background image

 

1

CHEMIA MEDYCZNA – wykład 1 

 
UKŁADY BIOLOGICZNE JAKO UKŁADY 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 ΔG<0 

 reakcje endoergiczne ΔG>0 

 
Sposób przekazywania energii: 

 wymiana na sposób ciepła (Q) 

 wymiana na sposób pracy (W). 

 
Efekt energetyczny reakcji (wymiana na sposób ciepła): 

 reakcja egzotermiczna ΔH<0 

 reakcja endotermiczna ΔH>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 

ΔG = ΔH – TΔS    

 

ΔG<0   

 

  

   ΔG=0 

[ΔG – zmiana entalpii swobodnej] 

[warunek samorzutności reakcji] 

[stan równowagi termodynamicznej] 

 
ΔG = ΔH – TΔS      ΔG<0 

 ΔH<0 i ΔS>0 

samorzutna 

 ΔH<0 i ΔS<0 

samorzutna w niskich T 

 ΔH>0 i ΔS>0 

samorzutna w wyższych T, zależy od ΔS 

 ΔH>0 i ΔS<0 

niesamorzutna w dowolnej T 

 

 
20.02.2009 
 

background image

 

2

TERMODYNAMIKA BIOCHEMICZNA 

 

 kierunek reakcji przewidujemy w oparciu o zmiany entalpii swobodnej 

 w organizmach żywych procesy endoergiczne (ΔG

1

>0) są możliwe i zachodzą dzięki sprzężeniu przez 

wspólny reagent (np. ATP) z procesami egzoergicznymi (ΔG

2

<0) 

 |ΔG

1

|<|ΔG

2

|. 

 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  źródłem  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  ΔG  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 

                

    

 

 

      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. 

G – entalpia 

swobodna 

 

G

s

 –  

początkowa 

entalpia 

swobodna 

 

G

p

 – 

końcowa 

entalpia 

swobodna 

 
 

background image

 

3

KINETYKA CHEMICZNA 
 

 reakcja odwracalna, jednoetapowa, w stałej T 

 

aA + bB 

   cC + dD 

 

 każda reakcja przebiega z określoną szybkością 

V

1

 = k

1

[A]

a

[B]

b  

równanie kinetyczne 

[k

1

 – 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 

 

 

V

1

 = k

1

[A]

a

[B]

 

V

2

 = k

2

[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. 

 obecności katalizatora 

[ostatnie dwa czynniki są zależne od k] 
 

 

 

 

 

V

1

 = k

1

[A]

a

[B]

V

2

 = k

2

[C]

c

[D]

d

 

k

1

[A]

a

[B]

b

 = k

2

[C]

c

[D]

d

 

 

         k

1            

 [C]

c

[D]

 

         k

2

         [A]

a

[B]

 

 stała równowagi dynamicznej 

k

 

=  K 

  =  

  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. 
 

background image

 

4

RÓWNOWAGA CHEMICZNA 
 

 

 [C]

c

[D]

d

           

k

1            

 

 

 

 [A]

a

[B]

b

           

k

2

         

 

 

 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: 

 ΔH<0 reakcja egzotermiczna 

T ↑ (stan ← i K↓) 

 

T↓ (stan → i K↑) 

 ΔH>0 reakcja endotermiczna 

T ↑ (stan → i K↑) 

 

T↓ (stan ← i K↓) 

 
 
N

2

(g) + 3H

2

(g) 

2NH

3

(g) 

   

 

 

 

 

  [NH

3

]

 

[H

2

]

3

[N

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 H

2

, N

2

, NH

3

 
Reguła Le Châtelier: 

 

N

2

(g) + 3H

2

(g) 

2NH

3

(g) 

 

H

2

 ↑ 

 

    [NH

3

]

 

 [H

2

]

3

[N

2

]

 

 
N

2

 ↓    NH

3

 ↑       H

2

 ↓ 

 
Reguła Le Châtelier-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. 

 

 K  = 

   = 

 K  = 

 

 

 k

1

[H

2

]

3

[N

2

] = k

2

[NH

3

]

 

 

a) 
 

b) 
 

 

 K  = 

 

 

= const 

 

background image

 

5

 

 katalizator  przyspiesza  osiągnięcie  stanu 

równowagi dynamicznej. 

 

hydroliza sacharozy 

energia 

aktywacji[kJ/mol] 

w środowisku kwaśnym 

1090 

enzymatyczna 

46 

 

 

RÓWNOWAGA BIOCHEMICZNA 

 

Reakcje asocjacji i dysocjacji tlenu z hemoglobiny: 

 

H

2

O + HHb + O

 

   HbO

2

 + H

3

O

 

 

  [HbO

2

][H

3

O

+

]

 

 

     [O

2

][HHb]

 

 

 wysokie ciśnienie parcjalne tlenu w płucach sprzyja przesunięciu równowagi w prawo 

 zwiększenie stężenia jonów hydroniowych w tkankach umożliwia dysocjację oksyhemoglobiny. 

 
KATALIZA 
 

 katalizator  uczestniczy  w  reakcji,  ale  pozostaje 

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. 

 
Kataliza enzymatyczna:
 

 Enzymy  –  katalizatory  białkowe  odpowiedzialne  za 

przyspieszanie  procesów  biochemicznych  w organizmie 
żywym 

 obniżenie energii aktywacji 

 enzymy  przyspieszają  jedynie  reakcje 

termodynamicznie możliwe (ΔG<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

 

 K  = 

 

hemoglobina 
 

    oksyhemoglobina 
 

background image

 

6

UZUPEŁNIENIE (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 = 25ºC oraz p = 1013 hPa, stężenia reagujących substancji = 1 mol/dm

3

 

 zmiana entalpii swobodnej w warunkach standardowych: 

ΔG

0

 = – 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 37ºC, pH=7 
ΔG

0’

 = – 5,94 log K 

(ΔG

0

 = – 5,71 log K) 

 

np.   glukozo-1-P  

   glukozo-6-P 

 

ΔG

0’

 = – 7,3 kJ/mol 

K = 10

7,3/5,94 

= 10

1,23

 = 17 

 

reakcja osiągnie stan równowagi, gdy: 
 
K =  

 

 

= 17 

 

 

 reakcje endoergiczne mogą zachodzić dzięki sprzężeniu z reakcjami egzoergicznymi 

 

ATP + H

2

ADP + P 

ΔG

0

 = – 30,6 kJ/mol 

 

 

kreatyna + P 

    kreatyna-P + H

2

ΔG

0

 = + 43,1 kJ/mol 

 

fruktozo-6-P + P           fruktozo-1,6-di-P + H

2

ΔG

0

 = + 16,7 kJ/mol 

 
 
 

 

 

[glukozo-6-P] 

 

 

[glukozo-1-P]