, raz tylko na laboratorium; warunki dopuszczenia do egzaminu: udział w 9 na 10 sprawdzianów pisemnych; przy dwóch nieobecnościach należy uzupełnić 1 sprawdzian po ostatnich zajęciach; 3 lub więcej nieobecności powodują niedopuszczenie do egzaminu; udział w 10 sprawdzianach upoważnia do określenia jednej oceny; dla tych, co są na wszystkich zajęciach – można skreślić sobie najgorszą ocenę; trzy sposoby uzyskania wiedzy wystarczającej do zdania:

termin zerowy pisemny: 18 maja; ocena 4,5 i szerszy materiał niż na seminariach

I termin (test + zadania): 20 czerwca; suma ocen z zajęć + pkt. z testu (max 60) + pkt. z zadań (max 24) / liczba ocen z zajęć + 10 + 4 = ocena końcowa

oceny z zajęć: 10 kartkówek, w tym 9 obow., 2 z laboratorium, 2 z odpowiedzi, czyli min. 9, max. 14, należy zawsze być przygotowanym na laborki; te 14 = pkt. do mianownika, dzielnik pkt. z testu + pkt. z zadań

praca zindywidualizowana: całościowe opanowanie materiału (wykłady + ćw. później); II termin: test + pytania + zadania – 7 września; kolejny termin – 25 września;

trzy podręczniki: Kędryna T.: Chemia ogólna z elementami biochemii; Alberts B.: Podstawy biologii komórki – stąd przezrocza na wykładach; Murray RK, Granner DK, Rodwell – Biochemia Harpera

środa rano – nasza grupa ma długie zajęcia; w kolejnym tygodniu – krótkie

PBL = problem-based learning – niektóre zajęcia teoretyczne będą prowadzone przez studentów; jeden student prowadzi zajęcia zadając pytania, drugi kontroluje poprawność odpowiedzi pozostałych studentów; informacja będzie podawana na wykładzie, które grupy w kolejnym tygodniu będą miały zajęcia z elementami PBL i którzy studenci będą pełnili rolę prowadzącego i eksperta;

34 PKT. NA EGZAMINIE ZALICZAJĄ!!!

UKŁADY OTWARTE

Żywe organizmy podlegają prawom fizyki i chemii. 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 czasie i miejscu. Pod tym względem jesteśmy naprawdę wyjątkowi.

termodynamika chemiczna

układ – ta część środowiska, która jest przedmiotem naszych rozważań; to my decydujemy, co jest układem; na ogół termodynamika zajmuje się układami makroskopowymi; wszystko, co znajduje się poza układem, jest otoczeniem;

parametry stanu – za ich pomocą można opisać układ: ciśnienie, objętość, temperatura, skład

układ znajduje się w stanie równowagi, jeżeli żaden z parametrów stanu nie ulega zmianie w czasie; jeżeli w układzie następuje zmiana, któregokolwiek parametru, to układ dąży do osiągnięcia stanu równowagi dynamicznej; może być odwracalny (proces zachodzi w obu kierunkach i nie pozostawia zmian w otoczeniu); proces nieodwracalny (zmiany w jednym kierunku; w dwóch możliwy, ale zostawia zmiany w otoczeniu)

5 funkcji termodynamicznych:

energia wewn. U, entalpia H, entropia S, entalpia swobodna F, energia swobodna G – pogrubionym drukiem najważniejsze wartości z punktu widzenia chemii na naszych zajęciach

zmiana energii układu, a nie bezwzględne wartości; zmiana jest możliwa, gdy układ oddziałuje z otoczeniem; dzielimy je na otwarte (takie, co wymieniają z otoczeniem energię i masę); zamknięte (energię, ale bez masy); izolowane (nie wymieniają nic); adiabatyczne (wymieniają energię na sposób pracy); układy biologiczne są otwarte

kierunek zmiany energii: reakcje egzoergiczne (dG<0) – warunek samorzutności reakcji; i endoergiczne (dG>0)

sposób przekazywania energii: ciepło i praca

tylko wymiana na sposób ciepła: egzotermiczne (dH<0); endotermiczne (dH>0); zmiana entalpii jest równa różnicy między entalpią produktów i substratów, a nie sposobu przejścia;

niektóre przemiany są możliwe, bo zmienia się stopień uporządkowania układu, czyli entropia;

układ dąży do stanu o minimalnej energii i maksymalnym nieuporządkowaniu;

czysty kryształ o temp. 0 K  S = 0 J

równanie Gibbsa-Helmholtza: dG = dH – TdS dG<0

organizmy żywe to układy wysoce uporządkowane, o niskiej entropii

dH<0 i dS>0  samorzutna

dH<0 i dS<0  samorzutna gdy |dH| > |TdS|, np. w niskich T

dH>0 i dS>0  samorzutna w wyższych T, zależy od dS (rozpuszczanie kryształów soli w wodzie)

dH>0 i dS<0 niesamorzutna w dowolnej T

dS>0 oznacza, że nastąpił wzrost nieuporządkowania układu

powstawanie dwuniciowej helisy DNA

proces wykorzystywany In vitro w biologii molekularnej; tworzenie dwuniciowej helisy DNA z fragmentów jednoniciowych towarzyszy wzrost uporządkowania układu = konieczne uwolnienie ciepła do otoczenia dG = dH – TdS

ds. < 0 (wzrost uporządkowania)

dG<0 (warunek samorzutności)

dH musi być <0 i dH > |TdS|

dla pojedynczych nici DNA …….

termodynamika biochemiczna  kierunek reakcji przewidujemy w oparciu o zmiany entalpii swobodnej; w organizmach żywych procesy endoergiczne są możliwe i zachodzą dzięki sprzężeniu przez wspólny reagent z procesami egzoergicznymi dG1<|dG2|

transport substancji przez błonę kom., skurcz mięśni, synteza makrocząsteczek  endoergiczne

energia potrzebna do przeprowadzenia tych procesów jest zmagazynowana w cząsteczkach typu ATP i jej pierwotnym źródłem jest energia słoneczna przekształcana przez rośliny w energię chemiczną w procesie fotosyntezy

RÓWNOWAGA CHEMICZNA – KINETYKA CHEMICZNA

entalpia swobodna wyznacza zarówno kierunek procesu, jak i stan jego równowagi; ujemna wartość dG oznacza, że reakcja jest samorzutna, nie oznacza jednak, że będzie przebiegała z określoną szybkością; szybkość reakcji chemicznych zajmuje się kinetyka chemiczna

teoria zderzeń aby zderzenie było zderzeniem efektywnym, a więc aby doprowadziło do zajścia reakcji, reagujące cząsteczki mają energię większą od energii aktywacji

teoria kompleksu aktywnego cząsteczki w chwili zetknięcia tworza kompleks przejściowy, który posiada energię potrzebną do zajścia reakcji  rozpadając się daje produkty albo substraty reakcji;

rysujemy wykres  oś rzędnych G, oś odciętych t; zakreślamy krzywą (było w liceum)

pamiętamy, od którego miejsca na wykresie zaznaczamy energię aktywacji!!! (od poziomu powyżej dG)

szybkość reakcji chemicznej jest proporcjonalna do ilości cząsteczek posiadających energię większą od energii aktywacji

uwaga na poziom Ea w przypadku reakcji endoergiczych – zaczyna się tak samo, jak dG, tylko wyżej kończy, w egzoergicznych – Ea zaczyna się tam, gdzie dG się kończy; w endoergicznych część energii jest pochłaniana, a tylko część jest oddawana na zewn.

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

kinetyka chemiczna

reakcja odwracalna, jednoetapowa, w stałej T

aA + bB k1k2 cC + dD

każda reakcja przebiga z określoną szybkością: v1 = k1[A]^a[B]^b

równanie kinetyczne piszemy na podstawie doświadczenia empirycznego!!! nigdy na czuja!!! wieloetapowo – niektóre etapy będą przebiegały z innymi prędkościami; produkt przejściowy powstający reaguje bardzo wolno z substratem i po długim czasie otrzymujemy produkt (to był przykład);

miarą szybkością reakcji jest zmiana stężenia produktu lub substratu w jednostce czasu

kinetyka chemiczna

aA + bB k1k2 cC + dD

v1 = k1[A]^a[B]^b

v2 = k2[C]^c[D]^d

szybkość danej reakcji chem. zależy od: stężenia substratów, temperatury i obecności katalizatora

układy biologiczne  T = 309,75 K = const.

katalizatory biologiczne  enzymy (rodzaj białek)

szybkość substratów będzie malała z biegiem czasu, a produktów – rosła; będzie moment, gdy tempo reakcji jednej i drugiej osiągnął stan równowagi – czyli taka linia na środku; skład mieszaniny się nie zmienia; jak się nie zmienia ciśnienie, objętość, temperatura, skład  mamy stan równowagi dynamicznej

v1 = v2

k1/k2 = [C]^c[D]^d/[A]^a[B]^b = K

stała równowagi dynamicznej określa nam relację między substratami i produktami w stanie równowagi dynamicznej; szybkości obu reakcji są jednakowe

K = [B]/[A], K<1 – więcej substratów, niż produktów [%]

K>1 – więcej produktów niż substratów [%]

elementy farmakokinetyki

• szybkość wchłaniania i wydalania leków określa zmiany w ich stężeniu w płynach ustrojowych

• stężenie leku determinuje efekt działania (w tym: terapeutyczny)

• odpowiednie stężenie leku jest zapewnione przez odpowiednie dawkowanie\

stała równowagi dynamicznej dla danej reakcji chemicznej zależy tylko od temperatury; stała równowagi termodynamicznej jest liczbą

T = const.  K = const.

stała równowagi nie zależy od stężeń reagentów – zastanowić się nad tym

wpływ temperatury:

dH<0  reakcja egzotermiczna

T rośnie (stan w lewo, K maleje) T maleje (stan w prawo, K rośnie)

dH>0  reakcja endotermiczna

T rośnie (stan w prawo, K rośnie) T maleje (stan w lewo, K maleje)

stała równowagi maleje lub rośnie, stan równowagi przesuwa się

były wykresy związane ze zmianą stężeń reagentów w czasie w zależności od typów reakcji

N_2(g) + 3H_2(g)  2NH_3(g)

w stanie równowagi dynamicznej K = const.

reguła Le Chateliera-Browna – reguła przekory – określa kierunek przesunięcia stanu równowagi, jeżeli na układ w stanie równowagi działa czynnik to układ zadziała tak, by przywrócić równowagę

K = [NH₃]² / ([N₂]*[H₂]³) = const.

H₂O + HHb + O₂  HbO₂^- + H₃O⁺

K = ([HbO₂^-]*[H₃O⁺]) / ([HHb]*[O₂])

wysokie ciśnienie parcjalne tlenu w płucach sprzyja przesunięciu równowagi w prawo; zwiększenie stężenia jonów hydroniowych w tkankach umożliwia dysocjację hemoglobiny

gazy – ciśnienie parcjalne to to samo, co stężenie

zmiana temperatury zmienia K

aA + bB k₁k₂ cC + dD

nadmiar substratu, usunięcie produktu, ogrzewanie układu dla endotermicznej; ochładzanie dla egzotermicznej (uwaga!); wzrost ciśnienia dla reakcji ze zmniejszeniem objętości reagentów

katalizator przyśpiesza osiągnięcie stanu równowagi dynamicznej

kataliza homogeniczna – w ukł. jednorodnych

kataliza heterogeniczna – w ukł niejednorodnych, substrat stanowi inną fazę (np. czerń platynowa)

kataliza enzymatyczna – poprzez białka

termodynamika  porządek biologiczny

organizmy żywe żyją kosztem otoczenia

enzymy przyśpieszają reakcje termodynamicznie możliwe

kartkówka  25 min., 5 pytań – materiał ze szkoły średniej, cz. laboratoryjna potem