Перенос молекул (атомов) через мембраны, уравнение Фика

Явления переноса - самопроизвольные необратимые процессы, в которых благодаря молекулярному движению из одной части системы в другую переносится какая-либо физическая величина.

К явлениям переноса, в частности, относятся диффузия (перенос массы) и электропроводность (перенос электрического заряда).

Диффузия в однородной среде - явление самопроизвольного переноса массы вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Такой перенос называется пассивным транспортом. Потоком вещества (Ф) через элемент поверхности, который перпендикулярен направлению диффузии, называется количество этого вещества, переносимого через данный элемент за единицу времени.Количество переносимого вещества можно измерять в килограммах или молях (ν).
Коэффициент пропорциональности D называется коэффициентом диффузии. Знак «-» означает, что поток направлен в сторону убывания концентрации вещества (т.е. перенос происходит из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией). равнение Фика описывает диффузию в однородной среде. Модифицируем его для случая диффузии через мембрану. на границе раздела двух сред (например, воды и масла) обязательно имеет место скачкообразное изменение концентрации частиц диффундирующего вещества. Например, если в сосуд, в котором поверх воды налито масло, бросить соль, то ее концентрации в этих средах будут различны.Коэффициент распределения вещества (К) - величина, равная отношению концентраций частиц в граничащих средах.

7. перенос заряженных частиц через мембрану. Уравнение нернста планка. Перенос заряженных частиц через мембрану

Пассивный транспорт ионов.

В том случае, когда изменяется концентрация вещества и электрический потенциал, уравнения для потоков незаряженных и заряженных частиц сходны: Φ = – uc (dG/dx).

Если изменяется еще и стандартный электрохимический потенциал, то уравнение для потока вещества описывается уравнением Теорелла: Φ = – cu • (dμ/dx), где μ – электрохимический потенциал, который зависит от природы вещества и природы растворителя.

Если во всей рассматриваемой области диффузии отсутствуют химические превращения вещества и растворитель одинаков, то в этом случае уравнение Теорелла сводится к электродиффузному уравнению Нернста-Планка: Φ = –uRT (dc/dx) –cuz• Fdφ/dx. Это уравнение описывает пассивный перенос частиц в условиях существования градиентов концентрации вещества и электрического потенциала в растворе или в однородной незаряженной мембране.

Если известны концентрации ионов по обе стороны мембраны, трансмембранная разность потенциалов и коэффициент проницаемости, то величину пассивного потока ионов описывают с помощью уравнения Гольдмана: Φ ={zFΔφΡ/RT} • {[c2exp(zFΔφ/RT) -c1]/[1-exp(zFΔφ/RT]}.

Если потоки направлены противоположно, то их отношение описывается уравнением Уссинга-Теорелла: Φ2/Φ1 = c1/c2exp[- zFΔφ/RT].

Вывод: пассивный транспорт ионов может происходить только в случае наличия на мембране градиентов концентрации или электрического потенциала и описывается в общем случае уравнениями Нернста-Планка, Гольдмана или Уссинга-Теорелла. Невыполнение этих уравнений свидетельствует о том, что перенос ионов осуществляется активно или через мембранные каналы, где невозможно существование независимых ионных потоков.

Уравнение Нернста. В живом организме по обе стороны любой биологической мембраны находятся ионные растворы, причем концентрации одного и того же иона по обе стороны часто отличаются. Одной из причин установления и поддержания этих градиентов концентраций является различная проницаемость мембраны для тех или иных ионов. В этом случае градиент концентрации одного вещества может поддерживаться за счет наличия градиента концентрации другого вещества и/или разности потенциалов по обе стороны мембраны (так называемой трансмембранной разности потенциалов). Условием установления равновесия между двумя растворами, разделенными полупроницаемой мембраной, с различными концентрациями одинаковых ионов является равенство электрохимических потенциалов по одну и другую сторону мембраны. Значение разности электрических потенциалов, которая устанавливается на мембране при наличии градиента концентраций, рассчитывается с помощью уравнения Нернста: Δφ = φi - φ0 = (RT/zF)•lg (c0/ci).

8. Пассивный транспорт веществ через мембану. Разновидности.
Пассивный траспорт – перенос молекул и ионов через мембрану, который осузествляется в направлении меньшей концентрации. Идет без затраты энергии. Типы: 1) Простая диффузия через липидный слой. Она подчиняется уравнению нернста планка. В живой клетке такая диффузия обеспечивает прохождение кислорода и углекислого газа, ряда лекарственных веществ. 2) Транспорт веществ через каналы (поры). Канал - участок мембраны, включающий белковые молекулы и липиды, который образует в мембране проход. Этот проход допускает проникновение чрез мембрану молекул воды, крупных ионов. 3) Облегченная диффузия – Перенос ионов специальными молекулами переносчиками за счет диффузии переносчика вместе с веществом. 4) Эстафетная передача. В этом случае молекулы переносчики образуют временную цепочку поперек мемброаны и передают друг другу диффундиующую молекулу.

9. Активный транспорт веществ. Опыт Уссинга.
Активный транспорт – перенос молекул и ионов, который происходит с затратой химической энергии в направлении от меньших значений величин к большим. При этом нейтральные молекулы переносятся в область большей концентрации, а ионы переносятся против сил, действующих на нх со стороны электрического поля. Существование активного транспорта веществ через мембрану впервые было доказано в опытах Уссинга (1949г) на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки. Экспериментальная камера Усиинга, заполненная нормальным раствором Рингера, была разделена на две части свежеизолированной кожи лягушки. Наблюдались потоки ионов натрия через кожу лягушки, слева направо от наружной к внутренней поверхности и справа налево – о внутренней к наружной поверхности. На коже лягушки, разделяющей раствор Рингера, возникла разность потенциалов, причем внутренняя сторона кожи имела положительный потенциал по отношению к наружному. Экспериментальные данные свидетельств. О том, что перенос ионов натрия чере кожу лягушки не подчиняется уравнению пассивного транспорта. Следовательно, имеет место активный перенос.

10. Мембранные потенциалы. Потенциал покоя.
Одна их важнейших функций биологической мембраны – генерация и передача биопотенциалов. Это явление лежит в основе мяшечного сокращения, возбудимости клеток, ргеуляции внутриклеточных процессов, работы нервной системы, всех видов рецепции. Если электрические потенциалы цитоплазмы и внеклеточной жидкости различны, то разность этих потенциалов приложна именно к мембране. Эта разность потенциалов называется трансмембранным потенциалом или просто мембранным потенциалом. Мембранные потенциалы подразделяются на потенциалы покоя и потенциалы действия. Потенциал покоя – стационарная разность электрических потенциалов, региструемая между внутренней и наружной поверхностью мембраны в невозбужденном состоянии.Потенциал покоя определяетя разной концентрацией ионов по разные стороны мембраны и диффузией ионов через мембрану.

11. Формула Нернста. Уравнение Гольдмана. Уравнение Томаса.