<<
>>

ТЕРМОДИНАМИКА

Несмотря на большое разнообразие показателей (табл. 1.1), обеспечивающих понимание взаимодействия лекарственных средств с организмом, объединяющим моментом для них может быть термодинамический подход. Живые организмы динамичны по своей природе; они включают множество взаимосвязанных и взаимозависимых биохимических реакций, которые, как правило, находятся в состоянии равновесия, но довЬльно часто протекают в стационарном режиме. Если рассматривать отдельный организм или клетку как термодинамическую систему, то сразу становится ясным, что такая система в терминах термодинамики является открытой, так как она обменивается веществом, в том числе и лекарством, и энергией со своим окружением.

Классическая термодинамика изучает превращения энергии одного вида в энергию другого вида и соотношения между экспериментально определяемыми величинами, которые характеризуют систему в равновесии. Термодинамика образует основу для количественного описания влияния температуры, давления и концентрации на положение химического равновесия. В термодинамике не рассматриваются скорости, с которыми происходят те или иные процессы. В классической термодинамике время отсутствует; оно вводится, однако, в так называемой неравновесной термодинамике, или термодинамике необратимых процессов. Далее, термодинамические соотношения не зависят от предположений о молекулярной природе вещества и, строго говоря, не дают никакой информации о механизме химических или биохимических реакций. Они характеризуют только изменения при переходе из начального в конечное состояние. Тем не менее в руках физикохимиков понятия гиббсовской свободной

Основные показатели физико-химической фармакологии, используемые в процессе создания и изучения лекарственных средств

Таблица 1.1
Наука или научное направление Разделы Показатели
Химия Структура и физикохимические свойства Химическая структура, название вещества и его синонимы, липофильность, молекулярная масса, топологическая и топографическая характеристика, изомерия, чистота, спектральные свойства и др.
Биология Методы анализа (биохимические, фармакологические) механизмы Константы ингибирования (К, ІС50, процент изменения конценрации), коэффициент Хилла, кривые титрования. Номенклатура белков (переносчики, ферменты, рецепторы) кофакторы ферментов, клеточная компартментализация, посттрансляционная модификация, протеомика, геномика.
Структурная

биология

Методы,

структурная

характеристика

Экспериментальные методы (рентгеноструктурный анализ, ЯМР), методы очистки белков, установление структуры и чистоты, системы экспрессии (вектор, насекомые, бактерии). Мультидоменная организация белков, семейства.
ADME Методы анализа Физико-химические, иммунологические, микробиологические, и др. методы анализа. Определение свободной и связанной с белками фракции, печеночный клиренс, индукция и ингибирование ферментов, метаболизирующих лекарства. Фармакокинетическое моделирование (ADME/PK), цитотоксичность (ADME/t), пролекарства (ADME/PD).
Геномика

протеомика,

транскриптомика

Фармакогенетика,

токсикопротеомика

Секвенирование нуклеотидов и белков, структура генов, однонуклеотидные замены (SNPs), профиль дисперсии, тканевое распределение.
Компьютерные

технологии

Хемоинформатика,

биоинформатика

In silico: скрининг, конструирование и синтез биологически активных веществ, расчет дескрипторов, QSAR

энергии, энтальпии и энтропии, относимые к отдельным видам атомов и молекул в строго определенных стандартных состояниях, сыграли и продолжают играть ключевую роль при рассмотрении различных физико-химических процессов, происходящих в организме.

Термодинамика использует обозначения, необходимые для записи уравнений, в которых имеет место понятие теплота и другие формы энергии. Приведенные ниже символы отражают следующие термодинамические понятия: Е — внутренняя энергия, Н — энтальпия (теплосодержание), S — энтропия, G — свободная энергия Гиббса, о> — работа, q — теплота.

Термодинамические понятия связаны следующими фундаментальными уравнениями, которые могут быть представлены в самой простой форме в таком виде:

1. H = E + PV\

2. G = H-TS;

3. dE= TdS — PdV\

4. dH=TdS+VdP;

5. dG = VdF - SdT.

Функции H, E, G, (0, q имеют размерность энергии и чаще всего выражаются в калориях. Функция S выражается в калориях, деленных на градусы; член TS — в единицах энергии.

Четыре функции (Я, Е, G, S) отличаются от о> и q коренным образом, поскольку они представляют собой функции состояния в том смысле, что их значения зависят только от состояния системы, т. е. изменение этих величин обусловлено лишь начальным и конечным состояниями системы, но не путем между ними. Что же касается величин со и q, то они зависят от пути, и для их вычисления необходимо знать, по какому пути система переходит из одного состояния в другое. Однако если мы зададим путь, поддерживая систему при постоянном объеме или при постоянном давлении, так что она при этом не будет испытывать никакой другой работы, тогда q становится функцией состояния.

Поскольку величина функции состояния, например Е, зависит только от состояния системы, мы всегда можем взять интеграл

dE

и получить E2 — E{. Вместе с тем dq и da> нельзя проинтегрировать, чтобы получить q или со, так как теплота и работа зависят от пути и dq и dw — не полные дифференциалы. Однако их сумма, dq + d(o, будет полным дифференциалом, равным dE. Эти положения можно сформулировать следующим эквивалентным образом:

1. Е есть функция состояния системы.

2. dE есть полный дифференциал.

3. Интеграл dE по замкнутому пути (криволинейный интеграл) равен 0, т. е.

jdE = 0.

Если система проходит через ряд непрерывно изменяющихся состояний и в конце возвращается к первоначальному состоянию, общее количество энергии, внесенной в систему и выведенной из нее, равно нулю.

Важное и полезное выражение, применимое к полным дифференциалам, представляет собой соотношение обратимости Эйлера, которое утверждает: если полный дифференциал выражается в виде dE = ydx + zda>, то

Это соотношение получается в результате того, что порядок дифференцирования в дифференциальном исчислении не имеет значения.

Мы будем использовать символ d для обозначения бесконечно малого изменения или приращения, а символ со — для макроскопического изменения.

Величина Е включает в себя потенциальную энергию, кинетическую энергию, тепловую энергию, а также любую другую энергию, которой обладает система. Поскольку абсолютная энергия (или полная энергия) системы неизвестна, мы должны сфокусировать внимание на изменениях энергии при переходе системы из одного состояния (первый набор условий) в другое (второй набор условий). Таким образом, энергетический обмен между системой и окружающей ее средой будет характеризоваться разностью Е2 — Ех, или АЕ. Индексы 2 и 1 будут использоваться в дальнейшем для обозначения величин функций, соответствующих конечному и начальному состояниям системы. При любом изменении состояния системы все возможные изменения энергии можно объяснить за счет того, что а) система может поглощать или терять тепло и б) система может сама совершать работу или работа может совершаться над ней.

Для системы и ее внешней среды, рассматриваемых как одно целое, в математических терминах первый закон можно записать так:

jdE = 0.

Для изолированной системы любое изменение ее внутренней энергии можно описать уравнением

Д E = q + скатить каким- то образом вниз в долину. При этом было бы получено меньше работы, но перемещение камня сопровождалось бы выделением определенного количества тепла. Другие выбранные нами способы отличались бы лишь величиной трения, которое испытывал бы камень при движении. Для каждого пути характерна своя проделанная работа (со) и выделившееся тепло (q), отличающиеся от соответствующих величин для любого другого пути. Тем не менее, несмотря на большое число вариаций со и самое значение интеграла. Энтропия — экстенсивное свойство; подобно объему V и внутренней энергии S, она зависит от массы рассматриваемой системы.

Второй закон можно представить в удобной форме, используя понятие энтропии. Для любого бесконечно малого процесса дифференциал dS больше, чем dq/T, или равен этой величине:

dS = dq/T, (1.5)

Этим второй закон устанавливает различия между двумя типами изменений: изменения, для которых дифференциал энтропии равен dqT являются обратимыми, а те, для которых дифференциал энтропии больше dqT — необратимыми. К обратимым изменениям относится, например, перенос бесконечно малого количества теплоты от резервуара с температурой Т к резервуару, температура которого ниже на бесконечно малую величину.

На основе утверждения, что для необратимого процесса dS > pq/Ty второй закон дает критерий, позволяющий судить о возможности протекания химической реакции. Только показав, что это неравенство применимо к данному изменению состояния или данной химической реакции, можно утверждать, что это изменение или эта реакция произойдет самопроизвольно.

Уравнение 1.5 удобно применять к изолированным системам, т.е. к системам с постоянной внутренней энергией S и постоянным объемом V, которые не обмениваются с окружающей средой ни теплотой, ни работой, ни веществом. Для изолированной системы 0. 1.7

Для конечного обратимого изменения в изолированной системе AS = 0, а для конечного необратимого изменения AS > 0. Таким образом, когда в изолированной системе происходит необратимое изменение, энтропия возрастает. Когда все возможности увеличения энтропии при самопроизвольных изменениях будут исчерпаны, энтропия будет иметь максимальное значение. Для любого бесконечно малого изменения состояния при равновесии в изолированной системе dS = 0.

1.2.

<< | >>
Источник: Головенко М. Я.. Фізико-хімічна фармакологія: Монографія. — Одеса: Астропринт,2004. —720 с.. 2004

Еще по теме ТЕРМОДИНАМИКА:

  1. КРИТЕРИИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ
  2. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДЕСКРИПТОРОВ МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
  3. ФАРМАКОКИНЕТИКА
  4. ВВЕДЕНИЕ
  5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
  6. Гипертермические ванны
  7. Изготовление порошков
  8. Юрий Андреевич Андреев. Три кита здоровья СПб.:,1994. — 382 с., 1994
  9. Предисловие к 14-му официальному изданию (неофициальных, воровских было без счету)
  10. Предисловие к 11-му изданию
  11. Предисловие к 7-му изданию
  12. Глава первая ДОРОГА НА ОКЕАН
  13. Солнечный поддень жизни, или Сохранить бы последние крохи
  14. Глава вторая ДУХ ВЫСОКИЙ, ДЕЯТЕЛЬНЫЙ, ДОБРЫЙ
  15. Стрессы лужу-паяю, чиню-починяю!
  16. Глава третья ЖИВАЯ ЭНЕРГИЯ ЗЕМЛИ И НЕБА
  17. Секрет всех законов, или Жизнь в резонанс с законами мироздания